CN104267252B - 一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压的解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压解耦方法。利用电容传感器测量变压器线圈暂态电压时，由于临近线圈耦合作用，造成测量结果不准确。测量数据需要作解耦处理。该解耦方法包含以下几个步骤：搭建变压器线圈等尺寸模型、实验获得耦合系数矩阵、利用电容传感器阵列测量数据、求解线性方程组获得线圈各饼暂态电压分布。

Description

一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压的解耦方法

技术领域：

本发明属于电力变压器暂态电压测量技术领域，特别涉及一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压的解耦方法。

背景技术：

电力变压器暂态电压的测量方法目前多采用直接法，需要破坏绕组的绝缘结构。利用电容传感器的非接触式测量方法可实现变压器线圈暂态过程无介入测量，然而利用电容传感器测量时，由于电容传感器感应电极与临近变压器线饼之间也会存在耦合电容，因此单个传感器测量到的电压信号是多个线饼上电压信号的耦合结果。考虑到变压器线圈的实际尺寸，可以忽略电磁脉冲从不同线饼到感应电极传播时间差，即可认为传感器测量信号为不同线饼电压的加权和。

发明内容：

基于上述问题，本发明提出一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压的解耦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S100对变压器线圈首端施加脉冲电压，使用电容传感器阵列测量变压器线圈不同线饼的电压；

S200根据目标变压器线圈的尺寸，搭建等效绕组模型确定电容传感器阵列对变压器线圈不同线饼的耦合系数；

S300利用数学方法处理数据，获得变压器线圈不同线饼的电压。

附图说明：

图1为变压器线圈暂态电压测量系统示意图；其中，Z表示测量电缆的波阻抗.

图2为电容传感器等效测量电路；其中，U_n表示第n根变压器线匝上的电压信号，C_m，n表示第m个电容传感器的感应电极和第n根变压器线匝之间的杂散电容，C_m表示第m个电容传感器的低压臂电容，V_m表示第m个传感器最终的输出电压信号.

图3为变压器线圈等效模型示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及实例进一步阐述本发明内容。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1

如图3所示，按照目标电力变压器线圈的尺寸，搭建等效绕组模型；等效绕组模型中变压器线匝采用与待测变压器线圈相同的线匝；例如使用包有绝缘纸的扁铜线。等效绕组中变压器线匝的安装骨架采用绝缘材料制成；等效绕组模型中变压器的线匝位于同一竖直平面，所述线匝之间平行放置，同时相邻线匝间距离与实际的目标变压器线圈相同；

等效绕组模型中的电容传感器与线匝放置于同一绝缘骨架上，同时在整个测量过程中保证两者的相对距离不变。所述电容传感器安装于接地金属板上，电容传感器包括有感应电极，所述感应电极一侧朝向平行线匝；

利用等效绕组模型确定耦合系数：在等效绕组模型中对每根线匝依次施加1kV工频交流电压，利用电容传感器测量相应的电压幅值，测量的电压幅值与施加电压值的比值即为对应的线匝在传感器上的耦合系数。对每根线匝都进行测量便得到耦合系数矩阵A；所得耦合系数矩阵为带状稀疏矩阵，且为对称矩阵；

如图1所示利用电容传感器阵列测量变压器线圈在观察脉冲下的电压信号，脉冲源通过锥形变阻抗传输线施加到待测变压器线圈首端，然后利用传感器阵列测量线圈不同位置处的电压信号，传感器阵列中传感器数目与变压器线饼的数目相同。每个传感器后端连接测量频带拓展电路，最终传感器测量回路的频带为0.1Hz～130MHz；所述频带拓展电路由电压跟随器组成，用于拓展电容传感器待测量回路的下限频率；

所述电压跟随器由高速运算放大器和电阻组成。

利用传感器测量数据获得变压器线圈各线饼电压。设电容传感器获得的电压矩阵为，而相应的变压器线圈线饼电压为，前面测量得到的耦合系数矩阵为A；其满足如下关系：

从而可以利用下式获得变压器线饼电压

由于耦合系数矩阵A为一带状稀疏矩阵，求解方程组时可采用简化方法，如追赶法。

优选的，本发明所采用测量方法的测量绝对误差可以表示为：其中a′_ki表示逆矩阵A^-1的元素；

其相对误差可近似表示为

其中耦合系数矩阵的测量误差主要是由搭建等效绕组模型时的测量误差引起的，而传感器输出测量信号的误差主要由传感器测量系统和测量装置引起的误差。耦合系数测量引起的相对误差为0.01，测量传感器输出电压的相对误差为0.01，带状稀疏矩阵的半带宽为1，则对应的系统测量相对误差为0.024。

实施例2

如图1所示，图中变压器线圈内带铁芯，线圈首端接脉冲电压发生器，末端接地。电容传感器放置在线圈外壳上，传感器的数目与线圈饼数相同。传感器水平位置与对应饼平行，竖直方向在同一面内。电容传感器阵列外接信号采集系统。

实施例3

如图2所示，测量时利用电容传感器的感应电极和变压器线圈之间的耦合电压与传感器感应电极和地电极之间的耦合电容组成的电容分压器测量变压器线圈线饼电压。由于耦合电极和多个线圈线饼之间均存在耦合电容，所以应对测量数据进行解耦处理。

