CN104154854A - 基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是解决在线监测变压器绕组变形故障的问题。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法，包括以下步骤：1)对负载为Z_L的正常变压器的输入端加上输入电压后，测量正常变压器在线输出电压输入电流和输出电流2)对负载为Z_L'的待测变压器的输入端加上输入电压后，测量待测变压器在线输出电压输入电流和输出电流3)对输出电流进行修正，获得修正后的输出电流4)对数据进行处理。5)构建所述正常变压器和待测变压器的李萨如图。6)提取所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值。7)对所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值进行对比分析。

Description

基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法

技术领域

本发明属于电力变压器绕组变形故障检测领域。 

背景技术

变压器是电力系统中最重要的设备之一，承担着电能转换和传输等重要职能，是整个电网的枢纽，因此变压器的正常工作直接关系着整个电网的可靠运行。绕组变形故障是变压器最重要的故障类型之一，它是一个积累的过程。因此，监测绕组变形故障是保障变压器正常运行的重要手段。 

在变压器绕组变形故障检测领域，已经提出了短路电抗法、绕组电容法和频率响应法等检测方法，技术比较成熟，而且已经有相关的规程和标准。但是，离线检测法要求变压器停运，直接影响了电网的正常运行。同时，离线监测只能够定期开展，不能够及时反映绕组的变形故障。特别的，离线检测周期长，容易忽略绕组变形的累积作用，难以避免累积效应下造成的绕组严重变形；另外，在线运行和离线运行状态不同，离线检测难以发现某些在线运行状态下才具有显著特征的绕组变形故障。因此，亟需提出一种变压器绕组变形故障在线监测方法。 

现阶段提出的短路阻抗法、机械振动法、电磁波测量法和超声测距法等在线监测绕组变形故障的方法中，短路阻抗法不能够反映绕组电容性变形故障，机械振动法没有形成完善的监测体系，电磁波测量法和超声测量法需要在变压器内置传感器而会引入不稳定因素，影响变压器的可靠运行，因此，现行绕组变形故障在线监测方法仍存在很大的局限，仍需要大力的研究和发展。 

发明内容

本发明的目的是解决在线监测变压器绕组变形故障的问题。 

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法，包括以下步骤： 

1)对负载为Z_L的正常变压器的输入端加上输入电压后，测量正常变压器在线输出电压输入电流和输出电流

2)对负载为Z_L'的待测变压器的输入端加上输入电压后，测 量待测变压器在线输出电压输入电流和输出电流其中：  $\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}=\stackrel{\·}{U_1}.$

3)对输出电流进行修正，获得修正后的输出电流

$\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}}=\stackrel{\·}{I_{21}}+I_{21}\frac{U_{1d}}{U_1}\∠\mathrm{\α}-I_{21}\frac{{\mathrm{KU}}_{2d}}{U_1}\∠(\mathrm{\β}+\mathrm{\ψ}),$

其中： $\stackrel{\·}{I_{21}}=I_{21}\∠\mathrm{\θ},\stackrel{\·}{U_{1d}}=\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}-\stackrel{\·}{U_1},\stackrel{\·}{U_{2d}}=\stackrel{\·}{{U_2}^{\′}}-Z_L\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}},K=\frac{{I_2}^{\′}}{{I_1}^{\′}},$ 的相位为θ、与之间的夹角为α、与之间的夹角为β、与之间的夹角为ψ。 

4)对数据进行处理： 

通过FFT算法提取输入电压的基波分量输入电压的基波分量输出电流的基波分量和修正后的输出电流的基波分量

对获得的若干基波分量基波分量基波分量和基波分量进行平均处理，分别得到和

将和归一化为A＝U₀/U_1f0。 

5)构建李萨如图： 

根据和构建所述正常变压器的李萨如图。 

根据和构建所述待测变压器的李萨如图。 

6)提取所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值。 

7)对所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值进行对比分析。 

值得说明的是，本发明的基本原理为： 

①变压器绕组等效电路的基本原理 

三相变压器各相绕组工作原理相同，可选择其中任意一相进行分析。变压器任意一相均可等效为二端口网络，其内部绕组可用等 效分布电阻(电导)、分布电容和分布电感表示，其等效电路图如图1所示。 

等效电路参数是由绕组结构直接确定的。当绕组发生变形，其等效电路参数会随之发生相应的变化，根据等效电路参数的变化情况就可确定绕组是否发生形变和发生何种形变。因此，现有的绕组变形故障电气检测方法都是通过直接或者间接测量绕组的等效电路参数来实现的。同时，当绕组等效电路参数发生变化时，其电路响应也会发生相应变化，即绕组的电压、电流构成的关系会发生变化。因此，通过分析绕组的电压、电流关系，可以确定绕组等效电路参数是否发生了变化，从而判断绕组是否发生形变。 

