變壓器繞組變形故障仿真與實驗研究

錢蘇翔 ， 李竹平 ， 顧小軍

（1．嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001；2.常州大學機械與能源工程學院，江蘇 常州 213016）

變壓器繞組變形故障仿真與實驗研究

錢蘇翔1，2， 李竹平1，2， 顧小軍1

（1．嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001；2.常州大學機械與能源工程學院，江蘇 常州 213016）

為了方便研究變壓器繞組故障，采用頻率響應(yīng)的分析方法，開發(fā)出了變壓器繞組故障仿真模擬系統(tǒng)。參照國家標準的測試方法，對變壓器繞組模型進行了測試、分析，得到了繞組變形的頻率響應(yīng)特性曲線。經(jīng)過仿真模擬，找出了系統(tǒng)的固有頻率。實驗表明，在固有頻率附近幅值響應(yīng)有明顯的變化。

繞組故障；測試系統(tǒng)；頻率響應(yīng)分析；仿真；診斷

1 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)中的主要電器設(shè)備，其正常運行對電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和可靠性意義重大。據(jù)統(tǒng)計，大約25%的變壓器故障是由繞組變形引起的[1]。目前國內(nèi)外主要采用的診斷方法有低壓脈沖法[2]、頻率響應(yīng)法、短路阻抗法和振動監(jiān)測法。其中頻率響應(yīng)法由于其檢測靈敏度高、現(xiàn)場檢測方便、能實現(xiàn)不吊罩檢測等優(yōu)點，在電力行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]，成為變壓器現(xiàn)場測試的主要方法[4-5]。變壓器的故障診斷是一個復(fù)雜的過程，需要系統(tǒng)開發(fā)者和現(xiàn)場技術(shù)人員積累經(jīng)驗知識，需要大量的案例和數(shù)據(jù)來綜合判斷。現(xiàn)場檢測不僅成本高，而且費時費力，不利于實驗室人員和技術(shù)人員的研究。為了能開發(fā)一套模擬變壓器繞組故障的系統(tǒng)，給研究人員提供一些可靠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗參考，在LabVIEW的基礎(chǔ)上，采用頻率響應(yīng)的分析方法，開發(fā)出了一套變壓器繞組故障模擬、數(shù)據(jù)采集、分析和診斷的系統(tǒng)，模擬了變壓器繞組故障診斷的過程。

2 頻率響應(yīng)法原理

頻率響應(yīng)方法最早是由加拿大的Dick提出的[6]，它的原理是將某一掃頻信號加到繞組的一個端口，從另外一個端口測得其響應(yīng)，并將各頻率點上的輸入和輸出之比根據(jù)頻率描繪成圖譜。當頻率超過1 kHz時，變壓器繞組可以看作是由若干個電容和電感組成的無源二端口網(wǎng)絡(luò)。改變外施正弦波激勵源的頻率，測在不同頻率下的響應(yīng)端電壓的Vo和激勵端電壓Vi值，求出其幅值比，獲得指定激勵端和響應(yīng)端繞組的幅頻響應(yīng)曲線。當繞組受外力或短路電流沖擊發(fā)生變形的時候，相應(yīng)的等效電容、電感參數(shù)也會發(fā)生變化，所以響應(yīng)曲線也會隨之發(fā)生改變。通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性，并對檢測結(jié)果進行橫向和縱向的對比，從而判斷出繞組是否發(fā)生變形。頻率響應(yīng)法的基本檢測回路如圖1所示。

圖1 頻率響應(yīng)法的基本檢測回路

圖中，L為繞組匝間電感或餅間電感；K為縱向電容；C為繞組對地電容；Vs為掃頻信號源；Vo為輸出的頻響。

測得的幅頻響應(yīng)曲線常用對數(shù)形式表示，即對電壓幅值之比進行如下的處理：

3 變壓器繞組試驗臺

繞組試驗臺主要包括激勵源、變壓器繞組模型、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)顯示面板。其中數(shù)據(jù)采集卡插在研華工控機空余的插槽，數(shù)據(jù)顯示由工控機顯示器來實現(xiàn)。

實驗中采用Agilent33220A函數(shù)/任意波形發(fā)生器為激勵源。Agilent33220A函數(shù)/任意波形發(fā)生器的主要參數(shù)：正弦波為1μHz～20MHz；任意波形為 1μHz～5MHz；幅度范圍為 2mVpp～10Vpp（50Ω），4mVpp～20Vpp（高阻）；輸出的6種波形為正弦波、方波、鋸齒波、脈沖波、噪聲、任意波形。以上這些參數(shù)能保證激勵源輸出實驗所需要的激勵信號。

