CN110646754A - 一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法及系统，解决了变压器剩磁检测设备要求高、检测环境要求高，检测结果准确度不高，通用性差的问题。本发明方法采用交流电源输出小信号电压，电压信号为幅值固定，频率随时间变化的扫频信号。扫频信号由被测变压器的高压绕组输入，在低压绕组测量响应信号，通过计算即可得到变压器的传递函数，进而得到其在扫频正弦信号下的幅频响应特性。当变压器铁心存在剩磁，在一定的频率范围内，幅频响应曲线会发生明显的变化，通过与无剩磁状态下的基准幅频响应曲线比较，通过曲线的比较，即可直观的判断出变压器铁心是否存在剩磁。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备检测技术领域，尤其涉及一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法及系统。
背景技术
剩磁：铁磁材料被极化后，在去掉外磁场后，磁畴的排列不会恢复到原始状态，初始随机排列不存在，铁磁材料对外依旧会显示出磁性，这种B的变化滞后于H的变化的现象称为铁磁材料的磁滞特性。当H减小到零时，对应的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示。剩磁的国际单位为T(特斯拉)，电磁单位为Gs(高斯)，换算关系为1T＝10000Gs。
磁滞回线：对于铁磁材料，磁感应强度于磁场强度的关系可用曲线表示，磁感应强度的变化滞后于磁场强度，当磁化磁场周期性变化时，磁感应强度于磁场强度的关系是一条闭合曲线，称为磁滞回线，磁滞回线说明，铁磁材料的磁化过程是不可逆的。
变压器的铁芯由冷轧硅钢片叠装而成，硅钢片是一种磁导率较高，矫顽力较小的铁磁材料。在对变压器进行直流绕组测试等试验后，由于铁心铁磁材料的磁滞效应，在变压器的铁心中会存在一定的剩磁。当变压器投入运行时，铁心剩磁会加速变压器的饱和，产生一个数值达正常稳态运行电流几倍甚至几十倍的励磁涌流，使变压器纵差动保护误动作，导致变压器不能正常投运。此外，励磁涌流也会对电气设备造成极大的危害，威胁电网的安全稳定运行。剩磁使铁心半周饱和，产生大量的偶次谐波，影响电网的电能质量，增加变压器的无功损耗。剩磁还会使变压器的震动声音变大，对变压器的结构产生危害，缩短变压器的大修周期。
基于上述变压器剩磁导致的危害，在变压器试验后或投运前进行剩磁检测有必要进行铁心剩磁的检测与消除。
随着电力系统的发展，输电等级越来越高，对电力系统的安全稳定运行也有了更高的要求。大量的高压大容量变压器投入运行，变压器铁心的剩磁检测与去磁技术被国家电网公司重点关注，以确保电网的安全稳定运行，实现三型两网。世界一流的战略目标。
目前，变压器铁心的剩磁检测主要有下述几种方法：(1)空载电流法，比较消磁前后空载电流的大小。(2)根据励磁电流的波形判断，励磁电流波形上下对称，无偶次谐波分量。(3)在电压上升和下降过程中，同一电压下的励磁电流相同。(4)根据空载合闸后的电流波形，寻找铁心饱和时刻，对剩磁进行估算。其中，方法(1)比较消磁前后空载电流大小的方法，当变压器铁心存在剩磁时，在消磁后对进行与消磁前同一电压等级的空载试验，若空载电流变小，说明消磁过程对变压器进行了去磁，但此时并不能说明，变压器是否还存在剩磁。当变压器铁心不存在剩磁时，在消磁后，空载电流有可能变大，失去了剩磁检测的意义。而方法(2)与方法(3)都是在较高的交流电压下才能体现剩磁检测的作用，当电压低于额定电压的1％时，是否存在剩磁不能从励磁电流的波形看出。另外，通过电压的上升及下降来检测剩磁这一方法，不具有可重复性。
综上所述，以上几种变压器铁心剩磁检测方法对环境、设备等客观因素要求不尽相同，或是只能在特定的环境下进行，通用性较差。
发明内容
为了解决变压器剩磁检测设备要求高、检测环境要求高，检测结果准确度不高，通用性差的问题，本发明提供了一种基于变压器频率响应的变压器剩磁检测方法及系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：通过数字频响分析仪，产生小信号正弦电压，设置扫频的范围为10Hz-10MHz；把获取的扫频信号注入到无剩磁的变压器的高压绕组侧，并在变压器的低压绕组侧对响应信号进行采集；
步骤2：根据步骤1输入的小信号正弦电压及响应信号，实时传输至电脑端，对输入信号的频率及电压幅值进行实时监测，并计算输入与输出网络间的传递函数，绘制出基准幅频响应特性曲线；
