CN110794344A - 一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法，本发明公开了一种剔除套管影响的变压器绕组变形的阻抗频率响应试验方法，具体包括一种新的变压器绕组阻抗频率特性的试验接线及计算方法。在本方法中，绕组的一端接地；在另一端实际连接不可拆卸的套管，在套管输入端由扫频正弦信号源激励，并同时测量激励电压和电流，以及套管电容屏的电流；利用套管对地等效阻抗来计算套管等效电路，去除套管压降和电容屏的对地分流来剔除套管的影响，计算得到绕组的阻抗曲线。本方法能够准确测量高电压等级的变压器和电抗器绕组状态。

Description

一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法

【技术领域】

本发明属于高电压试验技术领域，涉及一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法。

【背景技术】

在电力系统中，变压器是关键且昂贵的设备之一，其安全、可靠性对于保障整个电网的正常运行意义重大，因而针对变压器的故障检测也就变得十分重要。当变压器遭到短路电流冲击时，绕组变形是主要的故障形式。为了有效地检测变压器绕组变形，人们通过研究得到了多种无损检测方法，其中，频率响应分析法由于具有良好的重复性和便携性因而得到了广泛的应用。

通常，可将变压器绕组看做一个由电阻、电感和电容构成的无源二端口网络，当绕组变形时，等效网络参数也随之发生变化，该网络的幅频响应曲线也会发生变化。频率响应分析法通过将稳定的正弦扫频电压信号作为激励信号施加于被测绕组的一端，绕组另一端串联50Ω匹配电阻后接地。同时采集激励和响应信号，求出幅值、相位并作出幅频响应曲线或相频相应曲线，以此作为判断绕组是否变形的依据。因此，运用频响法检测绕组变形最关键的是获取准确的绕组频率响应。

利用频率响应分析法检测变压器绕组变形时，考虑的影响因素主要包括测量接线、绝缘材料、变压器油状态和分接开关位置等，但套管状态并未被重点考虑。据统计110kV及以上变压器由套管引发的事故占总事故台次的9.9％，若将变压器所发生故障按损坏部位分类，因套管所引发的事故量居第2位，仅次于绕组故障。

套管主要由电容芯子、油枕、法兰、上下瓷套组成，按结构可以分为内绝缘及外绝缘两部分，内绝缘指电容芯子，它是根据内外电场分布用多层电容屏卷制的同心圆筒电容器，封闭在套管内部，各层电容屏之间采用油纸绝缘；外绝缘指套管瓷套，起机械支撑和电气绝缘的作用。在运用频率响应分析法检测绕组变形时，由于变压器构造的原因，需从变压器套管导杆输入激励信号并采集响应信号，所以套管也属于整个测量系统的一部分。传统的绕组频率响应曲线测量接线图如图1所示，变压器套管通常可等效为一个T型电路，其左臂为套管导杆，与正弦扫频电源相连；右臂与被测绕组串联，左右两臂上的等效阻抗相等；中间点与地之间的部分为套管末屏，可等效为一个电阻与电容并联电路。因此实际检测的是变压器套管与被测绕组串联等效电路的频率响应，无法获得被测绕组本身的频率响应。变压器运行时，其套管不仅要长期承受工作电压，还要承受各种可能发生的冲击过电压，且套管本身也会因绝缘介质劣化、受潮等原因造成等效电路网络中的某些阻性、容性参数改变。因此，套管的存在势必会影响绕组的频率响应检测结果。

综上所述，变压器套管的存在使得绕组变形检测等效电路更加复杂，无法准确获取绕组本身的频率响应，容易形成故障误判。目前尚无研究关于消除或削弱套管影响的方法，因此需要一种可以剔除套管影响的检测方法，从而获取准确的变压器绕组频率响应，提高绕组变形诊断的正确率。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法，包括以下步骤：

步骤1：绕组的一端接地，另一端连接不可拆卸的变压器套管；变压器套管输入端由扫频正弦信号源激励，并同时测量激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；

