CN103217579A - 变压器绕组在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变压器绕组在线监测系统，其基于计算机实时数据采集系统完成对变压器绕组的24路电压电流信号调理、数据采集、信号处理、电抗计算以及与后台控制柜的通信，24路电压电流信号调理包括12路电压接入及调理和12路电流接入及调理；数据采集采用3块美国国家仪器数据采集卡PCI6220同步采集所有信号。本发明可通过在线实时计算变电站主变的绕组的短路电抗从而监测绕组的形变，给变电站的维护提供重要的参考。本发明适合现场应用，可实际投入长时间运行。本发明提供丰富的监控功能，包括输入输出电压电流的有效值、波形数据、电抗的趋势图等，基于数据库设计，提供灵活的查询统计，以丰富多样的数据展现形式，供用户回顾历史操作。

Description

变压器绕组在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种变压器绕组在线监测系统。

背景技术

变压器绕组变形是指绕组受力后，发生轴向、径向尺寸的变化，器身位移，匝间短路及绕组扭曲、鼓包等情况。引起变压器绕组变形的主要原因是：

1）、变压器在运行中难以避免要遭受到各种短路故障的冲击，其中包括三相短路、两相短路和相对地故障等，特别是出口或者近区短路对变压器的危害最大，巨大的短路冲击电流使变压器绕组受到很大的电动力，并使绕组急剧发热，在较高温度下导线的机械强度变小，电动力作用更容易使绕组受到破坏。

2）、变压器在运输或安装过程中发生意外碰撞、振动，造成变压器绕组变形。

3）、变压器保护系统存在死区或动作失灵导致承受短路电流作用时间过长，可能导致绕组变形。

由于变电站设备布置上的问题，在变压器出口与总断路器间隔的断路器与电流互感器之间发生故障，是在变压器差动保护区外，母线差动保护区内，在断路器的电源侧。当母线差动保护动作，断路器跳闸后却不能切除故障时，由变压器供给的短路电流仍然存在。此区域只有两个电力设备，数米导线和几个瓷瓶，通常因为故障概率小而被忽视。但若发生故障，后果非常严重。

变压器绕组变形后，一般不会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度等因素，这种变压器的运行，具有故障隐患。这是因为：

1)、绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，会导致局部放电。遇到过电压作用时，绕组便有可能发生绝缘破坏，导致局部放电，若局部放电的长期作用，绝缘损伤部位会逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故。

2）、变压器在运输或安装过程中发生意外碰撞、振动，造成变压器绕组变形。绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。

3）、运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应。对于绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。

所以说，从表面上看，有些变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但是变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了变化，因而绕组的频率响应特性发生了变化，把这类变形称之为特殊变形，实际运行中的变压器绕组变形有时是几种变形同时发生。

据统计资料表明，变压器中最常发生的故障为线圈部分，它的损坏率约占整个变压器故障的60%-70%。我国1997年220kV及以上变压器非计划停运按部位的分类情况显示：220kV等级变压器中，由于线圈引起的非计划停运时间占总非计划停运时间的79．49％；330kV等级则为72．31％；500kV等级则为98．92％。因此可以通过检测变压器绕组是否变形作为一个依据，来保证变压器故障元件得到及时的替换，无故障元件得到最大限度的使用，从而延长变压器的使用寿命。

目前普遍采用的变压器绕组监测方法主要是低压脉冲法、频率响应法和短路电抗法，其中前两种方法属于离线方式，而短路电抗法可以利用于在线测试。

在线短路电抗监测方法主要是利用变压器绕组一、二次侧的电压电流信息在线计算变压器的短路电抗，如果前后短路电抗值变化很小，则可认为变压器绕组没有变形，如果变化很大，则可认为绕组显著变形。

变压器绕组的短路电抗值与绕组的结构参数存在着直接的关系，变压器在运行过程中不可避免的会遇到短路电流的冲击，使绕组发生扭曲、鼓包、移位等变形，从而引起短路电抗值得变化。通过模拟各类的变形情况，分析变压器短路电抗，得出以下结论：

1）、绕组有微小变形时，短路电抗的变化量很小，若轴向变形量小于l%，短路电抗变化小于1%，此时可能小于测量系统的误差范围，其变化量在测量结果中无法体现，此时不能通过短路电抗的变化量来判断绕组变形程度。