步骤3：对待进行剩磁检测的变压器，重复执行步骤1及步骤2中的信号注入、信号采集、幅频响应特性曲线绘制，绘制基于测量变压器幅频响应特性曲线；
步骤4：进行基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线的比较分析，观察被测量变压器的幅频特性曲线在一定的频率范围内，波形是否发生了明显变化，当基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线相比，若出现明显的偏移时，认为测量变压器存在剩磁。
工作原理是：基于现有的变压器剩磁检测设备要求高、检测环境要求高，检测结果准确度不高的问题，本发明采用上述方案当频率较高时，变压器绕组可视为一个由电容、电感、电阻等分布参数构成的线性无源双端口网络，这个二端口网络的传递函数与网络内部状态密切相关，当变压器的铁心存在剩磁时，其传递函数会发生相应的变化，这个网络的频率响应特性也会发生变化。因此，本发明利用变压器的频率响应特性，采用了将变压器的剩磁检测方法采用上述步骤，注入正弦扫频小信号电压，对响应信号进行采集，利用变压器的频响特性，获得频率响应曲线，通过幅频响应特性的比较，即可判断是否存在剩磁。本发明检测方法直观、简便，提高了变压器剩磁检测的准确性，同时解决了变压器剩磁检测对检测设备要求高，对检测环境要求高的，只能特定环境下检测的问题。
进一步地，所述变压器为单相变压器或三相变压器中的一相。
进一步地，对于三相变压器，可采取分相进行剩磁分析，将每相对应绕组分别视为一个单相变压器，三相分体变压器视为三个独立变压器进行剩磁检测。
进一步地，对于三相变压器，采用相间注入、相间测量的方式，并选定注入端及测量端，重复步骤1～4。
进一步地，选定接线方式后，在正常测试时保证固定的接线方式，以此避免接线方式的改变造成频率响应曲线的重复性差异。
进一步地，对于单相变压器，低压侧电压等级为250V，高压侧电压等级为100kV。
进一步地，对于待测量变压器扫频信号的注入方式与获取的基准幅频响应特性曲线所对应变压器的注入方式一致。
一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统，该系统支持上述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，该系统包括数字频响分析仪、变压器和电脑端，所述数字频响分析仪，用于产生小信号正弦电压，并通过输入单元连接所述变压器的高压绕组侧作为信号输入端；所述变压器的低压绕组侧作为信号测量端，对响应信号通过检测单元进行采集并传送给所述数字频响分析仪，并实时传输至电脑端进行分析。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，将正弦扫描小信号电压注入被测变压器，若存在剩磁，通过频响曲线，能准确的判断出铁心有剩磁，如无剩磁，这一小信号电压，也不会对变压器产生影响；
2、本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，适用于各电压等级的单相、三相变压器，有一定的通用性；本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统的检测设备便携，易于操作，接线简单，适合在实验室及现场环境使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法流程图。
图2为本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统接线图(即实施例1中变压器铁心检测接线示意图)
图3为本发明实施例1中剩磁检测结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图3所示，本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，所述检测方法包括注入正弦扫频小信号电压，对响应信号进行采集，利用变压器的频响特性，获得频率响应曲线，通过幅频响应特性的比较，判断是否存在剩磁，解决了剩磁检测对环境、设备、要求高的问题，操作简单，接线方便。
在本实施例中，结合说明书附图说明一种基于变压器频率响应的变压器剩磁检测方法，具体实施方式如下：
