CN111551875A - 一种多状态变压器故障模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多状态变压器故障模拟系统，包括：模拟变压器，包括变压器本体和用于模拟变压器多状态故障的若干种变压器故障模拟模组；所述变压器故障模拟模组包括故障模拟装置和检测装置；上位机，用于建立并储存若干个变压器多状态故障模型和若干个模拟方案；所述一个模拟方案对应一个或多个变压器多状态故障模型；所述变压器多状态故障模型的参数可设定；PLC控制系统，用于获得模拟方案，依据模拟方案对应的变压器多状态故障模型控制模拟变压器进行变压器故障模拟；所述所有模拟变压器的电路部件都通过PLC总线连接PLC控制系统；所述上位机采用Windows操作系统的PC机。本发明最大限度模拟还原了变压器故障的真实情况，全面模拟变压器多种故障状态及其组合。

Description

一种多状态变压器故障模拟系统
技术领域
本发明涉及变压器、变电运行维护技术领域，更具体地，涉及一种多状态变压器故障模拟系统。
背景技术
变压器是电力系统中不可或缺的电气设备，被广泛应用在电力系统电能的输送、分配和使用环节。因此电力变压器的安全稳定运行对整个电网的安全可靠供电有着至关重要的作用，一旦其发生故障遭到破坏,将会带来波及范围广、检修难度大、检修周期长、经济损失惨重等一系列的问题。
变压器故障常见的有：铁芯故障，包括铁芯局部短路，铁芯多点接地，磁饱和及放电故障等；绕组故障，包括绕组匝间短路，绕组相间短路、绕组接地短路，绕组过热，绕组断线等；主绝缘故障，包括绝缘击穿，沿面放电，流油带电等；调压分接开关体故障，包括渗油、箱体密封不严，直流电阻不合格，触头烧损等；引线故障，包括安装质量不达标，引线连接不紧密，虚焊、假焊，引起变压器运行过程中造成引线过热的现象，引线质量不达标或部分折断，绝缘受潮引起绝缘击穿等；套管故障，包括套管闪络，套管过热，均压球悬浮放电等；结构件故障，包括油箱外部渗油，强油风冷变压器油温上升、强油水冷变压器油中水，气体继电器误动等。
总之，变压器故障种类繁多、机理复杂,特别是内部故障电磁变化过程抽象,所以当变压器内部绕组发生故障时,其内部电气量变化并不能被准确预估,从而影响变压器保护的正确动作率。因此而分析变压器发生不同故障时的特性，并进行状态模拟，对变压器故障分析、保护措施的改进和完善，运维人员的培训具有重要意义。现有的变压器故障模拟系统主要是以计算机仿真为主，受变压器故障复杂性及电磁场温度分布、变化无法确确定，建模准确度与实际情况还有比较大的差距，实物模拟大部分只限于金属接触性模拟，温度、电流变化模拟几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多状态变压器故障模拟系统，最大限度模拟还原了变压器故障的真实情况，全面模拟变压器多种故障状态及其组合。
为达到上述目的，提供了一种多状态变压器故障模拟系统，包括：
模拟变压器，包括变压器本体和用于模拟变压器多状态故障的若干种变压器故障模拟模组；所述变压器故障模拟模组包括故障模拟装置和检测装置；
上位机，用于建立并储存若干个变压器多状态故障模型和若干个模拟方案；所述一个模拟方案对应一个或多个变压器多状态故障模型；所述变压器多状态故障模型的参数可设定；
PLC控制系统，用于获得模拟方案，依据模拟方案对应的变压器多状态故障模型控制模拟变压器进行变压器故障模拟；
所述所有模拟变压器的电路部件都通过PLC总线连接PLC控制系统；所述上位机采用Windows操作系统的PC机；
所述变压器故障模拟模组包括用于模拟变压器电流故障的电流模拟模组、用于模拟变压器电压故障的电压模拟模组、用于模拟变压器发热故障的发热模拟模组、用于模拟变压器电阻故障的电阻模拟模组、用于模拟变压器绝缘损坏的绝缘损坏模拟模组及用于模拟油位故障的油位模拟模组；
所述变压器本体包括主电路、套管、分接开关、接线头、油箱内、绕组、铁芯夹具和气体继电器；所述套管包括高压套管和低压套管；
所述检测装置包括电流表、电压表、信号温度计和油位指示器；
