CN104061850A - 基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，属于电力设备在线检测技术领域。所述检测装置包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、信号注入及保护电路单元、变压器信号传感器单元、电流传感器单元、高通滤波单元、信号采集单元和信号处理单元。本装置实现了绕组变形的非侵入式在线检测，在检测过程中，不用改变电力系统原有的接线，较为安全；采用高压纳秒脉冲信号激励绕组，避开了工频和部分干扰信号，提高了抗电磁干扰的能力，且由于高压纳秒脉冲信号包含丰富的频谱分量，能够在仅输入几个脉冲的情况下，实现快速检测，提高检测的速度和效率，同时大大简化了所需装置的体积和数量且降低了制作成本。

Description

基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置

技术领域

本发明属于电力设备在线检测技术领域，涉及一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置。

背景技术

电力变压器作为变电站内设备的核心，承载着电压变换的作用，一旦发生灾难性故障导致停电，将带来不可预料的损失。而且由于变压器结构及工作环境的复杂性，严重性事故发生之后的修复时间往往过长，成本过高，将进一步降低变压器的经济与社会效益。变压器所有故障之中，机械性故障最为常见，而绕组变形又是机械性故障中较为常见的。绕组在运输、运行、地震等过程中可能会发生变形，特别是变压器在外部短路的情况下，绕组中短路电流形成巨大的电磁力使得绕组产生较为严重的变形进而导致变压器的异常运行。

目前国内外许多研究者对绕组变形检测开展了大量的研究工作，也得到了一些方法和标准，有的也运用于电力公司的检测项目中。主要包括短路阻抗法、低压脉冲法和频率响应分析法等电测法，超声测量法和振动响应法等非电测法。其中频率响应分析法是一种准确、经济、可靠、快速和无损的方法，发展潜力较大，应用较为广泛，受到许多研究者的青睐。但频率响应法需要变压器停运，仅能进行离线测试，而例行试验周期较长，使得这一方法难以准确及时获取绕组的变形状态，诊断出绕组的轻微变形。近年来，在线监测要求用尽可能少的资源对电力设备进行实时状态的评估，对变压器绕组轻微变形的连续在线监测，是可以阻止其诱发变压器严重损毁和停运，对潜伏性故障具有较好的辨识作用。

现有变压器绕组故障的诊断方法大多采用频率响应分析法，该方法的主要缺点是：①需要变压器停运，在离线情况下对变压器的绕组状态信息进行测量，不能实时掌握绕组的机械和绝缘状态，难以抵御突发性故障；②每次对变压器绕组响应信号进行采集，均需要现场重新接线，极大的增加了工作量与现场试验的不确定性，增大了安全隐患；③频率响应法采用的波形为扫频信号，导致系统检测时间过长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，该检测装置采用非侵入式检测方法，能够实现对变压器绕组的快速无损在线检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、信号注入及保护电路单元、变压器信号传感器单元、电流传感器单元、高通滤波单元、信号采集单元和信号处理单元；

全固态高压纳秒方波脉冲发生器用于产生激励脉冲信号和实现脉冲参数的灵活调节，能够产生脉冲幅值为0～10kV、脉冲宽度为100～1000ns、脉冲频率为1～1000Hz，下降沿为30～40ns的高压纳秒方波脉冲信号；

信号注入及保护电路单元用于对全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲实现无损传输至变压器信号传感器单元，同时限制因加装变压器信号传感器而耦合的高压套管导杆上的高压信号，保护所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器；

变压器信号传感器单元用于将信号注入及保护电路单元输出的脉冲耦合至高压套管内部的导杆，作为绕组首端的激励信号；

电流传感器单元主要由罗氏线圈构成，用于非侵入式测量绕组末端的响应电流信号，其频带下限不大于1KHz，频带上限不小于10MHz，安装在被测绕组末端中性点接地导线上；

高通滤波单元采用高通滤波器，用于滤除变压器绕组中性点接地线上的工频电流信号，要求滤除后的工频信号幅值在信号采集单元承受范围内，同时保证绕组的高频响应信号不受影响；

信号采集单元用于采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲电压作为分析绕组故障的激励电压信号，同时采集所述的电流传感器单元测量的脉冲电流作为分析绕组故障的响应信号；

