《基于传递函数法的变压器绕组变形监测研究》8200字（论文）

目录目录绪论1.1选题背景及其意义1.1.1选题背景自我国首条500kV特高压输电线竣工投产以来，中国形成了500kV骨干输电网架[1]，但在后续发展中已经不能满足需要的大容量、远距离的输电需求。因此电力系统需要建立“特高压输电”，骨干网是以1000kV特高压AC输电线为基础，再按电压等级划分，其基本特征是：具有明确的网络结构和强大的网络性能[2]。变压器是电网中的关键设备，它的安全和稳定是影响电网整体安全的关键因素，对其故障的原因进行了深入的研究。故障诊断比较简单，而变压器内部故障的诊断主要是针对变压器故障后的电气量和非电气量[3-4]，目前，对变压器的潜在故障检测还处在初级阶段，对线圈的小故障反应不大。相关研究表明，在运行中的变压器经常出现外部失效，即区域外失效，其最直接的结果就是变压器本身的线圈会发生变形，从而造成变压器匝间失效。其中，匝间失效是变压器失效的主要原因[5]。1.1.2绕组变形在线监测的意义通过实时监测电力设备的工作状态，评估其工作状态，可以显著地提高其运行安全，延长其使用寿命，并且大大的增加了它的使用。因此，在变电站中，要对变压器绕组进行实时监测，具有十分重要的实际应用价值。变电所的工作状态和电力设备是否安全、可靠，能够及时地发现各种异常和危险，并针对实际情况，采取相应的防范措施，避免事故加重，造成更大的经济损失。保证仪器运转良好，是保障整个系统安全运行的关键。通过实时监控的数据，对设备检修周期进行科学的规划，减少了传统维修方式下的工作负荷，减少了因维修作业而导致的停电。因此，对大容量变压器绕组进行监测，发现其内部潜在的隐患，并对其进行预测维修，是非常有实用价值的。1.2国内外研究现状1.2.1检修制度的发展改善电气设备的运行可靠性主要有两个方面：一是改善电设备的品质；二是进行合理的检修与维护。18世纪，电力设备的维修方法以“事后维修”/“故障维修”为主，是最早的维修方法。它的基本原则是，当要维修的设备出现故障，影响到了系统的正常工作，那么它就必须进行维修。这种维修方法最大的问题就是设备有问题后再进行维修，只适合设备少、影响小的系统，但对现实中的系统来说，却会造成断电，影响到人身、电网和设备的安全。19世纪的电力设备维修方式以预防性维修为主，其维修方式大致可分为五大类型：定期维修(2)基于可靠性的维修(3)故障查找模式(4)使用直至受损的重新修理(5)主动维护虽然，预防性维护的出现为设备维护带来了一定的经济利益，而且可以使电器的工作保持在一定的可靠度，从而延长设备的使用寿命，但也存在缺点：要停电进行，周期性进行，而状态量在设备处于停电时和运行时检测到的值不一样，定期维修时间间隔难确定。20世纪70年代，美国第一次采用了状态检修模型。状态维护模式能够实时、高效地判断被监测设备的运行状态，从而决定最佳维护时间。随着电网的发展，预防性维修的缺陷日益突出，而我国实行状态检修制度，更加注重设备的使用情况，应将故障诊断与在线监测相结合。设备状态良好，绝缘性能稳定，检验周期将大大延长。所以，必须加强对设备的实时监测，使其能够及时地反映出其运行状况。1.2.2绕组变形在线监测的方法绕组变形在线监测的方法常见的有低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法。(1)低压脉冲法低压脉冲法是利用一种传递函数对变压器绕组变形进行分析的方法。