2）、当绕组变形程度增加时，短路电抗变化量增加的很快，短路电抗相当敏感，若轴向变形量是2％左右时，短路电抗变化量超过3%，反之，若短路电抗发生明显变化，或者超出某一范围，就意味着绕组具有一定程度的变形。

3）、变压器的短路电抗分量就是变压器的漏电抗，变压器的漏电抗可分为纵向漏电抗和横向漏电抗部分。通常情况下，横向漏电抗所占的比例较小。变压器的漏电抗值由绕组的几何尺寸决定，变压器绕组的结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，通常只要变压器的短路电抗值变化超过了5%，就认为发生了故障。

基于DSP的变压器绕组在线监测系统是目前常用的在线短路电抗监测方法，该方法采用：

1）、以单向双绕组变压器为测试对象，分别测试一、二次侧电压电流，将二次侧电压电流折合到一次侧，建立变压器模型。利用前后时刻对比的方法，即在不同负载下分两次测试电压电流，通过数学运算，获取短路电抗。

2）、整个系统分为数据采集系统和上位机，其中数据采集系统分为信号变送、信号调理、数据处理以及上位机通讯，核心是DSP的数据处理，即实时计算电压电流的向量并参与数学运算获取短路电抗，上位机通过RS232获取短路电抗值并显示于屏幕。

现有的或在研的在线变压器绕组监测系统通常基于嵌入式系统，限于处理器的速度，信号处理能力较弱，而且相关改进算法的实现比较复杂，后续的现场持续改进的成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种变压器绕组在线监测系统，其能够进行实时显示电抗值，并具有强大的数据记录及报表功能，便于升级和维护。为此，本发明采用以下技术方案：所述系统包括监控柜，其基于计算机实时数据采集及分析系统完成对变压器绕组的24路电压电流信号调理、数据采集、信号处理、电抗计算以及与后台控制柜的通信，24路电压电流信号调理包括12路电压接入及调理和12路电流接入及调理；数据采集采用3块美国国家仪器数据采集卡PCI6220同步采集所有信号；所述基于计算机实时数据采集及分析系统包括：

接入模块：提供变压器绕组的24路电压电流信号接入并调理；

测试模块：提供变压器绕组的电抗、电抗变化显示值及趋势图；主变电压电流有效值显示值、趋势图以及波形数据显示，报警值显示及数据查询；分接位置显示、数据记录时间设置、超限设置、测试方法选择及校准设置；

参数设置模块：提供传感器变比、变压器变比、各分接短路电抗参考值设置；

数据报表模块，提供历史数据查询及回放、报警记录查询、导出及打印；

短路电抗计算模块，用于实时计算电路电抗，其包括用于数据采集并转换成相量的子模块和用于短路电抗计算的子模块；

所述用于数据采集并转换成相量的子模块，对接入模块调理后信号进行同步数据采集，用傅立叶算法进行相量计算，数据采集采用美国国家仪器数据采集卡PCI 6220，其提供RTSI总线用于不同卡之间同步；

用于短路电抗计算的子模块采用两种方法计算，第一种方法采用以下公式计

$X_{\mathrm{sh}}=\mathrm{Im}\left\{\frac{({\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(1\right)})-({\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(1\right)})}{{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(1\right)}}\right\}$

算：

其中，X_sh为短路电抗，Im为取复数虚部，U₁为一次侧相电压，

为二次侧相电压折合到一次侧的值，(1)注标的为第一时刻测试的值，（2）注标的为第二时刻测试的值；

第二种方法采用以下公式计算：

$X_{\mathrm{sh}}=|({\stackrel{\·}{U}}_1/K_{\mathrm{TJ}}-{\stackrel{\·}{U}}_2)/({\stackrel{\·}{I}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_m)|\mathrm{Sin}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}$

其中，U₁为一次侧相电压，U₂为二次侧相电压，I₁为一次侧相电流，I_m为励磁电流，φ_sh为短路阻抗角，K_TJ为补偿系数，在空载状态下，

$Z_1={\stackrel{\·}{U}}_1(1-1/K_{\mathrm{TJ}})/{\stackrel{\·}{I}}_1,$

由于采用本发明的技术方案，本发明可通过在线实时计算变电站主变的绕组的短路电抗从而监测绕组的形变，给变电站的维护提供重要的参考。本发明适合现场应用，可实际投入长时间运行。本发明提供丰富的监控功能，包括输入输出电压电流的有效值、波形数据、电抗的趋势图等，基于数据库设计，提供灵活的查询统计，以丰富多样的数据展现形式，供用户回顾历史操作。

