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(hào)注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)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(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中主要的電氣設(shè)備,其在運(yùn)行過程中不可避免地遭受到各種短路故障電流沖擊而導(dǎo)致變壓器繞組的變形。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(hào)注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(hào)并進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,采用LabVIEW編寫了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)了配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。
配電變壓器;繞組變形;脈沖信號(hào);電容分壓器;在線監(jiān)測(cè)
配電變壓器是電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中主要的電氣設(shè)備,其正常運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。隨著電網(wǎng)系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大和電壓等級(jí)的提高,短路故障造成變壓器損壞的事故逐漸增多,嚴(yán)重威脅著系統(tǒng)的安全運(yùn)行。相對(duì)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(shí)更容易引起變壓器繞組的變形。據(jù)統(tǒng)計(jì),電力系統(tǒng)中約25%的變壓器故障是由繞組變形引起的[1]。因此,對(duì)配電變壓器繞組變形進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是必要的。
目前,變壓器繞組變形分析方法可分為集中參數(shù)檢測(cè)法和網(wǎng)絡(luò)分析法[2]。集中參數(shù)檢測(cè)法包括變壓器繞組直流電阻測(cè)量、短路阻抗測(cè)量等,因其測(cè)量的是變壓器的集中參數(shù),導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度很低,而且受試驗(yàn)設(shè)備沉重、試驗(yàn)花費(fèi)時(shí)間長等因素影響,該方法在現(xiàn)場(chǎng)使用中受到了一定的限制[3]。
網(wǎng)絡(luò)分析法包括低壓脈沖法和頻率響應(yīng)分析法。低壓脈沖法[4]克服了短路阻抗法靈敏度低的缺點(diǎn),但其采用的是時(shí)域脈沖分析技術(shù),測(cè)試過程中易受各種外界電磁干擾的影響,難以真正用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5]。頻率響應(yīng)分析法[6]是在較寬的頻帶上測(cè)量變壓器繞組的傳遞函數(shù),并判斷繞組狀態(tài)的方法,因靈敏度高、測(cè)試重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)成為變壓器繞組變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要方法[7]。
目前,變壓器繞組變形檢測(cè)方法大都屬于離線檢測(cè)法,對(duì)配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)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(hào)并進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)。
根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論,在高頻電壓作用下,變壓器的繞組可視為一個(gè)由線性電阻、電感、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的線性無源雙口網(wǎng)絡(luò)[8]。對(duì)于同一臺(tái)變壓器,其傳遞函數(shù)H(jω)的極點(diǎn)和零點(diǎn)分布與變壓器繞組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。繞組發(fā)生局部機(jī)械變形后其內(nèi)部的電感、電容等分布參數(shù)必然發(fā)生相對(duì)變化,繞組的傳遞函數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化,其監(jiān)測(cè)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(duì)地電容;US為信號(hào)源;RS為信號(hào)源阻抗;R為匹配阻抗。
文獻(xiàn) [9]提到,因注入繞組的信號(hào)不同,有兩種不同的方法測(cè)量繞組的頻率響應(yīng)特性:(1)將一穩(wěn)定的正弦掃頻信號(hào)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(hào)注入被試?yán)@組的一端,同時(shí)記錄該脈沖信號(hào)和另一端的響應(yīng)信號(hào)并將此兩信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),即得繞組的頻率響應(yīng)特性[10]。文獻(xiàn) [10]用數(shù)字化儀記錄時(shí)域信號(hào),提高了頻譜在幅值和相位上的分辨率。脈沖注入法是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)得到繞組頻響特性,其測(cè)量時(shí)間比掃頻法要短,另外,脈沖信號(hào)發(fā)生器與掃頻信號(hào)發(fā)生器相比結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
基于頻響法的變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置圖,如圖2所示。
圖2 繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置圖
脈沖注入法是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)得到繞組頻響特性,其測(cè)量時(shí)間比掃頻法要短。另外,脈沖信號(hào)發(fā)生器與掃頻信號(hào)發(fā)生器相比結(jié)構(gòu)簡單、成本低[11]。因此,利用一臺(tái)高壓納秒級(jí)脈沖發(fā)生器作為信號(hào)源,將其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的注入信號(hào)。
在脈沖信號(hào)注入法中,脈沖信號(hào)的選擇是關(guān)鍵,其注入方式和強(qiáng)度應(yīng)恰當(dāng):信號(hào)太弱容易被噪聲埋沒,不易檢測(cè);而信號(hào)太強(qiáng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常工作造成影響。因此,要選擇合適的注入脈沖信號(hào)的幅值和脈寬。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí),選擇高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電壓峰值為200 V、脈沖寬度為300 ns的脈沖信號(hào)作為注入信號(hào),其原始信號(hào)波形如圖3所示。
圖3 脈沖信號(hào)波形圖
測(cè)試信號(hào)的在線注入是繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于變壓器在線運(yùn)行時(shí)與高壓母線直接連接,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其相連是一件復(fù)雜和耗費(fèi)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(cè)試信號(hào)并進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)。
實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí),將此脈沖信號(hào)注入被試?yán)@組的一個(gè)端口,同時(shí)記錄該脈沖信號(hào)和另一端的響應(yīng)信號(hào)。將測(cè)得的NS個(gè)點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)Ui(n)和響應(yīng)信號(hào)I0(n)通過快速傅里葉變換 (Fast Fourier Transformation,F(xiàn)FT)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(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。最后再由公式 (3)計(jì)算出變壓器繞組頻率響應(yīng)曲線H(jω):
系統(tǒng)軟件是利用虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的,主要包括以下幾個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析、歷史數(shù)據(jù)查詢等模塊。
數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,它是基于PCI-9812多功能數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)研制的模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)最多4路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,提高數(shù)據(jù)的讀取能力。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖
實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)將上面程序采集和保存的電壓電流信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到頻率響應(yīng)特性曲線,數(shù)據(jù)分析源程序見圖5。
圖5 數(shù)據(jù)分析程序框圖
歷史數(shù)據(jù)查詢模塊實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果的錄入、查詢、修改和刪除等功能,為了使系統(tǒng)能更加有效靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作,模塊中實(shí)現(xiàn)了按監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)間進(jìn)行查詢,系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的時(shí)間段將分析結(jié)果反饋給用戶,此模塊的源程序如圖6所示。
圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢程序框圖
對(duì)實(shí)驗(yàn)室中一臺(tái)10 kV單相雙繞組變壓器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,此變壓器型號(hào)為D9-10/10。用本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和Agilent 4395A頻譜網(wǎng)絡(luò)分析儀分別對(duì)變壓器繞組進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,將測(cè)得的繞組頻率響應(yīng)特性曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率響應(yīng)特性曲線進(jìn)行比較,如圖7所示。
由圖7利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和頻譜網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到的繞組頻率響應(yīng)特性曲線的波形比較可以看出,兩頻響曲線在全頻域內(nèi)吻合良好,這充分表明本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性。
圖7 變壓器頻率響應(yīng)波形比較圖
(1)本文研制了一套基于脈沖信號(hào)注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),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(cè)試信號(hào),實(shí)現(xiàn)了配電變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)。
(2)在實(shí)驗(yàn)室利用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和頻譜網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)被試變壓器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性。
(3)由于脈沖非常陡,易受到高頻干擾,影響測(cè)試的重復(fù)性。雖然在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到的檢測(cè)結(jié)果具有良好的重復(fù)性,但仍需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的證實(shí)。
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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?yàn)殡娏νㄐ殴芾?,E-mail:Lyqin@126.com。