CN103792462A - 基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，包括：将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路；在被测绕组首端线性施加预设频率和幅值的扫频信号，同时测量被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻上的电压信号，根据计算公式计算得到不同频率下该被测绕组阻抗的标幺值；根据所有预设频率下测得的阻抗标幺值，绘制得到被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线，与历史趋势曲线进行比较，根据比较结果，检测绕组匝间是否存在短路故障。本发明所述基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，可以克服现有技术中测量难度大、准确度低和误判率高等缺陷，以实现测量难度小、准确度高和误判率低的优点。

Description

基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力设备的故障诊断与状态评估技术领域，具体地，涉及基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法。

背景技术

在电力系统的各种设备中，电力变压器是比较昂贵且很重要的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全与稳定。正常情况下，变压器的电磁应力不大，但当发生短路故障，特别是近区短路故障时（通常包括变压器出口短路、内部引线短路和相间短路或绕组对地短路三种故障），变压器的低压侧将出现很大的短路电流，由短路电流所产生的巨大应力（较正常情况下增加上千倍）将作用于变压器绕组上，此时，如果用来绕制绕组的线材出现机械强度不够（如使用铝线材），或固定不牢、亦或线材绝缘已经发生热劣化的情况，绕组就可能会发生匝间短路故障。由统计数据可知，因绕组匝间短路故障导致的变压器事故在电力系统变压器事故中占有很大比重。因此，深入研究变压器绕组匝间短路检测和诊断方法，对提高变压器生产水平，保证电网安全运行有着积极的意义。

检查变压器绕组是否已经产生匝间短路，最直观的方法就是将变压器吊罩进行观察，但该方法的经济性很低，同时对内侧绕组的情况难以准确判断，此法实际中只在变压器出现明显故障时使用；也曾有学者想通过分析变压器油中的气体或检测局部放电来判断绕组状况，但由于这两种方法作用的基础是绕组绝缘已经出现问题致使变压器油分解或有局部放电生成，这时绕组已经出现了较大的匝间短路，而在绕组匝间短路的初期，绕组的绝缘状态并未完全改变，因此上述两种方法无法对此时的绕组状态作出准确的判断。由于变压器绕组出现匝间短路后，许多特征量同正常时相比有较大的差异，其中某些特定特征量数值的变化可能直接或间接地反映出绕组状态的变化，基于此，自上世纪中期开始，很多国家对变压器绕组匝间短路相关参数及测量方法进行了大量研究，并从中探寻出一些有效的特征量，总结出一些可行的测试方案。

目前，在对变压器绕组匝间短路故障进行广泛理论研究和现场测试后，有三种离线测试方法被普遍认可并在工程实际中得到应用，这三种方法为：短路阻抗法、频率响应分析法和低压脉冲法。

测量绕组短路电抗的方法是判断绕组匝间短路故障的传统方法，经多年使用，也得出了公认的定量判据，并已列入标准（GB1094.5或IEC76.5）中。意大利多年来把漏抗试验（用Maxwell电桥）作为例行预防性试验，每三年做一次。该方法重复性很好，无变形的变压器10～20年试验结果相差不到0.2％。当差别达2.5％时，需增加试验频度并做绝缘检查；当相差超过5％时，立即停运检查绕组。虽然短路电抗法有明确的判据对绕组状况进行诊断，但由于测量得到的是一个整体性的参数，无法对故障类型进行判断；且其测量频率为50Hz，很容易受到现场工频电磁场的干扰，影响测量的准确性。

频响分析（Frequency Response Analysis，简称FRA）法：根据网络理论，对于一个单入单出、线性时不变的无源网络，其特性在频率域上可用传递函数                                               

描述，而变压器绕组就是一个由线性的电阻、电感和电容等参数组成的无源线性两端口网络。当变压器绕组发生变形后，必然导致其等效网络相应部分的参数发生改变，其

也发生相应变化，这样通过比较两次测试得到的

，就可能判断变压器绕组的状态是否正常。目前，采用“频响分析法”测试变压器绕组变形已被电力部门广泛接受，但是究竟如何采用FRA法对变压器绕组的匝间短路程度进行分析，尚无统一的定量分析标准。在诊断方面，长期以来,用频率响应分析法诊断变压器绕组变形还建立在比较FRA曲线相关系数的基础上,即同一台变压器与其原始的频率响应曲线比较,同一台变压器不同相间的比较,相同型号变压器间的频率响应的比较等,根据这些曲线相关系数的大小来判断绕组匝间短路情况。而实际上当发生匝间短路时，相关系数或者变化不显著，或者仅是曲线在纵轴上的移位，相关系数变化并不大，这样往往会造成误判。

