基于脈沖信號注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測研究

劉月琴，陳 濤，董 月

(山西省電力公司 忻州供電公司，山西 忻州 0 34000)

基于脈沖信號注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測研究

劉月琴，陳 濤，董 月

(山西省電力公司 忻州供電公司，山西 忻州 0 34000)

配電變壓器是電力系統配電網絡中主要的電氣設備，其在運行過程中不可避免地遭受到各種短路故障電流沖擊而導致變壓器繞組的變形。為了能夠及時發(fā)現變壓器的事故隱患、提高工作效率，研制了一套基于脈沖信號注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測系統。該系統通過安裝在變壓器主饋線上的電容分壓器低壓臂注入脈沖信號并進行參數測量，采用LabVIEW編寫了監(jiān)測系統軟件，實現了配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測，實驗驗證了監(jiān)測系統的有效性。

配電變壓器;繞組變形;脈沖信號;電容分壓器;在線監(jiān)測

0 引言

配電變壓器是電力系統配電網絡中主要的電氣設備，其正常運行對電力系統的安全、穩(wěn)定運行意義重大。隨著電網系統容量的不斷擴大和電壓等級的提高，短路故障造成變壓器損壞的事故逐漸增多，嚴重威脅著系統的安全運行。相對于普通變壓器，配電變壓器短路電流較大，因而發(fā)生短路故障時更容易引起變壓器繞組的變形。據統計，電力系統中約25%的變壓器故障是由繞組變形引起的［1］。因此，對配電變壓器繞組變形進行在線監(jiān)測是必要的。

目前，變壓器繞組變形分析方法可分為集中參數檢測法和網絡分析法［2］。集中參數檢測法包括變壓器繞組直流電阻測量、短路阻抗測量等，因其測量的是變壓器的集中參數，導致檢測靈敏度很低，而且受試驗設備沉重、試驗花費時間長等因素影響，該方法在現場使用中受到了一定的限制［3］。

網絡分析法包括低壓脈沖法和頻率響應分析法。低壓脈沖法［4］克服了短路阻抗法靈敏度低的缺點，但其采用的是時域脈沖分析技術，測試過程中易受各種外界電磁干擾的影響，難以真正用于現場測試［5］。頻率響應分析法［6］是在較寬的頻帶上測量變壓器繞組的傳遞函數，并判斷繞組狀態(tài)的方法，因靈敏度高、測試重復性好等優(yōu)點成為變壓器繞組變形現場試驗的主要方法［7］。

目前，變壓器繞組變形檢測方法大都屬于離線檢測法，對配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測研究處于起步階段。本文通過安裝在變壓器主饋線上的電容分壓器的低壓臂注入脈沖信號并進行參數測量，實現配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測。

1 頻響法在線監(jiān)測原理

根據電網絡理論，在高頻電壓作用下，變壓器的繞組可視為一個由線性電阻、電感、電容等分布參數構成的線性無源雙口網絡［8］。對于同一臺變壓器，其傳遞函數H(jω)的極點和零點分布與變壓器繞組的網絡結構密切相關。繞組發(fā)生局部機械變形后其內部的電感、電容等分布參數必然發(fā)生相對變化，繞組的傳遞函數也會相應變化，其監(jiān)測方法的原理示意圖如圖1所示。

圖1 頻響法的原理示意圖

圖1中:L為繞組電感;K為縱向電容;C為對地電容;US為信號源;RS為信號源阻抗;R為匹配阻抗。

文獻 ［9］提到，因注入繞組的信號不同，有兩種不同的方法測量繞組的頻率響應特性:(1)將一穩(wěn)定的正弦掃頻信號施加到被試變壓器繞組的一端，此方法稱為掃頻法;(2)將一脈沖信號注入被試繞組的一端，同時記錄該脈沖信號和另一端的響應信號并將此兩信號轉換為頻域信號，即得繞組的頻率響應特性［10］。文獻 ［10］用數字化儀記錄時域信號，提高了頻譜在幅值和相位上的分辨率。脈沖注入法是將時域信號轉換成頻域信號得到繞組頻響特性，其測量時間比掃頻法要短，另外，脈沖信號發(fā)生器與掃頻信號發(fā)生器相比結構簡單、成本低。

2 頻響法在線監(jiān)測系統

基于頻響法的變壓器繞組變形在線監(jiān)測系統配置圖，如圖2所示。

圖2 繞組變形在線監(jiān)測系統配置圖

2.1 信號源

脈沖注入法是將時域信號轉換成頻域信號得到繞組頻響特性，其測量時間比掃頻法要短。另外，脈沖信號發(fā)生器與掃頻信號發(fā)生器相比結構簡單、成本低［11］。因此，利用一臺高壓納秒級脈沖發(fā)生器作為信號源，將其產生的脈沖信號作為監(jiān)測系統的注入信號。

在脈沖信號注入法中，脈沖信號的選擇是關鍵，其注入方式和強度應恰當:信號太弱容易被噪聲埋沒，不易檢測;而信號太強可能會對電網的正常工作造成影響。因此，要選擇合適的注入脈沖信號的幅值和脈寬。實際監(jiān)測時，選擇高壓脈沖發(fā)生器產生的電壓峰值為200 V、脈沖寬度為300 ns的脈沖信號作為注入信號，其原始信號波形如圖3所示。

圖3 脈沖信號波形圖

測試信號的在線注入是繞組變形在線監(jiān)測系統的關鍵環(huán)節(jié)。由于變壓器在線運行時與高壓母線直接連接，監(jiān)測系統與其相連是一件復雜和耗費巨大的工作。本文通過安裝在變壓器主饋線上的電容分壓器低壓臂注入測試信號并進行參數測量，實現變壓器繞組變形的在線監(jiān)測。