如圖2所示，變壓器繞組模型的設(shè)計如下：

（1）U型鐵一對，規(guī)格為30mm×40mm×50mm；

（2）絕緣材料為聚酯硬塑板；

（3）0.4mm、1.4mm的漆包線；

（4）低壓側(cè)600匝，高壓側(cè)300匝；

（5）高、低壓側(cè)做出抽頭，以模擬短路故障。

采集主要用到研華的工控機及PCI-1714高速數(shù)據(jù)采集卡。研華的PCI-1714高速數(shù)據(jù)采集卡，適用于PC及兼容機，具有4路單端模擬量輸入通道和4路A/D轉(zhuǎn)換器，可同時進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換，每個通道的參數(shù)可單獨進行編程設(shè)置，具有多種A/D觸發(fā)方式。PCI-1714數(shù)據(jù)采集卡的主要技術(shù)參數(shù)如下：輸人信號范圍為單端±5V、±2.5V、±1V、±0.5V；輸入阻抗通過跳線可設(shè)置為50Ω、1MΩ、高阻狀態(tài)；A/D轉(zhuǎn)換分辨率為12 bit；A/D轉(zhuǎn)換速率為32MHz；最大采樣頻率為30MHz。

圖2 繞組實驗?zāi)Ｐ?/p>

按國家標準的接線方式和檢測方法，選定信號的激勵端和響應(yīng)端，可靠地連接在變壓器繞組的兩端，確保在長時間的數(shù)據(jù)采集中不會出現(xiàn)斷開和引進干擾信號的現(xiàn)象。繞組試驗臺如圖3所示。

圖3 繞組試驗臺

4 數(shù)據(jù)采集

測量時采用正弦掃頻信號。為了將電磁干擾降到最低，采用手動改變頻率的方法。分為低頻、中頻和高頻 3 個段[7]，頻率的范圍為 100Hz～1MHz，其中，100Hz～1 kHz是為了提高探究的精確性而額外加上的掃描頻率區(qū)間。掃描范圍共分為5個區(qū)間，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集參數(shù)

實驗數(shù)據(jù)采集程序由LabVIEW編程實現(xiàn)，LabVIEW最強大的功能在于能使用虛擬儀器實現(xiàn)“軟件就是儀器”，充分發(fā)揮了計算機的作用[8]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示以及數(shù)據(jù)存儲的功能。研華公司提供的PCI-1714的驅(qū)動程序及子VI足以實現(xiàn)該次數(shù)據(jù)的采集。

系統(tǒng)采用的是常用的中斷觸發(fā)方式。長時間的高速實時數(shù)據(jù)采集，要用到內(nèi)部緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)兩塊內(nèi)存區(qū)域。采集的數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)部緩沖區(qū)，再由內(nèi)部緩沖區(qū)傳送到用戶緩沖區(qū)，然后就可以將數(shù)據(jù)以圖形方式顯示并存入文本文件。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

（1）采集程序首先配置AI Config.vi，由于使用的研華工控機只有PCI-1714的驅(qū)動程序，所以在初始化的時候，默認為使用PCI-1714數(shù)據(jù)采集卡。同時選擇輸入通道數(shù)和緩存區(qū)大小。

（2）開始數(shù)據(jù)采集AI Start.vi，此子VI在前面的初始化后，就可開始數(shù)據(jù)的采集。可以輸入采樣的頻率、觸發(fā)方式等相關(guān)參數(shù)，以實現(xiàn)和信號源的同步和數(shù)據(jù)采集時的操作方便。

（3）數(shù)據(jù)的讀入AI Read.vi，當數(shù)據(jù)從外部進來后，就通過此子VI，數(shù)據(jù)先在內(nèi)部緩存中存放以實現(xiàn)高速的采集，同時可以實現(xiàn)波形的顯示。

（4）數(shù)據(jù)存儲單元Write to Measurement File，LabVIEW提供的強大的文件I/O函數(shù)是一組功能較強的文件處理工具，可以滿足不同的文件操作要求。注意，顯示要寫入數(shù)據(jù)的文件的完整路徑。僅在文件名輸入端未連線時，Express VI才將數(shù)據(jù)寫入?yún)?shù)指定的文件。如文件名輸入端已連線，Express VI將把數(shù)據(jù)寫入輸入端指定的文件。可保存的文件格式有文本（LVM）、二進制（TDMS）和帶 XML頭的二進制（TDM）。