低压脉冲法（Low Voltage Impulse，简称LVI法），由波兰的两位学者W. Lech以及L. Tyminski于1966年首次提出，并在1972年被IEEE收录列入变压器短路试验导则，目前主要应用于测试变压器能否通过短路试验。LVI法测试原理与FRA法类似，只要将其中的扫频信号发生器用低压脉冲源替换即可。测试时，在被试变压器绕组的一端施加稳定的低压脉冲信号，同时记录该端的脉冲信号和另一端的响应信号。实际使用中，通过对比本次测试结果和以前的测试结果来判定变压器绕组匝间的状态。低压脉冲法存在的主要问题是低压脉冲源的输出重复性比较差，抗干扰能力太差，接地线、测量引线和周围的电气设备都能明显地影响测量结果，较难与历史数据进行对比实现绕组状况的判断。因此，低压脉冲法在电力系统中始终没有推广应用。

综上所述，国内外学者已对变压器绕组匝间短路故障的诊断方法进行了大量研究，存在的主要需要解决的关键问题就是：由于缺乏明显的判据或者判据的得出缺乏理论依据，很难对绕组匝间绝缘状态做出正确的判断。短路电抗法虽然判据明确，但由于采用的是工频50Hz的信号进行激励，在变电站极容易受到电磁干扰，影响测量的准确度；此外，虽然FRA比较灵敏，但由于目前主要采用相关系数的方法，有时即使绕组已经发生的匝间短路故障，相关系数由于比较的是两条曲线的相似度，也可能其值变化并不明显，从而造成误判。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在测量难度大、准确度低和误判率高等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，以实现测量难度小、准确度高和误判率低的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，包括：

a、将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路，同时使所有被检测绕组则保持开路；

b、在被测绕组首端线性施加预设频率和幅值的扫频信号，同时测量被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻上的电压信号，分别记为Ui（f）和Uo（f），根据以下公式，计算得到不同频率下该被测绕组阻抗的标幺值：

Z= |Ui（f）|/| Ui（f）-Uo（f）|；

c、根据所有预设频率下测得的阻抗标幺值，绘制得到被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线，并与预存的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行比较，根据比较结果，检测绕组匝间是否存在短路故障。

进一步地，在步骤b之前，还包括：

在被测绕组的首端和被测绕组的末端，分别连接测量用无感电阻。

进一步地，在步骤c之前，还包括：

预存被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线；以及，在需要将绘制得到的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线与被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行比较时，对所述预存的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行调用。

进一步地，在步骤a中，所述将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路的操作，具体包括：

用金属导线，将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组的首端和末端连接。

进一步地，在步骤b中，所述预设频率和幅值的扫频信号，具体包括频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V的扫频信号。

进一步地，在步骤b中，所述被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻的阻值取值范围为50Ω~500Ω。

本发明各实施例的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，由于包括：将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路；在被测绕组首端线性施加预设频率和幅值的扫频信号，同时测量被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻上的电压信号，根据计算公式计算得到不同频率下该被测绕组阻抗的标幺值；根据所有预设频率下测得的阻抗标幺值，绘制得到被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线，与历史趋势曲线进行比较，根据比较结果，检测绕组匝间是否存在短路故障；可以通过测得的阻频曲线，与绕组正常状态下或者与其他相绕组的阻频曲线进行比较，根据阻抗标幺值的相对变化，对绕组匝间短路故障进行诊断，保障电力变压器的安全可靠运行；从而可以克服现有技术中测量难度大、准确度低和误判率高的缺陷，以实现测量难度小、准确度高和误判率低的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法所采取的试验设备的接线示意图；

图2为本发明基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法得到的绕组正常状态以及分别短路其中的1-2、1-3、1-4、1-5和1-6匝时的阻频曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有检测技术，为了克服现有技术的缺陷，根据本发明实施例，如图1和图2所示，提供了基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，可有效解决绕组匝间短路故障的诊断问题，采取的电压激励的频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V，计算得到的是被测绕组的阻抗值，从而可以通过相对值变化的诊断，非常简单的实现对绕组匝间短路故障的诊断，保障变压器的安全可靠运行。

本实施例的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，主要包括以下步骤：

⑴将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路，即：用金属导线将绕组的首末端相接，而被检测绕组则保持开路；