(1)如图2所示，本实施例中选用的变压器为单相试验变压器，低压侧电压等级为250V，高压侧电压等级为100kV。将数字频响分析仪产生的幅值为3.5V的小信号正弦电压，注入到不含剩磁的变压器的高压端，同时对输入信号的频率及电压幅值进行实时监测。在变压器绕组的低压端对响应信号进行测量并采集。采集的输出信号及响应信号均传输至数字频响分析仪，数字频响分析仪通过USB线与电脑连接。
(2)按步骤(1)中连接好测试线，设置扫频范围为10Hz-10MHz，即可开始测试，数字频响分析仪对变压器的高压端输入频率逐渐上升的正弦小信号电压。采集的输入与相应信号，实时传输到电脑端。
(3)在电脑端，对由数字频响分析仪传入的输入及响应信号进行实时分析，绘制出实时的基准幅频响应曲线。
(4)将数字频响分析仪的输出信号注入到被测试验变压器，采用与如前(步骤1～3)所述完全一致的接线方式。从高压端注入信号，在低压端对响应信号进行采集，并传输至电脑端。
(5)将输出的曲线与无剩磁的基准曲线进行对比，即可判断是否存在剩磁。响应信号：Y(s)＝R(s)G(s)，G(s)为二端口网络的传递函数，R(s)为输入信号，Y(s)是输出信号当变压器铁心存在剩磁时，其在一定频率范围内的传递函数会发生变化，因此其幅频响应曲线在相应的频率范围内也会发生变化，在该段频率内，含有剩磁的曲线与基准曲线相比，出现明显的偏移。在本实例中，含剩磁的变压器的幅频特性曲线，在100kHz-500kHz段发生了明显偏移。
图2中，输出U表示经数字频响分析仪产生的幅值为3.5V的小信号正弦电压，输入1表示对输入信号的频率及电压幅值的信号，输入2表示变压器的低压绕组侧信号测量端对响应信号通过检测单元进行采集并传送给所述数字频响分析仪的信号。
本发明公开的一种基于变压器频率响应的变压器剩磁检测方法，主要评判标准为变压器幅频特性曲线是否发生偏移。不同的剩磁的方向，不同的剩磁的大小对应的幅频特性会存在一定的差异，但不会影响对是否存在剩磁的判断，只要幅频特性发生偏移，即存在剩磁。
实施时，当频率较高时，变压器绕组可视为一个由电容、电感、电阻等分布参数构成的线性无源双端口网络。这个二端口网络的传递函数与网络内部状态密切相关，当变压器的铁心存在剩磁时，其传递函数会发生相应的变化，这个网络的频率响应特性也会发生变化。因此，本发明利用变压器的频率响应特性，采用了将变压器的剩磁检测方法设计为包括：步骤1：通过数字频响分析仪，产生小信号正弦电压，设置扫频的范围为10Hz-10MHz；把获取的扫频信号注入到无剩磁的变压器的高压绕组侧，并在变压器的低压绕组侧对响应信号进行采集；步骤2：根据步骤1输入的小信号正弦电压及响应信号，实时传输至电脑端，对输入信号的频率及电压幅值进行实时监测，并计算输入与输出网络间的传递函数，绘制出基准幅频响应特性曲线；步骤3：对待进行剩磁检测的变压器，重复执行步骤1及步骤2中的信号注入、信号采集、幅频响应特性曲线绘制，绘制基于测量变压器幅频响应特性曲线；步骤4：进行基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线的比较分析，观察被测量变压器的幅频特性曲线在一定的频率范围内，波形是否发生了明显变化，当基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线相比，若出现明显的偏移时，认为测量变压器存在剩磁。即采用了注入正弦扫频小信号的方式，检测变压器是否存在剩磁。通过幅频响应特性的比较，即可判断是否存在剩磁。本发明检测方法直观、简便，提高了变压器剩磁检测的准确性，同时解决了变压器剩磁检测对检测设备要求高，对检测环境要求高的，只能特定环境下检测的问题。
实施例2
如图1至图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中选用的变压器为三相变压器，采取分相进行剩磁分析，将每相对应绕组分别视为一个单相变压器，三相分体变压器视为三个独立变压器进行剩磁检测。
对于三相变压器，采用相间注入、相间测量的方式，并选定注入端及测量端，重复本发明步骤即可。
选定接线方式后，在正常测试时保证固定的接线方式，以此避免接线方式的改变造成频率响应曲线的重复性差异。
本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，将正弦扫描小信号电压注入被测变压器，若存在剩磁，通过频响曲线，能准确的判断出铁心有剩磁，如无剩磁，这一小信号电压，也不会对变压器产生影响；且本发明方法适用于各电压等级的单相、三相变压器，有一定的通用性。
