基于NI myDAQ的空芯電抗器匝間短路在線檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘 要：文章針對空芯電抗器匝間短路的在線監(jiān)測進行了LabVIEW軟件及硬件平臺的設計，是本科生開放實驗的成果。以一臺空芯電抗器試驗樣機為模型，進行了實際檢測。由實驗結果可知，該檢測系統(tǒng)可以迅速及時地獲取匝間短路信號并發(fā)出報警。

關鍵詞：開放實驗；空芯電抗器；匝間短路；在線檢測

空芯電抗器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著穩(wěn)流、限制短路電流、濾除高頻信號和無功補償?shù)淖饔谩Ｈ欢验g短路是空芯電抗器常見故障，此故障大幅縮短了電抗器的壽命，并嚴重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對上述工程背景，使用一臺試驗用空芯電抗器作為樣機，基于NI myDAQ硬件和LabVIEW軟件平臺，設計完成了空心電抗器匝間斷路在線檢測系統(tǒng)。

1 原理簡述

樣品電抗器有四層，每層單根并繞，正常狀態(tài)下，電抗器的等效電路模型結構如圖1所示[1]。

圖1 電抗器正常工作等效電路

當出現(xiàn)匝間短路故障時，匝間短路使繞組線圈生成一個自閉合的短路環(huán)。短路環(huán)電流由線圈中的交變磁場感應生成，其方向與原線圈電流方向相反。由于線圈匝數(shù)減少，第k層線圈的自感減小。在額定電壓不變的情況下，電抗器額定電流也發(fā)生改變，電抗器等效電路模型如圖2所示。

相應在電抗器內(nèi)部磁場也發(fā)生變化，匝間短路瞬間會產(chǎn)生高頻尖峰脈沖。磁場測量一般常用感應法。在電抗器上下對稱位置放置探測線圈，當電抗器工作時，該線圈能感應出差分電壓信號。該信號的波形可以準確反映出電抗器的工作狀態(tài)，尤其對匝間短路瞬間的高頻脈沖特別敏感。通過對是否出現(xiàn)高頻尖峰脈沖，達到判斷短路的目的[1][2]。

2 軟件平臺設計

采用LabVIEW實現(xiàn)軟件平臺設計。此軟件平臺主要由數(shù)據(jù)的監(jiān)測與存儲、匝間短路在線監(jiān)測兩部分構成。

2.1 程序設計思路

實際電抗器正常工作時，產(chǎn)生的信號為幅值較為穩(wěn)定的工頻50Hz正弦信號，而出現(xiàn)匝間斷路時，實際信號會在原始信號基礎上疊加一個尖峰信號，故障波形為產(chǎn)生的高頻尖峰電壓，故采用時域峰值檢測法。但在未發(fā)生短路時，由于各種原因可能也會產(chǎn)生與故障類似的干擾信號，實際實驗中首先需要對采集的信號去噪，此去噪操作需要去除信號中的高頻低幅值信號且保留匝間短路信號。對于去噪后的信號，需要通過濾波器，分別在線獲得工頻信號與高頻信號，以實時分析兩種信號，判斷是否產(chǎn)生了匝間斷路信號。

對于去噪模塊，根據(jù)小波分析對信號進行消噪處理的原理，采用傳統(tǒng)的去噪方法，即采用頻譜分析技術，這是由于實際電抗器抗干擾能力有嚴格的控制，假設所分析的信號噪聲中不包含過多突變部分，且為平穩(wěn)的白噪聲，去噪部分如圖3所示。

同樣，采用Butterworth濾波器將去噪后的信號分解為工頻部分和高頻部分，由于發(fā)生匝間短路時，產(chǎn)生的高頻信號的幅值遠大于正常工作時的信號，只需對高頻濾波后的信號進行幅值分析判斷即可。