在步骤⑴中，电力变压器所有非被测试绕组必须进行短路，被检测绕组为开路状态；

⑵在被测绕组首端线性施加频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V的扫频信号，同时测量绕组首端以及绕组末端所接无感电阻上的电压信号，分别记为Ui（f）和Uo（f），根据公式Z= |Ui（f）|/| Ui（f）-Uo（f）|计算得到不同频率下该绕组阻抗的标幺值；其中，无感电阻的阻值取值范围为50Ω~500Ω；

⑶根据各个频率下测得的阻抗标幺值，绘制出被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势图，并与历史趋势图进行比较，从而对绕组匝间短路故障进行检测；也就是说，根据被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势，绘制得到阻频曲线，并与该绕组的历史阻频曲线进行比较，对绕组匝间短路故障进行检测。

可见，上述实施例的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，实现过程主要包括：首先，将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路，即：用金属导线将绕组的首末端相接，而被检测绕组则保持开路；然后，在被测绕组首端线性施加频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V的扫频信号，同时测量绕组首端以及绕组末端所接无感电阻上的电压信号，分别记为Ui（f）和Uo（f），根据公式Z= |Ui（f）|/| Ui（f）-Uo（f）|计算得到不同频率下该绕组阻抗的标幺值；最后，根据各个频率下测得的阻抗标幺值，绘制出被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势图，并与历史趋势图进行比较，从而对绕组匝间短路故障进行检测。

下面结合附图及应用实施例，对本发明的技术方案进行详细说明：

在变电站主变压器现场，将非被试绕组首末端用金属导线短接，而被测绕组则保持开路状态。利用图1中所示的扫频信号源在被试绕组首端线性施加频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V的扫频信号，分别记录图1中所示的首端无感电阻Ri上的电压Ui(f)和绕组末端无感电阻Ro上的电压Uo(f)。然后根据公式Z= |Ui（f）|/| Ui（f）-Uo（f）|，即可计算得到各个不同频率下该绕组阻抗的标幺值。

以扫频信号源输出的频率为横坐标，计算得到的、相应的各个频率下的阻抗标幺值为纵坐标，进行阻频曲线的绘制，如图2所示。图2中给出了当绕组正常状态以及分别存在1-2、1-3、1-4、1-5和1-6匝短路时，阻频曲线的变化趋势。从图中可以明显的看出，当存在匝间短路时，绕组阻频曲线与正常情况相比将大大下移，且短路匝数越多，下移的越明显。因此，可以利用这一规律，非常方便的对变压器绕组匝间短路故障进行诊断。

综上所述，本发明上述各实施例的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，通过测量得到的阻频曲线有效解决变压器绕组匝间短路故障的检测问题，方法是：首先短路变压器所有非被测试绕组；然后在被测绕组首端线性施加不同频率的电压信号，同时测量所施加的信号以及绕组末端无感电阻上的电压信号，由此计算得到不同频率下的该绕组的阻抗值；最后，绘制出被测绕组阻抗值随频率变化的趋势图，并与历史趋势图进行比较，从而对绕组匝间短路故障进行检测。本发明的技术方案，可通过在被测绕组首端施加多频率激烈电压的方法，测得该绕组的阻频曲线，从而可以对绕组匝间绝缘状况进行诊断，保障电力变压器的安全可靠运行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，包括：

a、将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路，同时使所有被检测绕组则保持开路；

b、在被测绕组首端线性施加预设频率和幅值的扫频信号，同时测量被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻上的电压信号，分别记为Ui（f）和Uo（f），根据以下公式，计算得到不同频率下该被测绕组阻抗的标幺值：

Z= |Ui（f）|/| Ui（f）-Uo（f）|；

c、根据所有预设频率下测得的阻抗标幺值，绘制得到被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线，并与预存的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行比较，根据比较结果，检测绕组匝间是否存在短路故障。

2.根据权利要求1所述的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，在步骤b之前，还包括：

在被测绕组的首端和被测绕组的末端，分别连接测量用无感电阻。

3.根据权利要求1所述的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，在步骤c之前，还包括：

预存被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线；以及，在需要将绘制得到的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的趋势曲线与被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行比较时，对所述预存的被测绕组阻抗标幺值随频率变化的历史趋势曲线进行调用。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，在步骤a中，所述将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组进行短路的操作，具体包括：

用金属导线，将被检测的电力变压器的所有非被测试绕组的首端和末端连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，在步骤b中，所述预设频率和幅值的扫频信号，具体包括频率范围为40Hz~100kHz、幅值范围为5V~100V的扫频信号。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于阻频曲线的电力变压器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，在步骤b中，所述被测绕组首端以及被测绕组末端所接无感电阻的阻值取值范围为50Ω~500Ω。

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