CN110568302A - 一种变压器匝间故障检测方法及装置 - Google Patents

一种变压器匝间故障检测方法及装置 Download PDF

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夏红军
徐红艳
陈�峰
董强
张旭峰
史正方
沈峰强
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Abstract

本申请公开了一种变压器匝间故障检测方法及装置，该方法包括：首先将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；然后把印刷好的各组传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组传感器相对于穿过变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；最后判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定变压器未发生匝间故障；若否，则判定变压器发生匝间故障。本申请提供的上述变压器匝间故障检测方法简便、安全、有效，为电力设备选型和继电保护整定提供了理论依据。

Description

一种变压器匝间故障检测方法及装置
技术领域
本发明涉及变压器故障检测领域，特别是涉及一种变压器匝间故障检测方法及装置。
背景技术
电力变压器是电力系统中的昂贵设备，其意外停电可能导致电力供应的完全中断和重大经济损失。因此，开发能够在线分析和评估变压器内部状态的方法是变压器监测和诊断行业追求的目标之一。变压器的内部故障通常只有几匝，虽然短路匝中的电流幅值较大，但变压器端电流变化与额定值相比较小。这表明需要具有高灵敏度和高速度的保护系统。对多年来发生的变压器故障记录研究表明，故障总数的70％～80％起因于内部绕组绝缘故障。如果故障未检测到，这些匝间故障通常会演变为更加难以修复的变压器铁芯接地故障。或者，匝间故障会在电力变压器油箱内产生电弧，在差动继电器触发之前造成大量损坏，甚至造成变压器爆炸。
目前，基于绕组异常检测技术的频率响应分析(Frequency Response Analyzer，简称FRA)是最灵敏的绕组异常检测方法。然而，外部噪声和测量条件对结果影响很大。并且，FRA技术存在设备特性，检测标准仅适用于变压器的离线运行状态。基于匝间故障磁化电流在线检测方法可以识别1匝和2匝故障的情况，但该技术仅适用于空载和轻载，如10％满载功率的情况。励磁涌流和频分多路复用也常用来检测匝间短路，然而，这些技术需要离线运行，这就要求变压器与电力系统网络断开。基于星形绕组变压器中性电流的匝间故障检测可以识别低至4线圈故障，但该技术仅适用于一次侧星形绕组变压器，很少用于配电系统。对于励磁涌流目前多采用基于差动电流中二次谐波与基波比例进行判别，然而该方法在某些情况下，不能防止误操作，可能带来灾难性的后果。对于轻微的匝间故障，差动电流中励磁涌流占主要部分，而匝间短路电流仅占一小部分，并且二次谐波判据会闭锁继电器几秒钟。而如果匝间故障持续时间超过一定时间，由内部电弧燃烧产生的气体可能会导致变压器油箱爆炸。
因此，如何简单有效且安全地检测出变压器的匝间故障，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变压器匝间故障检测方法及装置，可以简便、安全、有效地检测出匝间故障。其具体方案如下：
一种变压器匝间故障检测方法，包括：
将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
把印刷好的各组所述传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组所述传感器相对于穿过所述变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称；
若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，所述变压器包括从内向外布置的铁芯、第一绝缘层、低压绕组、第二绝缘层和高压绕组；其中，
所述传感器具体安装在所述变压器的铁芯和第一绝缘层之间的空间内。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，所述传感器是由同心矩形螺旋线圈而形成的。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量成正比。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
其中，E表示所述传感器产生的感应电压，N表示所述传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离，/Δt表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称，具体包括：
在所述变压器工作时，测量每组所述传感器产生的感应电压总和；
判断各所述感应电压总和是否均为0；或，判断各所述感应电压总和之和是否为0。
本发明实施例还提供了一种变压器匝间故障检测装置，包括：
印刷单元，用于将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
安装单元，用于把印刷好的各组所述传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组所述传感器相对于穿过所述变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
判断单元，用于判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，所述传感器是由同心矩形螺旋线圈而形成的。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
其中，E表示所述传感器产生的感应电压，N表示所述传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离，/Δt表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
优选地，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，所述判断单元具体用于在所述变压器工作时，测量每组所述传感器产生的感应电压总和；判断各所述感应电压总和是否均为0；或，判断各所述感应电压总和之和是否为0；若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种变压器匝间故障检测方法及装置，该方法包括：首先将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；然后把印刷好的各组传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组传感器相对于穿过变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；最后判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定变压器未发生匝间故障；若否，则判定变压器发生匝间故障。