實際監(jiān)測時，將此脈沖信號注入被試繞組的一個端口，同時記錄該脈沖信號和另一端的響應信號。將測得的NS個點的激勵信號Ui(n)和響應信號I0(n)通過快速傅里葉變換 (Fast Fourier Transformation，FFT)變換成幅頻特性曲線，公式如下所示:

式中:n=0，1，…，NS－1;0≤k≤NS－1;NS為信號的采樣點數。最后再由公式 (3)計算出變壓器繞組頻率響應曲線H(jω):

2.2 系統軟件

系統軟件是利用虛擬儀器LabVIEW進行設計開發(fā)的，主要包括以下幾個模塊:數據采集、結果分析、歷史數據查詢等模塊。

數據采集模塊實現數據采集功能，它是基于PCI－9812多功能數據采集卡開發(fā)研制的模塊，能夠實現最多4路信號的實時采集，提高數據的讀取能力。數據采集程序框圖如圖4所示。

圖4 數據采集程序框圖

實際監(jiān)測時將上面程序采集和保存的電壓電流信號進行快速傅里葉變換，得到頻率響應特性曲線，數據分析源程序見圖5。

圖5 數據分析程序框圖

歷史數據查詢模塊實現了監(jiān)測數據和結果的錄入、查詢、修改和刪除等功能，為了使系統能更加有效靈活地實現對數據的操作，模塊中實現了按監(jiān)測結果的時間進行查詢，系統根據用戶選擇的時間段將分析結果反饋給用戶，此模塊的源程序如圖6所示。

圖6 歷史數據查詢程序框圖

3 試驗結果

對實驗室中一臺10 kV單相雙繞組變壓器進行參數測量，此變壓器型號為D9－10/10。用本監(jiān)測系統和Agilent 4395A頻譜網絡分析儀分別對變壓器繞組進行參數測量，將測得的繞組頻率響應特性曲線與實驗測得的頻率響應特性曲線進行比較，如圖7所示。

由圖7利用監(jiān)測系統和頻譜網絡分析儀測量得到的繞組頻率響應特性曲線的波形比較可以看出，兩頻響曲線在全頻域內吻合良好，這充分表明本監(jiān)測系統對變壓器繞組變形在線監(jiān)測的準確性和有效性。

圖7 變壓器頻率響應波形比較圖

4 結論

(1)本文研制了一套基于脈沖信號注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測系統，通過安裝在變壓器主饋線上的電容分壓器低壓臂在線注入測試信號，實現了配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測。

(2)在實驗室利用該監(jiān)測系統和頻譜網絡分析儀對被試變壓器進行了試驗驗證，結果表明了監(jiān)測系統對變壓器繞組變形在線監(jiān)測的準確性和有效性。

(3)由于脈沖非常陡，易受到高頻干擾，影響測試的重復性。雖然在實驗室環(huán)境中得到的檢測結果具有良好的重復性，但仍需要現場試驗的證實。

［1］李軍，董立文，趙紅．油浸式變壓器的老化和壽命評估［J］．高電壓技術，2007，33(3):186-189．

［2］王贊基，楊鈺．大型電力變壓器線圈中特快速暫態(tài)電壓分布的計算 ［J］．高電壓技術，2010，36(4):918-925．

［3］ Vandermaar A J，Wang M，Srivastava K D．Review of condition assessment of power transformers in service ［J］．Electrical Insulation Magazine， IEEE， 2002， 18(6):12-25．

［4］張重遠，趙京生，葛鑫．變壓器類設備無源高頻宏模型建模方法 ［J］．電力科學與工程，2012，28(8):36-41．

［5］ Dick E P，Erven C C．Transformer diagnostic testing by frequency response analysis［J］．IEEE Trans．on Power Apparatus and Systems，1978，97(6):2144-2153．

［6］ Lech W，Tyminsk L．Detecting transformer winding damage-the low voltage impulse method［J］．Eleetrical Review，1966，10:768-772．

［7］ Christian J，Feser K．Procedures for detecting winding displacements in power transformers by the transfer function method［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，2004，19(1):214-220．

［8］ Vahid Behjat，Abolfazl Vahedi，Alireza Setayeshmeh，et al．Diagnosing shorted turns on the windings of power transformers based upon online FRA using capacitive and inductive couplings ［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，2011，26(4):2123-2133．

［9］王成，黃宏華．電力變壓器匝間短路故障分析及處理［J］．電力科學與工程，2012，28(1):46-49．

［10］何平，文習山．變壓器繞組變形的頻率響應分析法綜述 ［J］．高電壓技術，2006，32(5):37-41．

Research on the On-line Monitoring System for Winding Deformation of Distribution Transformers Based on Pulse Injection

Liu Yueqin，Chen Tao，Dong Yue
(State Grid of Shanxi Province，Xinzhou Power Supply Bureau，Xinzhou 034000，China)

Distribution transformer is a significant asset for any distribution power system．Short circuit currents or forces can cause mechanical faults in transformer winding．In order to pre-discover the hidden trouble of the transformer，in this paper，an on-line monitoring system based on FRA method is developed．A nanosecond impulse signal generator is used to inject impulse signals through a capacity divider，realizing the on-line monitoring for winding deformation of power transformer，and the system software is developed based on the LabVIEW platform．Experiments have been carried out on the transformer in the laboratory and the experiment results verify the feasibility and effectiveness of the on-line monitoring system．

distribution transformer;winding deformation;pulse signal;capacity divider;on-line monitoring

TM407

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.006

2013－10－29。

劉月琴 (1967-)，女，工程師，研究方向為電力通信管理，E-mail:Lyqin@126．com。