所述变压器多状态故障模型包括变压器绕组回路电路方程、瞬态场路耦合数学模型、绕组热点温度模型、变压器套管径向温度分布方程、变压器油温模型、导热体温度场模型、热流密度方程、变压器单相接地模型、变压器短路电流模型、PWM电流调节模型。
特别的，所述电流模拟模组的故障模拟装置包括两个反并联的开关管、连接所述开关管的开关管驱动板和连接开关管驱动板的PWM信号发生器；所述PWM信号发生器产生的电流施加在模拟变压器铁芯夹具的接地线上。
特别的，所述电压模拟模组的故障模拟装置为能够输出0～200V幅值连续可调的工频、3次、5次、7次、9次谐波电压的电压发生器。
特别的，所述发热模拟模组的故障模拟装置包括温度控制装置；所述温度控制装置采用温度负反馈闭环PID控制；所述温度控制装置的通断控制采用无触点交流电压过零导通控制的电子开关；所述发热模拟模组的故障模拟装置分散安装套管、接线头、油箱内及绕组上。
特别的，所述电阻模拟模组包括可调电阻；所述可调电阻通过触电连接接触器来连接分接开关；所述电阻模拟模组分散连接各相绕组的引出线上。
特别的，所述油位模拟模组包括循环油泵。
一种根据上述故障模拟系统进行多状态变压器故障模拟的方法，包括以下步骤：
(1)在所述上位机上选择模拟方案或人工控制上位机启动PLC控制系统直接跳至步骤(3)；
(2)在所述上位机上输入参数；
(3)所述PLC控制系统启动模拟变压器；
(4)所述模拟变压器进行故障模拟；
(5)在进行故障模拟时，PLC控制系统判断模拟变压器是否符合设定的参数；若不符合，返回步骤(3)；若符合，则继续进故障模拟；
(6)故障模拟完毕后，所述PLC控制系统将实际故障模拟的数据回传给上位机；所述上位机判断实际故障模拟的数据与变压器多状态故障模型计算的数据进行比对，若比对结果相同则结束；若比对结果不同，所述上位机对实际故障模拟的数据进行修正，并建立新模型存储于上位机内，将参数重新导入PLC控制系统后，重新返回步骤(3)。
本发明的有益效果：
本发明通过上位机和PLC控制系统对实际变压器进行故障模拟，采用软件与硬件结合，最大限度模拟还原了变压器故障的真实情况。通过变压器多状态故障模型，能对多状态变压器综合故障进行分析和对这类模型进行改进，能按照模拟情况制定符合实际情况运行保护方案，比较全面的模拟了变压器多种故障状态及其组合。为变压器运行、故障分析、确定保护方案等提供模拟技术支持，并为科研人员、变压器运维技术人员、电气类大专院校学生培养、研究，可以任意重复的研究、满足实习实训的条件。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；其中，(a)和(b)为同一个变压器本体，(a)为变压器本体的整体结构图；(b)为变压器本体的内部结构图。
图2为本发明实施例的方法流程图。
图中：▲为发热模拟模组的安装节点，★为电流模拟模组和电压模拟模组的安装节点，●为电阻模拟模组的安装节点，
Figure BDA0002476969780000031
油位模拟模组的安装节点，◆为信号温度计；1、信号温度计；2、名牌；3、吸湿器；4、油枕；5、油位指示器；6、防爆管；7、瓦斯继电器；8、高压套管；9低压套管；10、分接开关；11、散热油管；12、铁芯；13、绕组；14、放油阀；15、导轨；16、接地端子；17、净油器；18、变压器油；19、油箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，为本实施例一种多状态变压器故障模拟系统，包括模拟变压器、上位机和PLC控制系统。
模拟变压器，包括变压器本体和用于模拟变压器多状态故障的若干种变压器故障模拟模组。变压器故障模拟模组包括故障模拟装置和检测装置。变压器本体包括主电路、套管、分接开关、接线头、油箱内、绕组、铁芯夹具和瓦斯继电器。套管包括高压套管和低压套管。检测装置包括电流表、电压表、信号温度计和油位指示器。
上位机，用于建立并储存若干个变压器多状态故障模型和若干个模拟方案。一个模拟方案对应一个或多个变压器多状态故障模型。变压器多状态故障模型的参数可设定。