②变压器在线电压、电流李萨如特性的基本原理 

变压器在线输入电压、输出电流具有相同的频率，通过消除共同时间参量t，可以获取输入电压和输出电流关系，构建两者的李萨如特性图形。设输入电压以y₁表示，其幅值以A₁表示，输入电流以y₂表示，其幅值以A₂表示，则两者的关系式推导如下： 

y₁＝A₁cos(ωt)   (1) 

其中，通过三角变换公式，等式(2)可以变换为等式(3)： 

cos²(ωt)+sin²(ωt)＝1   (4) 

根据等式(4)，把等式(1)代入到等式(3)，可以得到等式(5)： 

令 

则有： 

当式(7)的值小于0时，y₁、y₂构成的图形为椭圆(李萨如图)。 

从变压器电压、电流构成的向量图(2)可以看出，由于变压器一次侧不可能发出功率，其电压、电流的相位差不会达到180°。因此对于变压器而言，式(7)结果必然小于0，即其电压、电流将构成李 萨如椭圆图形，如图7所示。因此，可以通过该李萨如椭圆图形(图3)的长轴(a)、短轴(b)、斜率(k)、离心率(e)等参量分析变压器等效电路参数的变化。由于李萨如图形能够分析变压器绕组的响应特性，因而既可以反映绕组等效电感的变化，也可以反映绕组等效电阻和电容的变化。同时，李萨如图具有4个特征参量，可以通过4个参量充分反映电压、电流关系的变化，从而充分分析绕组响应的变化，提高判断绕组变形的可靠性和有效性。 

图3中，k＝tanθ，

考虑到变压器在运行过程中，其负载是一直变化的。虽然在一系列保障电网稳定运行的措施下，负载的性质和大小在一定时间内变化较小，但其仍然会直接改变变压器的等效电路参数，从而改变其响应，造成其电压、电流李萨如图形的变化。特别的，当过电压或者短路故障消除后，变压器仍然可以在正常工况下短时运行，但是其负载会发生较大变化。因此，必须要对负载特性进行实时检测，考虑负载变化引起的李萨如图形特性变化，并对李萨如图进行基于负载变化的修正，从而避免负载变化所引入的绕组变形诊断失误。 

此外，由于变压器绕组导磁材料的非线性特性，变压器运行可能会具有非线性特性。然而，现有变压器导磁材料的饱和磁通量介于1.15～1.4倍额定磁通量，而正常运行情况下，变压器处于导磁材料线性特性区域，其磁通量不会超过1.1倍额定磁通量。当短路或过电压故障消除后，变压器可短时运行在正常工况下，即故障后变压器会有处在正常工况的时间，而这段时间变压器也是具有线性特性的。 

综上所述，故障前后变压器都具有线性特性，因此，可将变压器一相等效为线性二端口网络，通过实时考虑负载变化的影响，提出修正李萨如图的方法。如图4所示，为变压器在负载为Z_L时的等效电路图。 

当变压器负载由Z_L变为Z_L'时，使得分别变成 如图5(左面部分)所示。根据电路原理，该电路可以等效为图5(右面部分)所示，即为源共同作用的响应。根据线性网络具有叠加性和电网络互易定理，可以得到 在二次侧的电流响应分别如等式(8)、(9)、(10)所示，则三个源的共同响应满足等式(11)所示，其中的计算公式为等式(12)、(13)所示。 

$\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}\→\stackrel{\·}{I_{21}}---\left(8\right)$

$\stackrel{\·}{U_{1d}}\→I_{21}\frac{U_{1d}}{U_1}\∠\mathrm{\α}---\left(9\right)$

$\stackrel{\·}{U_{2d}}\→I_{21}\frac{{\mathrm{KU}}_{2d}}{U_1}\∠(\mathrm{\β}+\mathrm{\ψ})---\left(10\right)$

$\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}}=\stackrel{\·}{I_{21}}+I_{21}\frac{U_{1d}}{U_1}\∠\mathrm{\α}-I_{21}\frac{{\mathrm{KU}}_{2d}}{U_1}\∠(\mathrm{\β}+\mathrm{\ψ})---\left(11\right)$

$\stackrel{\·}{U_{1d}}=\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}-\stackrel{\·}{U_1}---\left(12\right)$