“低压”是在变压器的一端绕组上施加100V的电压，然后测初级和次级的接地电压。(t)和(t)，从而得到如下图1-1所示的“二端口”网络的传递函数h(t)或H(jω)，即：h(t)=Vo(t)/Vi(t)(1-1)h(jω)=Vo(jω)/Vi(jω)(1-2)根据上列式（1-1）和（1-2）所示数学表达式来判断变压器绕组变形。图1.1低压脉冲法原理示意图目前，变压器绕组是否能通过出厂短路测试，多采用低压脉冲方法。而在实际运行中，由于受多方面因素的影响，检测结果的重复性比较差，测量结果不能比较，而且对线圈头部分的变形也不敏感，很难准确地判断出线圈的变形位置[6]。(2)短路阻抗法用电阻法对变压器绕组的变形进行测试是领域内首次使用的方法。在实际工作中，变压器的工作电流很难达到额定工作电流，而且在变压器绕组变形的早期，所需的数据变化非常小，尤其是在测量设备中，这种细微的变化是很难被测量设备检测到的。因而，该方法更适用于某些变压器绕组已发生明显或十分严重的变形。(3)频率响应法加拿大的Erven和Dick于1978年首先提出了频率响应方法，并在国内外广泛使用[7]。变压器线圈是一种可以用一条频率响应曲线表示的双端电网，通过公式（1-3）求出其与输出之间的关系，绘制一幅反映变压器线圈工作状态的频率响应曲线。(1-3)利用频率响应曲线法，对绕组的变形进行了详细的分析，即在绕组的输入端上加一个稳定的扫描信号，通过对各绕组的输入、输出进行信号处理，得到各绕组的频率特性曲线，并将其与已有的频率特性曲线进行对比，以确定绕组的变形。结果表明，采用频率响应法可以较精确地判断绕组的变形。1.2.3传递函数法在线性网络中，其传输性能取决于其本身的特点，还与网络的拓扑和设备的参数相关。在实际的变压器绕组中，该电路的结构和各个元件的参数都已经被确定。当变压器绕组发生了变形，传递函数会发生改变。因此，传递函数的改变可以反映变压器绕组的变形[8-9]。理论上，传递函数不依赖于所加激励信号，但在实际应用中，其频带宽度、采样速率等因素都会对其传递函数有一定的影响。低电压脉冲一般采用冲击截波，其灵敏性与脉冲的陡度、幅值等相关，因此对波形和幅值的重现性要求更高。根据传递函数的变化曲线，判断绕组是否发生了变形，按照不同的对比目标，可以将其划分为纵向和横向两类。纵向比较的目标是同一变压器在不同时刻测量的传输函数谱图。目前，许多电力部门都对变压器绕组的变形进行了全面的测试，将各绕组在投入使用之前的传递函数曲线进行了详细的分析，以便在今后的工作中根据新测量到的数据和原始数据进行对比，由此可以判定绕组的变形。利用横向比较方法，可以在不需要初始谱的条件下，对变压器三相绕组的传递函数谱进行横向比较，从而诊断出线圈的变形情况。1.3主要研究内容本文对变压器的基本结构进行了详细的分析，同时，对绕组变形的原因、危害进行了分析，掌握了在线监控变压器绕组变形的途径，特别是传递函数法的基本原理。

2变压器绕组变形分析2.1电力变压器的结构变压器是电网中最昂贵的设备，如果出现故障，将会给电网带来巨大的经济损失[10-11]。轻微的绕组变形是绕组仍然能够正常工作而不发生明显的变形，但是随着失效的严重程度的增大，它会造成绕组绝缘的损伤或机械强度的下降，而变压器的正常工作条件将会受到损害[12]。因此，能够及时、准确地监测和预警绕组发生轻微变形的情况，可以有效地防止绕组的进一步损伤。随着智能电网技术的飞速发展，对电力设备进行在线故障诊断的深入研究和开发已经成为一种必然。