PLC控制系统，用于获得模拟方案，依据模拟方案对应的变压器多状态故障模型控制模拟变压器进行变压器故障模拟。
所有模拟变压器的电路部件都通过PLC总线连接PLC控制系统。上位机采用Windows操作系统的PC机。
变压器故障模拟模组包括用于模拟变压器电流故障的电流模拟模组、用于模拟变压器电压故障的电压模拟模组、用于模拟变压器发热故障的发热模拟模组、用于模拟变压器电阻故障的电阻模拟模组、用于模拟变压器绝缘损坏的绝缘损坏模拟模组及用于模拟油位故障的油位模拟模组。图1的图示即为各个变压器故障模拟模组安装于变压器本体的位置。
变压器多状态故障模型包括变压器绕组回路电路方程、瞬态场路耦合数学模型、绕组热点温度模型、变压器套管径向温度分布方程、变压器油温模型、导热体温度场模型、热流密度方程、变压器单相接地模型、变压器短路电流模型、PWM电流调节模型：
变压器绕组回路电路方程：
Figure BDA0002476969780000041
瞬态场路耦合数学模型：
Figure BDA0002476969780000042
绕组热点温度模型：
Figure BDA0002476969780000043
变压器套管径向温度分布方程：
Figure BDA0002476969780000044
变压器油温模型：
Figure BDA0002476969780000045
导热体温度场模型：
Figure BDA0002476969780000051
热流密度方程：
Figure BDA0002476969780000052
变压器单相接地模型：
Figure BDA0002476969780000053
变压器短路电流模型:
Figure BDA0002476969780000054
PWM电流调节模型:
Figure BDA0002476969780000055
电流模拟模组的故障模拟装置包括两个反并联的开关管、连接所述开关管的开关管驱动板和连接开关管驱动板的PWM信号发生器。PWM信号发生器产生的电流施加在模拟变压器铁芯夹具的接地线上。本实施例的PWM信号发生器具有连续工作模式和间歇工作模式，即持续输出电流和间歇输出电流，间歇时间可以通过PLC控制器任意调节。
电压模拟模组的故障模拟装置为能够输出0～200V幅值连续可调的工频、3次、5次、7次、9次谐波电压的电压发生器。
发热模拟模组的故障模拟装置包括温度控制装置。温度控制装置采用温度负反馈闭环PID控制。温度控制装置的通断控制采用无触点交流电压过零导通控制的电子开关；。发热模拟模组的故障模拟装置分散安装套管、接线头、油箱内及绕组上。本实施例的温度控制装置可在当前环境温度～150摄氏度的范围内可调。
电阻模拟模组包括可调电阻。可调电阻通过触电连接接触器来连接分接开关。电阻模拟模组分散连接各相绕组的引出线上。
油位模拟模组包括循环油泵。
本实施例的模拟方案，如模拟变压器铁芯故障的模拟方案，可控制电流模拟模组的PWM信号发生器，产生大小可调，时变控制，电流强度间歇时间可控的电流来模拟变压器铁芯铁芯多点接地及放电故障等；变压器绕组故障的模拟方案，通过电阻模拟模组、发热模拟模组的控制，能够模拟绕组匝间短路，绕组相间短路、绕组接地短路，绕组过热，绕组断线等故障；调压分接开关体故障的模拟方案，通过电压模拟模组、电阻模拟模组的控制，可变差控制串接可调电阻、改变可调电阻的接触面积及紧密度，来模拟直流电阻不合格，接触不良，触头烧损等故障；套管发热的模拟方案，采用发热模拟模组可控加热，模拟引线故障过程中引线过热的现象；PLC控制系统还可对检测装置，如信号温度计、瓦斯继电器、油位指示器进行控制，模拟仪表误动的故障。
如图2所示，本实施例的(1)在所述上位机上选择模拟方案或人工控制上位机启动PLC控制系统直接跳至步骤(3)；
(2)在所述上位机上输入参数；
(3)所述PLC控制系统启动模拟变压器；
(4)所述模拟变压器进行故障模拟；
(5)在进行故障模拟时，PLC控制系统判断模拟变压器是否符合设定的参数；若不符合，返回步骤(3)；若符合，则继续进故障模拟；