（5）錯誤輸出Error Heandl.vi，如出現(xiàn)采樣的頻率超出板卡的掃描頻率范圍，輸出錯誤，同時Boolean燈亮，記錄緩存區(qū)讀入的數(shù)據(jù)大小。

在數(shù)據(jù)保存的時候，采用了文本的格式，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)讀入和處理。

對原邊線圈和副邊線圈分別模擬變壓器繞組的短路和鼓包等故障后，可以得出不同的頻率響應(yīng)曲線。變壓器繞組模型的短路故障的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 繞組短路故障頻率響應(yīng)特性曲線

從圖5中可以看出，尤其是在低頻段，當短路發(fā)生時候，響應(yīng)曲線的波峰和波谷的位置發(fā)生了明顯的變化。如圖“300”是正常的繞組響應(yīng)曲線，“200”和“100”是繞組發(fā)生短路后線圈只剩下200匝和100匝時的曲線。頻率在10kHz的時候，3條曲線的波峰發(fā)生了明顯的變化，這是因為隨著短路的發(fā)生，繞組的電感和電容發(fā)生了變化。頻率較低的時候，繞組對地電容及餅間電容所形成的容抗較大，而感抗較小，如果繞組的電感發(fā)生變化，就會導(dǎo)致其頻率響應(yīng)特性曲線低頻部分的波峰或波谷會發(fā)生較明顯的變化。繞組正常情況下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)幅值，當激勵源所加的正弦信號的頻率為10.5 kHz時，達到了系統(tǒng)的固有頻率。所以，響應(yīng)的幅值有很大的變化。

為了驗證試驗系統(tǒng)的正確性，利用PSIM軟件進行模擬，得出繞組系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線和固有頻率。在做短路試驗的時，正常繞組的等效電路圖可以等效為圖6。

圖6 繞組等效電路圖

不同的短路試驗，等效電路圖的參數(shù)也不相同，經(jīng)模擬后的頻率響應(yīng)曲線和相位變化曲線如圖7所示。

圖7 理論模擬頻率相位響應(yīng)特性曲線

圖7中300匝為繞組正常狀況的響應(yīng)特性曲線，200匝和100匝是繞組發(fā)生短路后的曲線。理論模擬得出，系統(tǒng)在正常狀況時，系統(tǒng)固有頻率為10kHz，當激勵源所加正弦信號為10 kHz時，頻率響應(yīng)曲線出現(xiàn)明顯的波峰，這與實際測得的頻率相吻合。

5 結(jié)束語

（1）經(jīng)過實際的數(shù)據(jù)采集，該實驗系統(tǒng)能實現(xiàn)方便快捷準確地采集，發(fā)揮了計算機的強大功能，而且數(shù)據(jù)格式保存合理，方便數(shù)據(jù)的交流和存儲。

（2）能在實驗室實現(xiàn)變壓器的故障仿真和診斷，方便了研究人員的研究，給相關(guān)的技術(shù)人員提供了故障特征，在實際變壓器診斷時能準確地判斷故障，縮短了研究的周期，節(jié)省了費用。

（3）經(jīng)過仿真對比，該實驗的結(jié)果可靠，在變壓器模型的固有頻率附近，響應(yīng)的幅值有明顯的變化，較明顯地反映出了繞組的故障。

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Transformer w inding deformation fault simulation and experimental research

QIAN Su-xiang1，2，LI Zhu-ping1，2，GU Xiao-jun1
（1．College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing College，Jiaxing 314001，China；2．Mechanical and Energy Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，China）

For the convenience of transformer winding fault study，the authors developed a transformer fault simulation system with the frequency response analysis （FRA）.According to the national standard test methods，the frequency response of winding deformation curve was obtained through testing and analyzing the transformer winding model.The natural frequency of the system was identified by simulation.Experimental results indicated that the amplitude response changed obviously close-by the natural frequency.

winding fault；test system；FRA；simulation；diagnosis

TM41；TP391.9

A

1674-5124（2011）01-0001-04

2010-09-08；

2010-10-23

國家自然科學基金資助項目（50575095）

錢蘇翔（1963-），男，教授，主要從事測試技術(shù)與信號處理、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷教學與研究工作。