步骤2：将变压器套管等效为左臂和右臂对称的T型等效电路；左臂由扫频正弦信号源激励，右臂与实际被测绕组非接地端相连，中间节点经套管电容屏等效阻抗与地相连；

步骤3：根据公式(1)和(2)得到被测绕组的频率响应H：

U₃÷i₃＝Z (1)

其中，U₃为实际加在被测绕组上的电压值，i₃为实际流入被测绕组的电流值，H为频率响应，Z为绕组阻抗，R₀为匹配电阻。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤3的具体方法如下：

步骤3-1：通过信号采集装置获取变压器待测绕组激励套管导杆上的激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；根据已知的套管对地等效电容C₁及电阻R₃，利用公式(3)得到套管对地电压U₂：

步骤3-2：将激励电压U₁与套管对地电压U₂相减得到T型电路的左臂电压U₁₂：

U₁-U₂＝U₁₂ (4)

步骤3-3：将左臂电压U₁₂与激励电流i₁相除得到套管T型电路的左臂阻抗Z₁₂，由于左臂阻抗Z₁₂与右臂阻抗Z₂₃相等，即：

步骤3-4：将激励电流i₁与套管末屏电流i₂相减得到实际流入被测绕组的电流i₃：

i₁-i₂＝i₃ (6)

步骤3-5：将右臂阻抗Z₂₃与实际流入被测绕组的电流i₃相乘得到T型电路的右臂电压U₂₃：

Z₂₃×i₃＝U₂₃ (7)

步骤3-6：将套管对地电压U₂与右臂电压U₂₃相减得到实际加在被测绕组上的电压U₃：

U₂-U₂₃＝U₃ (8)

步骤3-7：根据公式(1)和(2)得到被测绕组的频率响应H。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明绕组的一端接地，另一端实际连接不可拆卸的套管，在套管输入端由扫频正弦信号源激励，并同时测量激励电压和电流，以及套管电容屏的电流；利用套管对地等效阻抗来计算套管等效电路，去除套管压降和电容屏的对地分流来剔除套管的影响，计算得到绕组的阻抗曲线。本发明能够准确测量高电压等级的变压器和电抗器绕组状态。

【附图说明】

图1传统的绕组频率响应曲线测试接线图；

图2本发明提出的绕组频率响应曲线测量接线图；

图3绕组频率响应曲线检测结果对比图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，图中左侧虚框内为变压器套管T型等效电路，右侧虚框内为变压器绕组等效电路。本发明剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法，包括以下步骤：

步骤1，按频率响应分析法要求，将测量系统的正弦扫频信号发生装置的输出端接变压器待测绕组的套管导杆(图2中节点1)，被测绕组末端接地(图2中节点4)；通过信号采集装置分别获取变压器待测绕组激励端套管导杆上的激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；

步骤2，将变压器套管等效为左臂和右臂对称的T型等效电路；左臂由扫频正弦信号源激励，右臂与实际被测绕组非接地端相连，中间节点经套管电容屏等效阻抗与地相连；

步骤3，计算被测绕组的频率响应H，具体方法如下：

步骤3-1：通过信号采集装置获取变压器待测绕组激励套管导杆上的激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；根据已知的套管对地等效电容C₁及电阻R₃，利用公式(1)得到套管对地电压U₂：

步骤3-2：将激励电压U₁与套管对地电压U₂相减得到T型电路的左臂电压U₁₂：

U₁-U₂＝U₁₂ (2)

步骤3-3：将左臂电压U₁₂与激励电流i₁相除得到套管T型电路的左臂阻抗Z₁₂，由于左臂阻抗Z₁₂与右臂阻抗Z₂₃相等，即：

步骤3-4：将激励电流i₁与套管末屏电流i₂相减得到实际流入被测绕组的电流i₃：

i₁-i₂＝i₃ (4)

步骤3-5：将右臂阻抗Z₂₃与实际流入被测绕组的电流i₃相乘得到T型电路的右臂电压U₂₃：

Z₂₃×i₃＝U₂₃ (5)

步骤3-6：将套管对地电压U₂与右臂电压U₂₃相减得到实际加在被测绕组上的电压U₃：

U₂-U₂₃＝U₃ (6)