本申请提供的上述变压器匝间故障检测方法中以非侵入的方式在变压器内部加入了多个对称安装的传感器，该传感器可以尽可能的放大漏磁通，通过检测漏磁通分布的对称性，就可以检测到变压器是否发生匝间故障，此方法简便、安全、有效，为电力设备选型和继电保护整定提供了理论依据。
附图说明
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的变压器匝间故障检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的变压器正常情况下漏磁通的分布原理图；
图3为本发明实施例提供的内部安装有传感器的变压器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的传感器的模型示意图；
图5为本发明实施例提供的各传感器之间的连接关系图。
具体实施方式
在电力变压器中，一次绕组产生的所有磁通都不能通过二次绕组。而一些磁通会离开铁芯进入空气，但这些磁通不会在变压器一、二次绕组间建立联系，这部分磁通即为漏磁通，其大小主要取决于主磁路与漏磁路磁阻间的比率。从变压器的物理角度分析磁通行为，在绕组中的匝间故障发生后首先倾向于改变故障部分中的磁芯通量，因此磁通量在匝间故障检测中发挥着比端电压/电流更重要的作用，漏磁通是具有更高优先级的检测变量。本发明实施例提供的变压器匝间故障检测方法正是基于漏磁通实现的。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种变压器匝间故障检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
S102、把印刷好的各组传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组传感器相对于穿过变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
S103、判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称；
若是，则执行步骤S104；若否，则执行步骤S105；
S104、判定变压器未发生匝间故障；
S105、判定变压器发生匝间故障。
值得注意的是，在不破坏已制造完成的变压器的基础上，以非侵入的方式在变压器内部加入了多个传感器，可以是偶数个，也可以是奇数个。
如图2所示，正常工作的变压器中，漏磁通线在线圈末端弯曲，几乎平行于绕组轴线流过空气，且漏磁通线具有水平对称轴，该水平对称轴穿过变压器的铁芯中心，其中BL为铁芯漏磁通值，Bmax为漏磁通最大值。本发明安装在变压器内的多个传感器需相同且对称安装，例如：每组只安装两个传感器，这两个传感器相对于水平对称轴呈对称安装，或，每组只安装三个竖直排列的传感器，第一个传感器和第三个传感器相对于水平对称轴呈对称安装，第二个传感器安装在水平对称轴上，以此类推；安装的传感器可以尽可能的放大漏磁通，然后通过检测漏磁通分布的对称性，就可以检测到变压器是否发生匝间故障，此方法简便、安全、有效，为电力设备选型和继电保护整定提供了理论依据。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，如图3所示，变压器包括从内向外布置的铁芯、第一绝缘层、低压绕组、第二绝缘层和高压绕组；其中，传感器可以以非侵入性的方式具体安装在变压器的铁芯和第一绝缘层之间的空间内。由于传感器安装在接地铁芯附近，因此它们在瞬态高压下是安全的，并且可以灵敏地检测到漏磁通各种微小的变化。
为了保证灵敏性，传感器应能尽可能的放大漏磁通，但变压器的安装空间不允许使用过大的传感器，因此，如图4所示，本发明实施例提供的传感器可以是由同心矩形螺旋线圈形成的。
假设传感器位于磁通密度为B的均匀磁场中，通过传感器中每个线圈的磁通量为：
其中，表示通过面积为Aj的第j个线圈的磁通量，N表示传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离。
传感器中的总磁通为：
其中，Neq为传感器的等效匝数，也即漏磁通放大倍数，Aeq为含有N匝线圈的传感器的等效面积，E表示传感器产生的感应电压，/Δt表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
当N、ws、ls和d是固定值时，Neq也是固定值，因此传感器产生的感应电压与穿过传感器的漏磁通变化量成正比。
具体地，传感器产生的感应电压与穿过传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
若有两个传感器相同且对称安装，漏磁通将在两个传感器中产生幅值相等、极性相反的电动势；当变压器内部发生一匝或几匝的短路(或绕组变形)时，就会失去这种对称性，因此可以通过测量安装的传感器中产生的感应电压来检测是否发生匝间故障。
在实际应用中，如图5所示，将传感器五个一组的印刷在PCB上，每个传感器中的感应电压与穿过该传感器的漏磁通变化量成正比。正常情况下漏磁通沿磁芯以对称的形式分布，若发生外部短路只会引起绕组中电流和传感器中漏磁通增大，不会干扰漏磁通的对称分布。图5中对称传感器1号和5号(或2号和4号)的感应电压幅值相等、极性相反，可以得出如下结论：
Es1+Es5＝0&Es2+Es4＝0 (5)
3号传感器安装在水平对称轴上，在正常情况下，这个传感器的感应电压可以忽略不计。采用如下评判准则表征x相的漏磁通分布不对称水平：
∑Ex＝ES1x+ES2x+ES3x+ES4x+ES5x|x＝A,B,C≈0 (6)
除了水平对称轴上之外，其他任何位置发生匝间故障都将使∑Ex增大。此时通过判断∑Ex是否为0，就可以推断出是否发生匝间故障。
另外，通过三相∑Ex的总和可以得到综合判据Esum，该判据在正常情况下为0，如下，
Esum＝∑EA+∑EB+∑EC≈0 (7)
当变压器发生匝间故障，漏磁通分布平衡遭到破坏，Esum的值将超过零。此时，通过比较三相的∑Ex之和也可以识别故障相。
综上，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测方法中，步骤S103判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称，具体可以包括：在变压器工作时，测量每组传感器产生的感应电压总和；判断各感应电压总和是否均为0；或，判断各感应电压总和之和是否为0。
需要说明的是，为了应对变压器投运过程的励磁涌流和过励磁情况，对某一样品变压器可以进行多次启动投运实验，测量励磁涌流最严重情况下Esum的基频分量最大值Emaxic；在样品变压器低压侧施加15％的过电压，测定该情况下出现的Esum最大值Emaxof。将Emaxic和Emaxof作为阈值判据，当Esum>max[Emaxic,Emaxof]时，即认为出现了匝间故障。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种变压器匝间故障检测装置，由于该变压器匝间故障检测装置解决问题的原理与前述一种变压器匝间故障检测方法相似，因此该变压器匝间故障检测装置的实施可以参见变压器匝间故障检测方法的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，本发明实施例提供的变压器匝间故障检测装置，具体包括：