传统的离线诊断变压器绕组变形故障，已不适应智能化电网发展的需要。为了对变压器绕组的变形进行在线诊断，已有许多学者进行了大量的工作[13-14]。1.铁芯铁芯是变压器中的一种关键部件，可以组成一个磁回路。线圈采用铁心作为绕线轴，对电磁、机械强度等有较高的要求。核心由硅钢板制造，运行损失低。对铁芯材质的需求：①厚度均匀，允许偏差小；②卷材必须平滑，不得有波纹；③外保温涂料必须坚固，不得脱落；④应具有较高的导磁性能，且损失要尽可能少。2.绕组绕组是变压器中的关键部分，因为变压器是通过它与外部电网连接的。绕组采用铜质和铝质材料缠绕而成。因为电线是用绝缘材料包住的，所以绕制变压器铁心的每个线圈都是彼此隔离的，起到了绕组匝间绝缘的作用。（1）绕组构造型式按绕组的结构和缠绕特性，可以分为：圆柱形（或层状）绕组和饼形绕组。（2）绕组必须遵守的基本原则变压器能否正常工作，对绕组的结构设计和制造质量有很大的影响。不同绕组根据不同电压等级、容量和工作环境，可以选择不同的结构型式，但是，不管是什么绕组，其生产工艺必须符合一定的工艺要求。3.油箱及附件变压器有干式和油浸两种类型。油浸式和干式不一样，它的绕组和铁芯都是装在一个装有绝缘冷却油的油箱中，油箱采用钢板进行机械支撑，冷却，散热，绝缘保护。(1)油箱的构造根据实际中不同的要求开发出多种外形的油箱。(2)油箱的主要附件储油柜、套管提升座、磁屏蔽、减压阀、散热器或冷却器等是油箱的重要配件。2.2变压器绕组变形变压器绕组在工作中会受到机械或电气的影响，绕组在轴向或横向上都会产生变形，其原因是绕组的局部变形和位移的扩大。2.2.1绕组变形发生的原因至今已经存在的变压器事故的统计表明,绕组发生故障的比例比较高[15]。变压器绕组在受到短路电流冲击或传输过程中的机械碰撞而发生变形，但事实上，除了以上几种原因之外，还有其他的一些因素。1.短路电流冲击对绕组变形的影响最大的是由短路电流引起的，由于电网的运行状况比较复杂，而导致这种冲击无法避免。根据变压器与绕组轴线的方向，垂直或水平方向，也称为横向纵向，如图2.1所示。而在电磁的作用下，也就是压缩和扩张，可以把它分成两类：压缩径向作用力和扩展径向作用力如下图2.2所示。在工作中，变压器所承受的压力与其线圈及电流的方向有关。在采用双绕组绕制变压器时，如果在一定的绕组位置和电流方向上，所受的径向力不仅使外线圈产生拉力，而且内线圈也会受到外线圈的压力。所以，要想增加线圈对这种拉力和压力的抗性，就需要一个绝缘圆筒来提供支持。虽然有了绝缘圆筒，但内部的线圈不仅要承受外部的压力，还有外界的压力。如果变压器上的短路电流足够大，则极有可能使绕组负载超出临界值，造成永久的变形，无法修复，久而久之就会发生故障。图2.1轴向力和径向力示意图图2.2径向力示意图变压器绕组变形和故障是一个漫长的过程。对于变压器来说，当系统发生短路时，一定会产生纵向或横向的作用力，当作用力达到一定程度，超出了线圈和绝缘支撑的承受能力，就会发生变形。在初始阶段，绕组的变形主要是局部的，随着小变形次数的增加，其强度也随之增大，并逐步产生匝间失效和绝缘失效。2.意外冲撞由于变压器的体积大，在运输、安装过程中容易发生碰撞和震动，所以就使得变压器的绕组受到机械力的影响，也会使线圈和绝缘支撑承受巨大压力，绕组就会出现变形。继电保护是保证电网安全、稳定运行的关键，但其保护死区和动作失灵是不可避免的，从系统故障开始到故障被切断，如果不能及时切断，它会在很长的一段时间内，使短路电流的作用力增大，最终导致线圈发生畸变。