实施例4

见图3，图中变压器线匝平行放置，间隔距离与实际变压器中相同，耦合电容传感器线匝正对放置。电容传感器感应电极与中间线匝处在同一水平面内。电容传感器采用Q9头输出信号，后级为信号处理单元。所述的电容传感器阵列中传感器数目与变压器线饼数目相同，且传感器安装位置与相应线饼位置在同一水平面。

所述的每个电容传感器后级都具有频带拓展电路，使得电容传感器测量电路的频带为0.1Hz～130MHz，因此电容传感器可测量宽频带的电压脉冲信号。

所述的变压器等尺寸模型中导线采用变压器线圈同规格扁铜线，同时外部包裹相同厚度的绝缘纸。导线放置骨架采用绝缘材料制成，优选的采用木质框架或有机玻璃框架；

上述的导线在同一竖直平面内，水平方向平行放置，同时竖直方向距离与实际变压器线圈中距离相同；

上述的电容传感器与导线放置于同一绝缘骨架上，保证两者的相对距离不变。电容传感器安装于接地金属板上，感应电极一侧朝向平行导线。电容传感器所在平面与平行导线所在平面平行，同时电容传感器中心线与导线中心线在同一水平面内；

上述实验模型中各组成部分的相对位置在整个实验过程中保持固定不变，保证测量前后状态的一致；

确定耦合系数步骤：

确定实验波形时主要考虑电容传感器的可测范围、电容传感器受干扰程度、电压产生装置的一致性。考虑到以上几个因素，本发明采用的电压波形为50Hz交流电压，电压幅值选为1kV；

依次在绕组模型的导线上施加相同幅值的交流电压，同时依次记录电容传感器所测电压幅值。随后利用这两组数据的比值获得相应导线对电容传感器的耦合系数。例如对上侧第三根绕组施加1kV交流电压，电容传感器能够测量到10V电压信号，则第三饼对应的耦合系数为0.01。由于当线匝到传感器距离很远时，对应的耦合系数会很小。与测量环境内的干扰信号在同一量级，所以此时的耦合系数可以认为为0。利用上述方法获得一耦合系数矩阵A。该矩阵行数与列数相同，表示变压器线圈线饼的数目。矩阵内的元素a_n，m表示第m个线饼对第n个传感器的耦合系数。例如在实验室条件下，搭建的110kV变压器线圈的耦合系数为：

对应的耦合系数矩阵A为：

实施例5

如实施例1和实施例4中的等尺寸绕组模型中变压器导线可采用规格为3*10mm扁铜线，扁铜线外部绕有一定厚度的绝缘纸，绕制时采用1/2压边。

实施例6

如实施例1和实施例4中耦合系数矩阵A的行数和列数相等，均表示实际待测变压器线圈的饼数；

本发明的实施方式是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.一种用电容传感器测量变压器线圈暂态电压的解耦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤S100，对变压器线圈首端施加脉冲电压，使用电容传感器阵列测量变压器线圈不同线饼的电压，其中，电容传感器和对应的线饼共面，所述电容传感器后端连接频带拓展电路，所述频带拓展电路由电压跟随器组成，用于拓展电容传感器待测量回路的下限频率，所述电压跟随器由高速运算放大器和电阻组成；

步骤S200，根据目标变压器线圈的尺寸，搭建等效绕组模型确定电容传感器阵列对变压器线圈不同线饼的耦合系数，所述等效绕组模型由变压器线匝、电容传感器、安装骨架和接地金属板组成，所述等效绕组模型中的电容传感器与变压器线匝放置于同一安装骨架上，同时在整个测量过程中保证两者的相对距离不变，所述等效绕组模型中变压器线匝使用包有绝缘纸的扁铜线制成，所述安装骨架采用绝缘材料制成，对等效绕组模型中每根变压器线匝依次施加1kV工频交流电压，利用电容传感器测量相应的电压幅值，测量的电压幅值与施加电压值的比值即为对应的变压器线匝在传感器上的耦合系数；对每根线匝都利用电容传感器进行测量便得到耦合系数矩阵A；所得到的耦合系数矩阵为带状稀疏矩阵，且为对称矩阵，等效绕组模型中所采用测量方法的绝对误差为：其中Δu_k表示绕组第k饼电压信号的绝对误差，a′_ki表示逆矩阵A^-1中第k行第i列对应元素，Δa_ki表示逆矩阵A^-1中第k行第i列对应元素的绝对误差，V_i表示第i个传感器所测量的电压信号，ΔV_i表示第i个传感器所测量电压信号的绝对误差，N表示电容传感器和绕组线饼的数目，

等效绕组模型中所采用测量方法的相对误差为其中表示电压信号u_k的相对误差，表示由a′_ki造成的相对误差，表示由V_i造成的相对误差；

步骤S300，利用数学方法处理数据，获得变压器线圈不同线饼的电压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述电容传感器阵列安装在变压器线圈的接地外壳上，电容传感器阵列中电容传感器的数目与被测变压器线圈线饼的数目相同，且一一对应。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述变压器线匝采用与待测变压器线圈相同材料的线匝；

所述变压器线匝位于同一竖直平面，所述变压器线匝之间平行放置，同时相邻线匝间距离与实际的待测变压器线圈之间的距离相同。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述等效绕组模型中的电容传感器安装于接地金属板上，所述等效绕组模型中的电容传感器包括有感应电极，所述感应电极一侧朝向变压器线匝。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S100中使用电容传感器阵列测量变压器线圈不同线饼的电压组成电压矩阵为V，绕组每个线饼电压矩阵U可通过求解以下方程获得：U＝A^-1V。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S300中的所述数学方法采用追赶法。