步骤3-7：利用式(7)计算绕组阻抗：

U₃÷i₃＝Z (1)

步骤3-8：利用式(8)计算被测绕组的频率响应H：

本发明的原理如下：

如图1所示，传统方法测量的是激励电压U₁与匹配电阻上的响应电压U₄；如图2，本发明测量的是激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂。此外，二者对数据的处理也不同；

本发明不需要接匹配电阻R₀。图1和图2中右侧虚框内为RLC电路，为变压器绕组等效电路，左侧虚框内为为变压器套管T型等效电路，可见套管的存在改变了测量等效电路。由图1可知，传统检测方法实际获得的是套管与被测绕组的串联等效电路频率响应，并非绕组本身的频率响应。因此需要得到流经变压器绕组的实际测量信号值，从而排除套管对检测结果的影响，获得准确的被测绕组频率响应。

对本发明可行性的验证：

如图3所示，图3为绕组频率响应曲线检测结果对比图。图3中三条曲线分别为利用传统方法与本发明测试同一个绕组的频率响应曲线，以及在无套管情况下测得的该绕组频率响应曲线，共计三组数据进行对比。由图3可知，本发明的检测结果与绕组标准频率响应具有较好的相似性；但传统方法检测结果与绕组真实频率响应曲线相比，频响曲线差异很大，尤其在高频段，差异尤为明显，这些差异反映了套管的存在对于检测结果的影响。最后根据国标DL/T 911-2016所提供的计算公式得到传统方法、本发明分别与绕组标准频率响应的相关系数R_xy，如表1所示，R_xy(最高为10)越高表明两条曲线相似性越高。

表1两种方法分别与绕组标准频率响应相关系数R_xy

相关因子R<sub>xy</sub>	低频段(1k～100kHz)	中频段(100k～600kHz)	高频段(600k～1MHz)
				传统方法	3.6971	1.4785	2.7297
本发明	10	10	10

综上所述，本发明的检测结果与绕组标准频率响应具有很好的一致性。可以证明本发明所提出的变压器绕组频率响应检测方法很好的剔除了套管影响。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：绕组的一端接地，另一端连接不可拆卸的变压器套管；变压器套管输入端由扫频正弦信号源激励，并同时测量激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；

步骤2：将变压器套管等效为左臂和右臂对称的T型等效电路；左臂由扫频正弦信号源激励，右臂与实际被测绕组非接地端相连，中间节点经套管电容屏等效阻抗与地相连；

步骤3：根据公式(1)和(2)得到被测绕组的频率响应H：

U₃÷i₃＝Z (1)

其中，U₃为实际加在被测绕组上的电压值，i₃为实际流入被测绕组的电流值，H为频率响应，Z为绕组阻抗，R₀为匹配电阻。

2.根据权利要求1所述的剔除套管影响的变压器绕组变形的频率响应试验方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法如下：

步骤3-1：通过信号采集装置获取变压器待测绕组激励套管导杆上的激励电压U₁、激励电流i₁以及套管末屏电流i₂；根据已知的套管对地等效电容C₁及电阻R₃，利用公式(3)得到套管对地电压U₂：

步骤3-2：将激励电压U₁与套管对地电压U₂相减得到T型电路的左臂电压U₁₂：

U₁-U₂＝U₁₂ (4)

步骤3-3：将左臂电压U₁₂与激励电流i₁相除得到套管T型电路的左臂阻抗Z₁₂，由于左臂阻抗Z₁₂与右臂阻抗Z₂₃相等，即：

步骤3-4：将激励电流i₁与套管末屏电流i₂相减得到实际流入被测绕组的电流i₃：

i₁-i₂＝i₃ (6)

步骤3-5：将右臂阻抗Z₂₃与实际流入被测绕组的电流i₃相乘得到T型电路的右臂电压U₂₃：

Z₂₃×i₃＝U₂₃ (7)

步骤3-6：将套管对地电压U₂与右臂电压U₂₃相减得到实际加在被测绕组上的电压U₃：

U₂-U₂₃＝U₃ (8)

步骤3-7：根据公式(1)和(2)得到被测绕组的频率响应H。

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