4.绕组自身属性事实上，由于故障具有不确定性，很难预测出短路电流的大小，所以在设计和生产过程中，变压器的短路电流不能得到充分的考虑，从而导致了变压器绕组的变形。2.2.2绕组变形的危害绕组变形是变压器中常见的一种隐患。通过对多个变压器的实际测试，可以看出，绕组发生变形后，很难检测到绝缘测试和油压测试，因此有潜在的故障。变压器线圈的许多绝缘故障是由机械损伤所致。当发生闪电过电压时，线圈匝间和饼间会发生击穿，从而引起绝缘破坏。线圈的力学性能降低，在再次出现短路事故时，线圈将无法经受较大的电气动作而损坏。所以，要积极地对变压器的变形情况进行检测，及时发现并进行彻底的检修，不仅节约了大量的人力、物力，而且还可以避免事故的发生。2.3本章小结本章重点阐述了变压器的铁心、绕组、油箱和附件，以及变压器线圈的变形原因，以及绕组变形可能造成的危险。

3绕组的传递函数法分析3.1传递函数法3.1.1传递函数法的原理在1988年，加拿大的马勒沃斯基和普林首先提出了传递函数法[16]，该方法最初是为了研究变压器的绕组绝缘性能而进行的。一种获取变压器绕组传输函数的方法是采用低电压脉冲[17]，在线圈的两端分别用作输入和输出，在变压器线圈的一端施加一个激励信号，测量另一端的激励反应，然后用FFT把它转化成频率域的功能，从而获得一个传递函数[18-19]。定义电力变压器的转移电压传递函数、转移电流传递函数为：或(3-1)式中，、为两端的电压频域特性；、为两端的电流频域特性。在实际的变压器线圈中，设计了电路的组成及各部件的参数。变压器绕组的变形使其等效线路参数和传递函数发生变化。因此，通过改变传递函数，可以反映变压器绕组的变形。3.1.2绕组变形程度的分析与判断通过传递函数方法，比较了各时刻绕组的传递函数曲线，从而得出了绕组的变形情况。在原始模型和待检测模型中，如果两个传递函数曲线的样本序列是：、(k=1,2,...,N)可以使用两条曲线的相关系数和差值的均方根来反映传递函数曲线差异的大小：(3-2)(3-3)用相关系数来表示两条曲线的相似性，而均值方根差则用来表示二者之间的绝对差异[20-21]。当两条曲线的相似性愈大时，其相似性愈大，而平均方根差愈小，这说明两条曲线越接近。采用传递函数法对绕组变形进行诊断，一般都是将各阶段绕组的传递函数曲线进行对比，从而得出了一种纵向、横向对比的结论。3.2辐向力变形在双绕组变压器中，线圈的电流方向相反，使得外绕组辐射电功率向外，从而引起内绕组向内的张力。一般情况下，内绕组绕在绝缘圆筒上，其内壁由撑条支承，由于辐向力的存在，使其产生弯曲应力[22]。在承受一定强度的情况下，拉条之间的金属丝会由于较大的弯矩而产生挠曲变形。比较常用的辐向变形方式是绕组局部凸起，形成鼓包状，如图3.1所示。图3.1辐向电动力引起的绕组局部突出变形3.3轴向力变形在一定的轴向电动作用力下，垫片之间的导线会由于过度的扭矩而产生永久性的变形，这些变形往往是在圆周上对称的。如图3.2所示。图3.2轴向力引起的绕组纵向对称变形轴向电动作用力也会引起线圈的轴向移动，或引起线圈中间张开，如图3.3所示，更严重的情形会导致某些线饼崩溃，如图3.4所示。图3.3绕组中部撑开变形图3.4线饼倒塌当绕组轴向位移时，一般是多个线饼沿轴向运动，这时，仅对绕组的整体位置进行分析，而对内线电阻的变化则不予考虑。对于等值电路，该方法只考虑相邻元件间的参数改变，而不计单位内部的参数变化。在线圈中间张开或卷饼坍塌时，由于线饼的倾斜，变形区的线饼和各部件的接地电容会产生变化。3.4本章小结本章介绍了传递函数法，利用其分析并判断绕组变形程度，介绍了两种变压器绕组变形，一种是辐向力变形，另一种是轴向力变形。