當發(fā)現(xiàn)高頻信號的幅值大于設定的閾值時，軟件平臺將發(fā)出報警信號并通過NI myDAQ平臺輸出高電平信號。判斷模塊如圖4所示。

圖4 LabVIEW判斷模塊

2.2 驗證過程及細節(jié)處理

在驗證程序過程中，需要清楚如何設定信號發(fā)生器的抽樣頻率和濾波器的截止頻率。由奈奎斯特抽樣定理可知，當原始信號為帶限于？棕M的帶限信號時，抽樣角頻率？棕S應滿足？棕S>2？棕M，且低通濾波器截止頻率？棕C應滿足？棕S<？棕C<（？棕S-？棕M）。按照上述約定條件，且同時滿足抽樣數(shù)相等，即可方便設置出抽樣頻率和截止頻率。

同時，在軟件設計中采用了正弦波幅值測量模塊獲取信號的幅值，進而與閾值電壓進行比較。而此模塊的實現(xiàn)思路是對正弦波的一個周期進行分析，由于匝間短路信號發(fā)生在瞬間，在軟件測試中，常會出現(xiàn)匝間斷路出發(fā)時，軟件平臺沒有立即監(jiān)測到短路故障，而是有短暫的延時，這樣，在實際電抗器監(jiān)測中，此程序的判斷精度將很低。因此，選取信號最大值測試模塊代替信號幅值測試模塊，此問題得以很好的解決。

3 硬件報警電路的搭建

NI myDAQ是美國國家儀器有限公司新近推出的一個便攜式教學設備。實際電抗器產(chǎn)生的信號將實時通過NI myDAQ送入計算機，若LabVIEW軟件平臺檢測到匝間短路，將把報警信號送出給NI myDAQ，NI myDAQ進而驅(qū)動硬件電路部分，產(chǎn)生硬件報警。

NI myDAQ的端口配置如圖5所示。連線時，先將AGND與AI-0-端相接，電抗器測試線圈信號由AI-0+端與AI-0-端接入計算機；報警輸出信號由AO-0與AGND送出計算機，驅(qū)動硬件報警器電路工作。

圖5 NI myDAQ的端口配置

設計的硬件報警電路如圖6所示。

圖6 硬件報警電路

4 在線監(jiān)測系統(tǒng)測試

磁場探測法在線檢測系統(tǒng)主要由電抗器、變壓器、補償電容、NI myDAQ及服務器等構成，如圖7所示[3]。

圖7 在線監(jiān)測系統(tǒng)

打開電源，調(diào)整變壓器至150V，電抗器開始工作。在未發(fā)生匝間短路時，信號通過NI myDAQ傳入服務器；當人為短接預留的短路位置，使電抗器發(fā)生匝間短路時，LabVIEW軟件平臺迅速報警，報警界面如圖8所示。

圖8 短路實驗測試報警界面

由檢測過程可知，此軟件平臺可以迅速檢測到實驗電抗器的匝間短路，具有較好的靈敏性。

此時，硬件部分的蜂鳴器發(fā)出警報，LED點亮。

5 結束語

本次開放實驗基于本科生階段電磁場知識，由較前沿的實際問題出發(fā)，針對電力系統(tǒng)中常見的匝間短路危害，給出了一個實用性強、容易理解的解決方案。通過NI Labview和NI myDAQ應用，精確有效地對匝間短路進行了實時監(jiān)測。

參考文獻

[1]梁正波.干式空芯電抗器匝間短路故障在線檢測方法研究[D].西安：西安交通大學，2010.

[2]楊繼超.干式空芯電抗器匝間短路故障在線檢測系統(tǒng)的設計[D].西安：西安交通大學，2012.

[3]趙彥珍，馬西奎，梁正波，等.一種干式空芯電抗器匝間短路故障在線實時檢測方法[P].專利號：ZL201010217935.7.

[4]應柏青，趙彥珍.電路電磁場綜合實驗——空心電抗器匝間短路故障在線檢測的設想[J].高校實驗室工作研究，2012，1：48-49.

作者簡介：謝元瓏（1996，05-），男，廣東廣州，西安交通大學電氣工程學院在讀本科生。

應柏青（1964，12-），女，浙江仙居，西安交通大學電氣工程學院高級工程師，主要從事電路、電磁場等技術基礎課的實驗教學工作。