信号处理单元用于处理绕组的激励信号和响应信号，包括信号预处理，数据运算和后处理。

进一步，所述信号注入及保护电路单元包括一个信号注入及保护电路和用于屏蔽外部干扰的屏蔽盒；信号注入及保护电路包括一个匹配电阻、一个压敏电阻、一个气体放电管及一个电容，匹配电阻与电容进行串联实现滤波功能，压敏电阻和气体放电管进行并联实现保护功能；信号注入及保护电路固定安装在屏蔽盒中并通过标准BNC接口与外部进行连接。

进一步，所述变压器信号传感器单元包括插头座、插头外壳、固定夹件、铜带、方形卡槽和热缩管。

进一步，所述信号采集单元的通道数不少于2个，采样率不低于100MS/S，采样位数不少于10位。

进一步，信号处理单元用于处理绕组的激励信号和响应信号，包括信号预处理，数据运算和后处理，其中，信号预处理主要是去除随机干扰，采取在同一种状态下多次测量求平均值的方式实现随机噪声的滤除；数据运算主要是绘制频率响应图谱，将经过信号预处理后的激励信号和响应信号分别进行快速傅里叶变换，以此求取绕组网络的转移函数，得到绕组网络的频率响应图谱；后处理主要是绕组变形状态的评判，以电力行业标准为参考依据，对比获取时间不同的同一变压器的频率响应图谱，判断绕组变形的程度，获取绕组的状态，实现绕组变形的在线检测。

本发明的有益效果在于：1、本发明采用变压器信号传感器，从而真正意义上实现了绕组变形的非侵入式在线检测。该传感器体积小，质量轻，不改变电力系统原有的接线，较为安全。2、本发明采用高压纳秒脉冲信号激励绕组，由于其频带较高，避开了工频和部分干扰信号，提高了抗电磁干扰的能力。3、本发明采用高压纳秒脉冲信号，由于其包含丰富的频谱分量，能够在仅输入几个脉冲的情况下，实现快速检测，提高检测的速度和效率。4、本发明采用高压纳秒脉冲信号，由于其产生电路简单多样，大大简化了方法所需的装置体积和数量且降低了成本。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为本发明的信号注入及保护电路图；

图3为本发明信号注入及保护电路的正向幅频特性图；

图4为本发明信号注入及保护电路的反向幅频特性图；

图5为本发明变压器信号传感器单元的安装位置图；

图6为本发明变压器信号传感器单元的原理图；

图7为本发明所述方法运用于一台大修后的110kV/10.5kV三相变压器高压侧的频率响应曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述装置的结构示意图，如图所示，本发明所述的变压器绕组变形检测装置，包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、信号注入及保护电路单元、变压器信号传感器单元、电流传感器单元、高通滤波单元、信号采集单元和信号处理单元。

在本实施例中，全固态高压纳秒方波脉冲发生器能够产生脉冲幅值为0～10kV、脉冲宽度为100～1000ns、脉冲频率为1～1000Hz，下降沿为30～40ns的高压纳秒方波脉冲信号，现场应用检测绕组变形时可实现脉冲参数的灵活调节。

信号注入及保护电路单元，用于对所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲实现无损传输至所述的变压器信号传感器单元，同时限制因加装变压器信号传感器而耦合的高压套管导杆上的高压信号，保护所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器。如图2所示，所述的信号注入及保护电路单元包括一个信号注入及保护电路和用于屏蔽外部干扰的屏蔽盒；所述信号注入及保护电路包括一个匹配电阻、一个压敏电阻、一个气体放电管及一个电容，匹配电阻与电容进行串联实现滤波功能，压敏电阻和气体放电管进行并联实现保护功能；信号注入及保护电路固定安装在屏蔽盒中并通过标准BNC接口与外部进行连接。信号注入及保护电路中，R为滤波电路的一个元件且为电缆末端匹配电阻，电容C为滤波电路的元件，G为气体放电管，K为压敏电阻。R、C起着滤波的作用，K、G起着两层保护的作用。此电路正向实现了全通功能；电路反向实现了滤除50Hz工频和中低频过电压信号的功能。图3为信号注入及保护电路的正向幅频特性图，图4为信号注入及保护电路的反向幅频特性图。此电路被置于屏蔽盒中进行外部干扰屏蔽，电路通过标准BNC接口与外部的全固态高压纳秒方波脉冲发生器和变压器信号传感器单元进行连接。所述的屏蔽盒外壳通过引线与地相连，屏蔽盒采用铝合金材料制作，屏蔽盒的尺寸采用：115mm×87mm×54.5mm，通过将信号注入及保护电路固定安装于铝合金屏蔽盒中，避免其工作过程中受到外部信号的干扰。