附图说明

图1为本发明运行时的流程图。

图2为用于数据采集并转换成相量的子模块的数据采集流程图。

图3为用于数据采集并转换成相量的子模块的相量计算流程图。

图4为短路电抗计算的子模块采用第一种方法计算短路电抗时的流程图。

图5为短路电抗计算的子模块采用第二种方法计算短路电抗时的流程图。

图6为基于计算机采集控制并完成测试值的计算以及与后台控制柜通信的系统结构框图。

具体实施方式

以下以某变电站为例，进一步详细介绍本发明所提供的监测系统。该变电站内总共两台三相35kV/10kV降压变压器，结构为星形/三角形。主变提供电压互感器（0-100V）、电流互感器信号（0-5A）标准信号，总计24路信号给出监控系统。同时变电站控制台通过485总线通信给出变压器分接信息。

监测系统需要提供一个监控柜，将并柜于现场其他控制柜。系统需要实时采集24路模拟信号，依据不同分接位置，计算获取每个绕组的短路电抗，根据纵比或横比方式给出短路电抗的变化量。

监测系统需要提供其他丰富的测试信息，并记录相关数据，提供数据库，以便后续数据查询。

系统提供一个监控柜，其主要功能是基于计算机采集控制并完成测试值的计算以及与后台控制柜的通信。其结构框图如附图6。

其中基于计算机实时数据采集系统完成24路电压电流信号调理、数据采集、信号处理及电抗计算等功能：

（1）12路电压接入及调理；

（2）12路电流接入及调理

（3）采用美国国家仪器数据采集卡PCI6220，实现3块采集卡同步采集所有信号；

（4）信号采集与数据处理都由高速计算机完成；

（5）典型的虚拟仪器的实现方式，即数据采集由硬件模块完成，其他的包括数据处理与显示等都由软件完成。

所述基于计算机实时数据采集及分析系统包括：

接入模块：提供变压器绕组的24路电压电流信号接入并调理；；

测试模块：提供变压器绕组的电抗、电抗变化显示值及趋势图；主变电压电流有效值显示值、趋势图以及波形数据显示，报警值显示及数据查询；分接位置显示、数据记录时间设置、超限设置、测试方法选择及校准设置；

参数设置模块：提供传感器变比、变压器变比、各分接短路电抗参考值设置；

数据报表模块，提供历史数据查询及回放、报警记录查询、导出及打印；

短路电抗计算模块，用于实时计算电路电抗，其包括用于数据采集并转换成相量的子模块和用于短路电抗计算的子模块；其中：

（1）、数据采集

数据采集流程如附图2。由于短路电抗计算中涉及到相量计算，故需要对输入输出电压电流信号进行同步采集。系统采用美国国家仪器数据采集卡PCI6220，其提供RTSI总线用于不同卡之间同步，虽然PCI 6220是多功能数据采集卡，是8个通道分时复用采集，但是由于分时是确定的时间，而且相比工频信号，时间间隔是非常小以致可忽略的。即便不能忽略，也可以通过校正进行修正的。

（2）、相量测量

相量测量流程如附图3。可提供的相量测量方法包括傅立叶算法、最小二乘法和卡尔曼滤波。考虑到实时要求，及忽略故障时衰减直流分量影响(系统设定故障时不进行电抗计算)我们采用傅立叶算法。实验证明，当信号含有谐波或者频率较小范围内变动时候，系统都能达到较高的精度。

（3）、短路电抗

系统采用两种方法

第一种：流程如附图4，模型为考虑到实际运行的电力变为三角形输出，无法测量相电流，所以采用变换后的公式，即

$X_{\mathrm{sh}}=\mathrm{Im}\left\{\frac{({\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(1\right)})-({\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(1\right)})}{{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(1\right)}}\right\}$