$\stackrel{\·}{U_{2d}}=\stackrel{\·}{{U_2}^{\′}}-Z_L\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}}---\left(13\right)$

本发明是针对现有变压器绕组变形故障监测方法的不足，其技术效果是毋庸置疑的。该方法具有可操作性强、计算量少、效率高、结果真实可靠、精确度高、灵敏度高等优点。本发明能为电力变压器绕组变形故障检测提供准确可靠的检测结果。 

附图说明

图1为变压器等效电路图； 

图2为变压器电压、电流向量图； 

图3为变压器电压、电流构成的李萨如图； 

图4为变压器等效线性二端口网络； 

图5为负载变化后变压器等效二端口网络； 

图6为数据处理流程图； 

图7基于李萨如图分析法的变压器工频信号传感器系统模块图； 

图8基于李萨如图分析法的变压器工频信号传感器系统电路。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。 

基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法，包括以下步骤： 

1)对负载为Z_L的正常变压器的输入端加上输入电压后，测 量正常变压器在线输出电压输入电流和输出电流

2)对负载为Z_L'的待测变压器的输入端加上输入电压后，测量待测变压器在线输出电压输入电流和输出电流其中：  $\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}=\stackrel{\·}{U_1}.$

值得说明的是，获取分析信号的测量装置是实现李萨如特性分析法的前提和基础。由于现有的电力变压器自身装设有电压传感器(PT)和电流传感器(CT)，可以直接作为该方法的测量装置。但是，变压器成套的PT测量输出值通常为额定100V或100/√3V，CT测量输出额定值通常为5A或1A，输出值较大，为了便于后续采集卡的数据采集，需要把输出量转换为小于5V的电压值。PT和CT的额定工作频率为50Hz，用于在运工频电压电流信号实现电能计量。为了把PT和CT测量值精确的转换为适于处理的小电压值，使用工频信号测量装置精度足够高，且额定工作频率、电压和电流需与变压器成套PT和CT相配合。 

3)对输出电流进行修正，获得修正后的输出电流

$\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}}=\stackrel{\·}{I_{21}}+I_{21}\frac{U_{1d}}{U_1}\∠\mathrm{\α}-I_{21}\frac{{\mathrm{KU}}_{2d}}{U_1}\∠(\mathrm{\β}+\mathrm{\ψ}),$

其中： $\stackrel{\·}{I_{21}}=I_{21}\∠\mathrm{\θ},\stackrel{\·}{U_{1d}}=\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}-\stackrel{\·}{U_1},\stackrel{\·}{U_{2d}}=\stackrel{\·}{{U_2}^{\′}}-Z_L\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}},K=\frac{{I_2}^{\′}}{{I_1}^{\′}},$ 的相位为θ、与之间的夹角为α、与之间的夹角为β、与之间的夹角为ψ。 

4)对数据进行处理： 

通过FFT算法提取输入电压的基波分量输入电压的基波分量输出电流的基波分量和修正后的输出电流的基波分量

5)重复上述步骤(步骤1～4)若干次，对测量得到的100组基波分量基波分量基波分量和基波分量进行平均 处理，分别得到和

将和归一化为A＝U₀/U_1f0。 

6)构建李萨如图： 

根据和构建所述正常变压器的李萨如图。 

根据和构建所述待测变压器的李萨如图。 

7)提取所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值。 

8)对所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值进行对比分析。 

值得说明的是，实施例中， 

采用饼间变化、轴心偏移、匝间短路作为判别标准： 

①待测变压器与正常变压器(健康绕组)相比，若李萨如图长轴变化低于1％，则为待测变压器绕组发生匝间短路故障； 

②待测变压器与正常变压器(健康绕组)相比，若李萨如图短轴变化低于8％，则为待测变压器绕组发生饼间间距变化故障； 

③待测变压器与正常变压器(健康绕组)相比，若李萨如图斜率变化低于2％，则为待测变压器绕组发生为轴心偏移绕组。 

进一步地，本实施例中，步骤1)和2)所用到的测量系统可以采用如图7和图8所示的基于李萨如图分析法的变压器工频信号传感器系统，以得到更为精确的结果。该系统包括互感器和信号处理电路。所述互感器用于采集变压器的电压或电流。所述互感器与安装在现有的电力变压器自身上的电压传感器(PT)和电流传感器(CT)相配合。具体地，当所述互感器为微型电压互感器时，其型号为SKPT100 100V/1.73V(精度为0.1级的引针式电压互感器，额定工作电压为100V，额定工作频率为50-400Hz，变比100V：1.73V。)，包括两个输入端口和两个输出端口。电压互感器的输入端口输入电压传感器(PT)采集到的信号、输出端口与信号处理电路连接。当所述互感器为微型电流互感器时，其型号为HLX1 5A/2.5mA 0.05 20Ω(精度为0.1级的引针式电流传感器，变比5A:2.5mA，二次额定负载24Ω)，包括一个输入端口、两个输出端口和两个固定端口。 电流互感器的输入端口输入电流传感器(CT)采集到的信号、输出端口与信号处理电路连接。 