变压器信号传感器单元用于将所述的信号注入及保护电路单元输出的脉冲耦合至高压套管内部的导杆用作绕组首端的激励信号。所述的变压器信号传感器单元包括插头座、插头外壳、固定夹件、铜带、方形卡槽和热缩管。如图5和图6所示，所述的插头座由不锈钢或铝制成，由一块(30～120)mm×(15～30)mm×(1～5)mm的立方体薄板和一个直径8～20mm，高度20～40mm的圆柱体焊接而成，圆柱体底部圆面焊接在立方体薄板(30～120)mm×(15～30)mm一面的正中心，顶部圆面至圆柱体内部开一个直径3～5mm，高度3～6mm的圆柱形孔，用以连接所述的信号注入及保护电路单元的出线电缆的香蕉接头，圆柱体外侧面具有螺纹，用于与所述的插头外壳连接。立方体薄板上具有2～8个通孔，用于将所述的插头座固定在所述的固定夹件上。所述的插头外壳与所述的插头座通过螺纹进行连接，所述的插头外壳由不锈钢或铝制成，其形状为2～3个圆柱体按直径大小依次连接，圆柱体直径10～22mm，高度25～70mm，内部掏空，壁厚1～4mm，内壁具有螺纹，所述的插头外壳与所述的插头座对接后，能对所述的信号注入及保护电路单元的出线电缆的香蕉接头进行防雨防尘。所述的固定夹件由塑料制成，由两个半工字型的组件拼接而成，起到固定连接所述的插头座和所述的铜带的作用。半工字型组件壁厚3～12mm，竖直方向高20～80mm，水平方向一端(15～60)mm×(15～30)mm，此面开有1～4个通孔以与所述的插头座通孔匹配连接，半工字型组件的水平方向另一端呈弧形状，弧度与所要安装的变压器套管的直径相匹配，弧长15～80mm。两个半工字型组件拼接成所述的固定夹件，并将铜带的两端置于所述的固定夹件的内侧面。所述的铜带材料为紫铜，形状为长方形，长度依据变压器套管的周长而定，宽度10～40mm，厚1～5mm，所述的铜带缠绕于变压器套管靠近接地法兰附近的外绝缘层上，铜带两端分别与所述的固定夹件以及所述的插头座连接，其两个端部分别沿着半工字型组件的内侧面固定，并在所述的固定夹件的半工字型组件水平一侧交汇后并置于半工字型组件之上，所示的插头座又置于铜带之上，通过螺丝将所述的插头座、铜带和固定夹件固定在一起，以保证所述的插头座与所述的铜带的良好接触；所述的固定夹件的半工字型组件呈弧形一侧固定于套管外绝缘层上的铜带之上，以保证固定夹件牢固地固定于变压器套管外绝缘层上。所述的方形卡槽由固定部分和支撑部分组成，固定部分由三块长方形塑料板构成一个楔形部件，其内部尺寸与固定夹件竖直部分相匹配，其壁厚2～10mm；支撑部分是一块与固定部分底部面积相同的长方形塑料，通过螺丝与固定部分连接。所述的方形卡槽安装于固定夹件的竖直部分，以保证两个半工字型组件拼接牢固。所述的热缩管为市购材料，由PVC组成，用于将所述的铜带置于热缩管内部，起到防尘防雨和防止套管沿面闪络的作用。

电流传感器单元主要由罗氏线圈构成，为市购元件，用以非侵入式测量绕组末端的响应电流信号，要求频带下限不大于1KHz，频带上限不小于10MHz，安装在被测绕组末端套管出线导杆上或者接地导线上，具体视变压器的运行方式而定。