其中，X_sh为短路电抗，Im为取复数虚部，U₁为一次侧相电压，为二次侧相电压折合到一次侧的值，(1)注标的为第一时刻测试的值，（2）注标的为第二时刻测试的值

第二种，流程如附图5，设定补偿系数K_TJ

在空载状态下，

此时

即在空载下获取校正系数K_TJ，并获取空载下我们认为在一定范围内，

正比于

同时忽略Z₁在负载范围内的变化，那么可求得短路电抗为

$X_{\mathrm{sh}}=|({\stackrel{\·}{U}}_1/K_{\mathrm{TJ}}-{\stackrel{\·}{U}}_2)/({\stackrel{\·}{I}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_m)|\mathrm{Sin}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}$

其中，U₁为一次侧相电压，U₂为二次侧相电压，I₁为一次侧相电流，I_m为励磁电流，φ_sh为短路阻抗角，K_TJ为补偿系数，在空载状态下，

$Z_1={\stackrel{\·}{U}}_1(1-1/K_{\mathrm{TJ}})/{\stackrel{\·}{I}}_1.$

在本发明中，将主变的输入输出电压电流及电抗值以时间间隔1秒存储于本地硬盘，以每天生成一个数据文件为形式，便于后续数据回放。将绕组形变等报警信息，存入于基于Access的小型数据库，便于后续查找和分析。数据格式为报警时间、主变名称、分接位置、相位位置、电抗值、电抗百分比。

在本发明中，可以提供以下统计报表：

电压电流历史数据图，依据日期形式，可以回溯任何一个主变的一段时间内电压电流的趋势图，支持Word或Excel导出；

电抗历史数据图，根据日期形式，可以回溯任何一个主变的一段时间内的电抗历史趋势图。将超限的用不同颜色区分，支持Word或Excel导出。

电抗报警分析图，依据位置，给出一段时间内的报警分布的柱状图，并支持Word或Excel导出。

Claims (1)

1.变压器绕组在线监测系统，其特征在于所述系统包括监控柜，其基于计算机实时数据采集及分析系统完成对变压器绕组的24路电压电流信号调理、数据采集、信号处理、电抗计算以及与后台控制柜的通信，24路电压电流信号调理包括12路电压接入及调理和12路电流接入及调理；数据采集采用3块美国国家仪器数据采集卡PCI6220同步采集所有信号；所述基于计算机实时数据采集及分析系统包括：

接入模块：提供变压器绕组的24路电压电流信号接入并调理；

测试模块：提供变压器绕组的电抗、电抗变化显示值及趋势图；主变电压电流有效值显示值、趋势图以及波形数据显示，报警值显示及数据查询；分接位置显示、数据记录时间设置、超限设置、测试方法选择及校准设置；

参数设置模块：提供传感器变比、变压器变比、各分接短路电抗参考值设置；

数据报表模块，提供历史数据查询及回放、报警记录查询、导出及打印；

短路电抗计算模块，用于实时计算电路电抗，其包括用于数据采集并转换成相量的子模块和用于短路电抗计算的子模块；

所述用于数据采集并转换成相量的子模块，对接入模块调理后信号进行同步数据采集，用傅立叶算法进行相量计算，数据采集采用美国国家仪器数据采集卡PCI 6220，其提供RTSI总线用于不同卡之间同步；

用于短路电抗计算的子模块采用两种方法计算，第一种方法采用以下公式计算：

$X_{\mathrm{sh}}=\mathrm{Im}\left\{\frac{({\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_1^{\left(1\right)})-({\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\left(1\right)})}{{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(2\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_1^{\left(1\right)}}\right\}$

其中，X_sh为短路电抗，Im为取复数虚部，U₁为一次侧相电压，

为二次侧相电压折合到一次侧的值，(1)注标的为第一时刻测试的值，（2）注标的为第二时刻测试的值；

第二种方法采用以下公式计算：

$X_{\mathrm{sh}}=|({\stackrel{\·}{U}}_1/K_{\mathrm{TJ}}-{\stackrel{\·}{U}}_2)/({\stackrel{\·}{I}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_m)|\mathrm{Sin}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}$

其中，U₁为一次侧相电压，U₂为二次侧相电压，I₁为一次侧相电流，I_m为励磁电流，φ_sh为短路阻抗角，K_TJ为补偿系数，在空载状态下，

$Z_1={\stackrel{\·}{U}}_1(1-1/K_{\mathrm{TJ}})/{\stackrel{\·}{I}}_1.$

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