实施例3
如图1至图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统，该系统支持上述实施例1与实施例2中的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，该系统包括数字频响分析仪、变压器和电脑端，所述数字频响分析仪，用于产生小信号正弦电压，并通过输入单元连接所述变压器的高压绕组侧作为信号输入端；所述变压器的低压绕组侧作为信号测量端，对响应信号通过检测单元进行采集并传送给所述数字频响分析仪，并实时传输至电脑端进行分析。
本发明一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统的检测设备便携，易于操作，接线简单，适合在实验室及现场环境使用。
以上利用具体实例对本发明的剩磁检测原理及实施方式进行了阐述，说明书的内容不应理解为对本发明的限制，本领域的相关技术人员的若得知了相关基本概念，可对实例进行变更和修改，但应包含于本发明。
综上所述，本发明所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
Claims (8)
1.一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：通过数字频响分析仪，产生小信号正弦电压，设置扫频的范围为10Hz-10MHz；把获取的扫频信号注入到无剩磁的变压器的高压绕组侧，并在变压器的低压绕组侧对响应信号进行采集；
步骤2：根据步骤1输入的小信号正弦电压及响应信号，实时传输至电脑端，对输入信号的频率及电压幅值进行实时监测，并计算输入与输出网络间的传递函数，绘制出基准幅频响应特性曲线；
步骤3：对待进行剩磁检测的变压器，重复执行步骤1及步骤2中的信号注入、信号采集、幅频响应特性曲线绘制，绘制基于测量变压器幅频响应特性曲线；
步骤4：进行基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线的比较分析，观察被测量变压器的幅频特性曲线在一定的频率范围内，波形是否发生了明显变化，当基于测量变压器幅频响应特性曲线与基准幅频响应特性曲线相比，若出现明显的偏移时，认为测量变压器存在剩磁。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，所述变压器为单相变压器或三相变压器中的一相。
3.根据权利要求2所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，对于三相变压器，采取分相进行剩磁分析，将每相对应绕组分别视为一个单相变压器，三相分体变压器视为三个独立变压器进行剩磁检测。
4.根据权利要求3所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，对于三相变压器，采用相间注入、相间测量的方式，并选定注入端及测量端。
5.根据权利要求3所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，选定接线方式后，在正常测试时保证固定的接线方式。
6.根据权利要求2所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，对于单相变压器，低压侧电压等级为250V，高压侧电压等级为100kV。
7.根据权利要求1所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，其特征在于，对于待测量变压器扫频信号的注入方式与获取的基准幅频响应特性曲线所对应变压器的注入方式一致。
8.一种基于频率响应的变压器剩磁检测系统，其特征在于，该系统支持权利要求1至7中任意一项所述的一种基于频率响应的变压器剩磁检测方法，该系统包括数字频响分析仪、变压器和电脑端，所述数字频响分析仪，用于产生小信号正弦电压，并通过输入单元连接所述变压器的高压绕组侧作为信号输入端；所述变压器的低压绕组侧作为信号测量端，对响应信号通过检测单元进行采集并传送给所述数字频响分析仪，并实时传输至电脑端进行分析。
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