4绕组变形分析4.1变压器原始传递函数曲线近年来，基于传输函数曲线的变化，对变压器绕组的变形进行了深入的研究。但是，基于传递函数曲线的变化来判定绕组的变形，以往的计算方法大多是基于专家的经验，而关于传递函数的试验研究却没有相应的理论支撑。在开始仿真不同类型不同程度的变形之前，我们需要一个原始的传递函数曲线来进行对比，如图4.1所示为变压器的原始传递函数曲线。图4.1变压器的原始传递函数4.2不同类型不同程度的变形分析绕组的变形程度可用变形的线饼数量来表达，并按绕组的变形程度分别选择5%、15%、25%和35%四种情况进行模拟。图4.2表示绕组在辐向形变时的传递函数，图4.3表示绕组在轴向变形时的传递函数。图4.2和图4.3中的（a）表示的是变形的线饼百分比为5%时的绕组变形程度，（b）表示的时变形的线饼百分比为15%时的变形程度，（c）表示的是变形的线饼百分比为25%时的变形程度，（d）表示的是变形的线饼百分比35%时的变形程度。（b）（d）图4.2绕组发生辐向变形时的传递函数曲线（b）（d）图4.3绕组发生轴向变形时的传递函数曲线下面可以根据第三章的式（3-2）和式（3-3）来计算不同变形程度的相关系数和差值的均方根，具体情况如表4.1和表4.2所示。表4.1不同变形时的ρ值表4.2不同变形时的E值下面根据表4.1和表4.2画出图4.4和图4.5。图4.4绕组变形程度与传递函数相关系数图4.5绕组变形与传递函数差值的均方根值根据表4.1、表4.2、图4.4和图4.5可以得到，在不同类型不同程度的变形下，绕组的传递函数的相关系数和差值的均方根值有以下规律：传递函数的相关系数随变形程度的增大而降低；然而，随著变形程度的增加，其平均方根也随之增加。由此可以看出，在变压器绕组的变形过程中，其传递函数的相关系数与差的均方根值可以作为判断变压器绕组变形的基础。4.3本章小结首先，通过对绕组的辐向变形和轴向变形的不同程度，推导出其传递函数曲线。之后又计算了不同变形程度的相关系数和差值均方根值，证明了其可作为变压器绕组变形的判断依据。

5结论与展望5.1结论介绍了一种基于传递函数的绕组变形在线监测技术，并对其进行了分析。首先对变压器的基本构造进行了认识，并对其产生的原因有一定的认识。掌握了传递函数法的基本原理，以此展开对绕组变形的分析与判断。变形量以百分数来表示。对5%、15%、25%、35%4种不同的变形进行了数值仿真，得到了比较完整的仿真模型。结果表明，在绕组无变形的条件下，绕组的传递函数基本上没有变化，但是从绕组的变形情况来看，它的传递函数变化是因为绕组的变形引起的。5.2展望本文通过对变压器进行了较为系统的模拟和试验，得出了相应的结论；由于试验条件所限，无法为不同的试验环境设计抗干扰设备，且所采集的信号中存在一定的干扰信号，同时，该系统能够在一定的时间内，对各种干扰因素进行分析，从而制定相应的对策。同时，该方法可以将线圈的变形和对变压器油等的影响与其他变压器的在线监测系统结合起来，保证变压器的正常工作。在系统的开发过程中，可以添加一些人性化的设计或者其他的功能，从而使整个系统更加的完善。

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