印刷单元，用于将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
安装单元，用于把印刷好的各组传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组传感器相对于穿过变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
判断单元，用于判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定变压器未发生匝间故障；若否，则判定变压器发生匝间故障。
在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，可以通过上述三个单元的相互作用，可以简单有效且安全地检测出变压器的匝间故障，为电力设备选型和继电保护整定提供了理论依据。
关于上述各个单元更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，传感器可以是由同心矩形螺旋线圈而形成的，并且以非侵入性的方式具体安装在变压器的铁芯和第一绝缘层之间的空间内，一方面保证灵敏性，另一方面保证漏磁通的放大。
经推导，传感器产生的感应电压与穿过传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
其中，E表示传感器产生的感应电压，N表示传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离，/Δt表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
从上式可得知传感器产生的感应电压与穿过传感器的漏磁通变化量之间成正比关系，漏磁通将在两个相同且对称安装的传感器中产生幅值相等、极性相反的电动势，当变压器内部发生一匝或几匝的短路(或绕组变形)时，就会失去这种对称性，因此可以通过测量安装的传感器中产生的感应电压来检测出是否发生匝间故障。
具体地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述变压器匝间故障检测装置中，判断单元具体可以用于在变压器工作时，测量每组传感器产生的感应电压总和；判断各感应电压总和是否均为0；或，判断各感应电压总和之和是否为0；若是，则判定变压器未发生匝间故障；若否，则判定变压器发生匝间故障。
本发明实施例提供的一种变压器匝间故障检测方法及装置，包括：首先将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；然后把印刷好的各组传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组传感器相对于穿过变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；最后判断变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定变压器未发生匝间故障；若否，则判定变压器发生匝间故障。这样以非侵入的方式在变压器内部加入多个对称安装的传感器，尽可能的放大漏磁通，通过检测漏磁通分布的对称性，就可以检测到变压器是否发生匝间故障，此方法简便、安全、有效，为电力设备选型和继电保护整定提供了理论依据。
最后，还需要说明的是，在本文中，关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的变压器匝间故障检测方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种变压器匝间故障检测方法，其特征在于，包括：
将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
把印刷好的各组所述传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组所述传感器相对于穿过所述变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称；
若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
2.根据权利要求1所述的变压器匝间故障检测方法，其特征在于，所述变压器包括从内向外布置的铁芯、第一绝缘层、低压绕组、第二绝缘层和高压绕组；其中，
所述传感器具体安装在所述变压器的铁芯和第一绝缘层之间的空间内。
3.根据权利要求2所述的变压器匝间故障检测方法，其特征在于，所述传感器是由同心矩形螺旋线圈而形成的。
4.根据权利要求3所述的变压器匝间故障检测方法，其特征在于，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量成正比。
5.根据权利要求4所述的变压器匝间故障检测方法，其特征在于，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
其中，E表示所述传感器产生的感应电压，N表示所述传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离，表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
6.根据权利要求5所述的变压器匝间故障检测方法，其特征在于，判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称，具体包括：
在所述变压器工作时，测量每组所述传感器产生的感应电压总和；
判断各所述感应电压总和是否均为0；或，判断各所述感应电压总和之和是否为0。
7.一种变压器匝间故障检测装置，其特征在于，包括：
印刷单元，用于将至少两个传感器为一组印刷在PCB上；
安装单元，用于把印刷好的各组所述传感器以非侵入式安装在变压器内部空间，且每组所述传感器相对于穿过所述变压器铁芯中心的水平对称轴呈对称安装；
判断单元，用于判断所述变压器工作时的漏磁通分布是否对称；若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
8.根据权利要求7所述的变压器匝间故障检测装置，其特征在于，所述传感器是由同心矩形螺旋线圈而形成的。
9.根据权利要求8所述的变压器匝间故障检测装置，其特征在于，所述传感器产生的感应电压与穿过所述传感器的漏磁通变化量之间的关系如下：
其中，E表示所述传感器产生的感应电压，N表示所述传感器的线圈匝数，ws和ls分别表示最外层线圈的宽和长，d/2表示两线圈间的距离，表示含有N匝线圈传感器在Δt时间内的漏磁通变化量。
10.根据权利要求9所述的变压器匝间故障检测装置，其特征在于，所述判断单元具体用于在所述变压器工作时，测量每组所述传感器产生的感应电压总和；判断各所述感应电压总和是否均为0；或，判断各所述感应电压总和之和是否为0；若是，则判定所述变压器未发生匝间故障；若否，则判定所述变压器发生匝间故障。
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