CN111880123B - 抗工频磁饱和的变压器绕组频响信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗工频磁饱和的变压器绕组频响信号检测方法。该检测方法中采用具有双绕组的线圈式电流传感器套在变压器高压套管根部，传感器的测量线圈负责检测套管内高压导杆上的高频频响电流信号，抗饱和线圈负责抵消套管高压导杆上的工频大电流子在传感器磁芯中的磁势。分别安装在三相高压套管上的三只传感器抗饱和线圈并联在一起，互为电流回路，消除了工频大电流使得传感器磁芯饱和、传感器输出信号中工频干扰过大的问题。

Description

抗工频磁饱和的变压器绕组频响信号检测方法
技术领域
本发明属于变压器绕组变形在线检测领域，具体是指一种可以在变压器绕组变形在线监测试验过程中有效抵抗工频电流引起的传感器磁芯饱和问题、实现微弱高频电流响应信号测量的检测方法。
背景技术
变压器绕组是变压器中最常发生故障的部分，近年来的绕组变形事故已经成为变压器的最主要故障类型。传统的绕组变形离线检测方法因为必须停电并解开高压引线，己经不能满足现在电网对于安全可靠性的需求，在线监测势在必行。目前变压器绕组变形在线监测遇到的重要问题之一是如何向在线变压器注入激励信号,并获取响应信号。近些年提出的利用大直径电流传感器通过电磁耦合的方式来解决此问题具有一定的可行性。图1为利用电磁耦合的方式从变压器中性点注入高频激励信号并在套管根部测量响应电流信号的示意图，大直径电流传感器套在变压器A相套管上对A相电流信号进行测量。在这种情况下，变压器A相绕组中的工频大电流的幅值远远大于被测的高频信号，使得传感器中的磁芯发生饱和，失去测量高频信号的能力。
常规设计的线圈型电流传感器，由线圈和积分阻抗组成。线圈往往带有磁芯和金属屏蔽外壳。其金属屏蔽外壳能够屏蔽外来的电磁干扰，但是屏蔽不了被测导体上的干扰电流。积分阻抗通常有两种，第一种积分阻抗是由电阻和电容并联而成，与线圈的电感形成谐振，所构造出的电流传感器是一种窄带传感器，它的测量频带就是上述电容和电感的谐振频率；第二种积分阻抗就是一个电阻，所构造出的电流传感器是一种宽带传感器，常用来测量高频电流信号。
由积分电阻和线圈组成的高频电流互感器，其结构如图2所示，等效电路如图3所示，其中L为线圈的自感；R为积分电阻；M为互感；i1(t)为被测电流；i2(t)为线圈中的电流；u1(t)为感应电势；u2(t)为传感器输出电压。等效电路的电路方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
传感器的传递函数H(S)为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
其中U2(S)为u2(t)的拉普拉斯变换，I1(S)为i1(t)的拉普拉斯变换
在正弦稳态信号下，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中ω=2πf，f为正弦电流的频率，U2为u2(t)的幅值，I1为i1(t)的幅值。
因此，电流传感器的幅频特性为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（4）
进而，该电流传感器的测量频带的下限频率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（5）
可见，当被测电流的频率远低于传感器的低频截止频率时，传感器的幅频特性简化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（6）
此时，传感器的输出信号幅值与信号的频率成正比，是一个线性关系。
具体而言，对于测量频带下限为1kHz的电流传感器，fl=1kHz，则R=6280L。假设被测高频电流i1的频率是1kHz，则传感器对i1的输出电压u2i=4441Mi1。当被测导体上存在50Hz干扰电流ir时，如果磁芯不饱和，则传感器对ir的输出电压u2r=314Mir。因此，对于幅值仅有几个毫安的高频电流i1而言，幅值达到上百安培的工频干扰电流ir所产生的传感器输出干扰u2r比u2i大上万倍。此外，对于50Hz电流ir，L的感抗ωL=314L，远小于R，则i2r在磁芯中的磁势远小于ir在磁芯中的磁势，两者不能完全抵消，导致磁芯中的磁场强度很大，磁芯发生深度饱和，进而在饱和区完全失去测量i1的能力。