所述信号处理电路包括两个输入端和一个输出端。 

所述信号处理电路的两个输入端与所述互感器的输出端连接。 

所述信号处理电路的第一输入端依次串联第一电阻R1、第三电阻R3和第四电阻R4后接地。 

所述信号处理电路的第二输入端依次串联第二电阻R2、第五电阻R5和第六电阻R6后，连接在第一集成运放的输出端。 

第一电容C1的一端连接在第一电阻R1和第三电阻R3之间、另一端连接第二电容C2。所述第二电容C2一端连接在第二电阻R2和第五电阻R5之间、另一端连接第一电容C1。所述第一电容C1和第二电容C2之间接地。 

所述第一集成运放的同向输入端连接在第三电阻R3和第四电阻R4之间。所述第一集成运放的反向输入端连接在第五电阻R5和第六电阻R6之间。 

所述第一集成运放的输出端依次串联第七电阻R7和第八电阻R8后，连接在第二集成运放的同向输入端。 

所述第二集成运放的反向输入端依次串联第十电阻R10和第四电容C4后，连接在第七电阻R7和第八电阻R8之间。 

所述第二集成运放的反向输入端还与第九电阻R9的一端连接。所述第九电阻R9的另一端串联第三电容C3后，连接在所述第一集成运放的输出端。所述第二集成运放的输出端连接在第九电阻R9与第三电容C3之间。 

所述第二集成运放的输出端即是所述信号处理电路的输出端。 

实施例中，所述第一集成运放和第二集成运放均为OP07芯片。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性(双电源供电)运算放大器集成电路。 

本发明能够有效抑制共模干扰，并把差分信号转换为单端信号，同时滤除工频基波以外的谐波信号，并把信号幅值调整为2.5V，其元件参数满足R₁＝R₂＝R₃＝R₄、R₅C₁＝R₆C₂＝0.0016。当所述互感器为微型电压互感器时，若放大倍数为1.02，则需满足条件R₈/R₇＝0.02。当所述互感器为微型电流互感器时，若放大倍数为29.46，则需满足条 件R₈/R₇＝28.46。 

Claims (1)

1.基于李萨如特性在线监测电力变压器绕组变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对负载为Z_L的正常变压器的输入端加上输入电压后，测量正常变压器在线输出电压输入电流和输出电流

2)对负载为Z_L'的待测变压器的输入端加上输入电压后，测量待测变压器在线输出电压输入电流和输出电流其中： $\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}=\stackrel{\·}{U_1};$

3)对输出电流进行修正，获得修正后的输出电流

$\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}}=\stackrel{\·}{I_{21}}+I_{21}\frac{U_{1d}}{U_1}\∠\mathrm{\α}-I_{21}\frac{{\mathrm{KU}}_{2d}}{U_1}\∠(\mathrm{\β}+\mathrm{\ψ}),$

其中： $\stackrel{\·}{I_{21}}=I_{21}\∠\mathrm{\θ},\stackrel{\·}{U_{1d}}=\stackrel{\·}{{U_1}^{\′}}-\stackrel{\·}{U_1},\stackrel{\·}{U_{2d}}=\stackrel{\·}{{U_2}^{\′}}-Z_L\stackrel{\·}{{I_2}^{\′}},K=\frac{{I_2}^{\′}}{{I_1}^{\′}},$ 的相位为θ、与之间的夹角为α、与之间的夹角为β、与之间的夹角为ψ；

4)对数据进行处理：

通过FFT算法提取输入电压的基波分量输入电压的基波分量输出电流的基波分量和修正后的输出电流的基波分量

5)对获得的若干个基波分量基波分量基波分量和基波分量进行平均处理，分别得到和

将和归一化为A＝U₀/U_1f0；

构建李萨如图：

根据和构建所述正常变压器的李萨如图；

根据和构建所述待测变压器的李萨如图；

6)提取所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值；

7)对所述正常变压器的李萨如图和待测变压器的李萨如图的特征值进行对比分析。