(6)故障模拟完毕后，所述PLC控制系统将实际故障模拟的数据回传给上位机；所述上位机判断实际故障模拟的数据与变压器多状态故障模型计算的数据进行比对，若比对结果相同则结束；若比对结果不同，所述上位机对实际故障模拟的数据进行修正，并建立新模型存储于上位机内，将参数重新导入PLC控制系统后，重新返回步骤(3)。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多状态变压器故障模拟系统，其特征在于,包括：
模拟变压器，包括变压器本体和用于模拟变压器多状态故障的若干种变压器故障模拟模组；所述变压器故障模拟模组包括故障模拟装置和检测装置；
上位机，用于建立并储存若干个变压器多状态故障模型和若干个模拟方案；所述一个模拟方案对应一个或多个变压器多状态故障模型；所述变压器多状态故障模型的参数可设定；
PLC控制系统，用于获得模拟方案，依据模拟方案对应的变压器多状态故障模型控制模拟变压器进行变压器故障模拟；
所述所有模拟变压器的电路部件都通过PLC总线连接PLC控制系统；所述上位机采用Windows操作系统的PC机；
所述变压器故障模拟模组包括用于模拟变压器电流故障的电流模拟模组、用于模拟变压器电压故障的电压模拟模组、用于模拟变压器发热故障的发热模拟模组、用于模拟变压器电阻故障的电阻模拟模组及用于模拟变压器绝缘损坏的绝缘损坏模拟模组；
所述变压器本体包括主电路、套管、分接开关、接线头、油箱内、绕组、铁芯夹具和气体继电器；所述套管包括高压套管和低压套管；
所述检测装置包括电流表、电压表、信号温度计和油位指示器；
所述变压器多状态故障模型包括变压器绕组回路电路方程、瞬态场路耦合数学模型、绕组热点温度模型、变压器套管径向温度分布方程、变压器油温模型、导热体温度场模型、热流密度方程、变压器单相接地模型、变压器短路电流模型、PWM电流调节模型。
2.根据权利要求1所述的一种多状态变压器故障模拟系统，其特征在于：所述电流模拟模组的故障模拟装置包括两个反并联的开关管、连接所述开关管的开关管驱动板和连接开关管驱动板的PWM信号发生器；所述PWM信号发生器产生的电流施加在模拟变压器铁芯夹具的接地线上；所述电流模拟模组的检测装置为串联的。
3.根据权利要求1所述的一种多状态变压器故障模拟系统，其特征在于：所述电压模拟模组的故障模拟装置为能够输出0~200V幅值连续可调的工频、3次、5次、7次、9次谐波电压的电压发生器。
4.根据权利要求1所述的一种多状态变压器故障模拟系统，其特征在于：所述发热模拟模组的故障模拟装置包括温度控制装置；所述温度控制装置采用温度负反馈闭环PID控制；所述温度控制装置的通断控制采用无触点交流电压过零导通控制的电子开关；所述发热模拟模组的故障模拟装置分散安装套管、接线头、油箱内及绕组上。
5.根据权利要求1所述的一种多状态变压器故障模拟系统，其特征在于：所述电阻模拟模组包括可调电阻；所述可调电阻通过触电连接接触器来连接分接开关；所述电阻模拟模组分散连接各相绕组的引出线上。
6.一种根据上述权利要求1-5任一变压器故障模拟系统进行多状态变压器故障模拟的方法，包括以下步骤：
（1）在所述上位机上选择模拟方案或人工控制上位机启动PLC控制系统直接跳至步骤（3）；
（2）在所述上位机上输入参数；
（3）所述PLC控制系统启动模拟变压器；
（4）所述模拟变压器进行故障模拟；
（5）在进行故障模拟时，PLC控制系统判断模拟变压器是否符合设定的参数；若不符合，返回步骤（3）；若符合，则继续进故障模拟；
（6）故障模拟完毕后，所述PLC控制系统将实际故障模拟的数据回传给上位机；所述上位机判断实际故障模拟的数据与变压器多状态故障模型计算的数据进行比对，若比对结果相同则结束；若比对结果不同，所述上位机对实际故障模拟的数据进行修正，并建立新模型存储于上位机内，将参数重新导入PLC控制系统后，重新返回步骤（3）。
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