高通滤波单元为常规的RC高通滤波器，用以滤除变压器绕组中性点接地线上的工频电流信号，要求滤除后的工频信号幅值在信号采集单元承受范围内，同时保证绕组的高频响应信号不受影响。

信号采集单元为市购元件，用以采集所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲电压作为分析绕组故障的激励电压信号，同时采集所述的电流传感器单元测量的脉冲电流作为分析绕组故障的响应信号。要求所述的信号采集单元的通道数不少于2个，采样率不低于100MS/S，采样位数不少于10位。

信号处理单元主要由电脑作为硬件支撑，用以处理绕组的激励信号和响应信号，包括信号预处理，数据运算，后处理等。所述的信号预处理主要是去除随机干扰，采取在同一种状态下多次测量求平均值的方式实现随机噪声的滤除。所述的数据运算主要是绘制频率响应图谱，将经过信号预处理后的激励信号和响应信号分别进行快速傅里叶变换，以此求取绕组网络的转移函数，得到绕组网络的频率响应图谱。所述的后处理主要是绕组变形状态的评判，以电力行业标准为参考依据，对比获取时间不同的同一变压器的频率响应图谱，判断绕组变形的程度，获取绕组的状态，实现绕组变形的在线检测。

图7为本发明所述方法运用于一台大修后的110kV/10.5kV三相变压器高压侧的频率响应曲线。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，其特征在于：包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、信号注入及保护电路单元、变压器信号传感器单元、电流传感器单元、高通滤波单元、信号采集单元和信号处理单元；

全固态高压纳秒方波脉冲发生器用于产生激励脉冲信号和实现脉冲参数的灵活调节，能够产生脉冲幅值为0～10kV、脉冲宽度为100～1000ns、脉冲频率为1～1000Hz，下降沿为30～40ns的高压纳秒方波脉冲信号；

信号注入及保护电路单元用于对全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲实现无损传输至变压器信号传感器单元，同时限制因加装变压器信号传感器而耦合的高压套管导杆上的高压信号，保护所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器；

变压器信号传感器单元用于将信号注入及保护电路单元输出的脉冲耦合至高压套管内部的导杆，作为绕组首端的激励信号；

电流传感器单元主要由罗氏线圈构成，用于非侵入式测量绕组末端的响应电流信号，其频带下限不大于1KHz，频带上限不小于10MHz，安装在被测绕组末端中性点接地导线上；

高通滤波单元采用高通滤波器，用于滤除变压器绕组中性点接地线上的工频电流信号；

信号采集单元用于采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器输出的脉冲电压作为分析绕组故障的激励电压信号，同时采集所述的电流传感器单元测量的脉冲电流作为分析绕组故障的响应信号；

信号处理单元用于处理绕组的激励信号和响应信号，包括信号预处理，数据运算和后处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，其特征在于：所述信号注入及保护电路单元包括一个信号注入及保护电路和用于屏蔽外部干扰的屏蔽盒；信号注入及保护电路包括一个匹配电阻、一个压敏电阻、一个气体放电管及一个电容，匹配电阻与电容进行串联实现滤波功能，压敏电阻和气体放电管进行并联实现保护功能；信号注入及保护电路固定安装在屏蔽盒中并通过标准BNC接口与外部进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，其特征在于：所述变压器信号传感器单元包括插头座、插头外壳、固定夹件、铜带、方形卡槽和热缩管。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，其特征在于：所述信号采集单元的通道数不少于2个，采样率不低于100MS/S，采样位数不少于10位。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲在线注入的变压器绕组变形检测装置，其特征在于：信号处理单元用于处理绕组的激励信号和响应信号，包括信号预处理，数据运算和后处理，其中，信号预处理主要是去除随机干扰，采取在同一种状态下多次测量求平均值的方式实现随机噪声的滤除；数据运算主要是绘制频率响应图谱，将经过信号预处理后的激励信号和响应信号分别进行快速傅里叶变换，以此求取绕组网络的转移函数，得到绕组网络的频率响应图谱；后处理主要是绕组变形状态的评判，以电力行业标准为参考依据，对比获取时间不同的同一变压器的频率响应图谱，判断绕组变形的程度，获取绕组的状态，实现绕组变形的在线检测。