发明内容
本发明提供了抗工频磁饱和的变压器绕组频响信号检测方法，该方法由下列步骤组成：
第一步：制作三只完全一致的、具有双线圈的电流传感器；电流传感器由磁芯[1]、测量线圈[2]和抗饱和线圈[3]组成，测量线圈[2]和抗饱和线圈[3]都缠绕在磁芯[1]上；
第二步：标记抗饱和线圈[3]的同名端；在电流传感器的中轴线上设置正脉冲电流，测量抗饱和线圈[3]两端的电压差，输出正电压的一端标记为正端[4]，输出负电压的一端标记为负端[5]；
第三步：将上述三只电流传感器分别放置在变压器A、B、C三相套管的根部；
第四步：将上述三只电流传感器的抗饱和线圈[3]的正端[4]连接在一起；
第五步：将上述三只电流传感器的抗饱和线圈[3]的负端[5]连接在一起；
第六步：利用示波器检测上述三只电流传感器的测量线圈[2]的输出电压信号。
附图说明
图1为本发明提出的双线圈电流传感器放置位置示意图。
图2为线圈型电流传感器的结构示意图。
图3为线圈型电流传感器等效电路。
图4为本发明提出的双线圈电流传感器结构示意图。
图5为本发明提出的电流传感器的抗饱和绕组连接方式示意图。
图6为本发明提出的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图6所示，按照下列步骤实施本方法：
第一步：如图4所示制作三只完全一致的、具有双线圈的电流传感器；电流传感器由磁芯[1]、测量线圈[2]和抗饱和线圈[3]组成，测量线圈[2]和抗饱和线圈[3]都缠绕在磁芯[1]上；磁芯[1]整体为环形，截面为正方形，材料为具有良好导磁性能的铁基非晶，其内直径为400mm，外直径为440mm，高为25mm，相对磁导率2000；测量线圈[2]由铜漆包线绕制而成，所用铜漆包线的直径为0.5mm，均匀地缠绕在磁芯[1]上，绕制150匝，则测量线圈的电感L0等于0.021H，测量线圈[2]的积分电阻选为50Ω电阻，则测量线圈的低频截止频率fl等于15kHz；抗饱和线圈[3]由铜漆包线绕制而成，所用铜漆包线的直径为2mm，均匀地缠绕在磁芯[1]上，绕制150匝，则抗饱和线圈的电感L等于0.021H。
第二步：标记抗饱和线圈[3]的同名端（图4中线圈的黑点所标识一端）；在电流传感器的中轴线上设置正脉冲电流，测量抗饱和线圈[3]两端的电压差，输出正电压的一端标记为正端[4]，输出负电压的一端标记为负端[5]；
第三步：如图1所示，将上述三只电流传感器分别放置在变压器A、B、C三相套管的根部；
第四步：如图5所示，将上述三只电流传感器的抗饱和线圈[3]的正端[4]连接在一起；
第五步：如图5所示，将上述三只电流传感器的抗饱和线圈[3]的负端[5]连接在一起；
第六步：利用示波器检测上述三只电流传感器的测量线圈[2]的输出电压信号u2。
如果没有抗磁饱和线圈，对于现有的线圈型电流传感器而言，当测量线圈的积分电阻为50Ω电阻（即，R=50Ω）时，测线圈的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（7）
该磁芯的饱和磁感应强度大约为0.6T。对于50Hz的工频干扰电流，当工频电流达到212A时，线圈的磁芯出现饱和，被测信号u2不再稳定，随时间（或者磁芯的饱和程度）而变化。
根据本发明，增加了抗饱和线圈[3]之后，A、B、C三相套管中间高压导杆上的工频大电流IA、IB和IC将分别在三个传感器的抗饱和线圈中产生感应电流IA2、IB2和IC2.由于IA+IB+IC=0，则IA2+IB2+IC2=0，则饱和线圈的正端[4]和负端[5]之间的电压为零，相当于三个饱和线圈的积分电阻都为零，都处于外部短路状态。则在A相传感器的磁芯中，IA与IA2的磁势相抵消；在B相传感器的磁芯中，IB与IB2的磁势相抵消；在C相传感器的磁芯中，IC与IC2的磁势相抵消。因此，传感器的磁饱和问题被彻底解决。
对于应该准确测量的高频电流响应信号而言，以A相传感器为例，抗饱和线圈的两端连接了B相传感器的抗饱和线圈和C相传感器的抗饱和线圈。已知抗饱和线圈的电感为0.021H，即图3中LA=LB=LC=0.021H,相当于A相饱和线圈的积分阻抗是LB并联LC，等于0.0105H。该积分阻抗在高频段的阻值远高于测量线圈的积分电阻50Ω，例如在10kHz，抗饱和线圈的积分阻抗等于659Ω。因此，在高频段，相对于测量线圈而言，抗饱和线圈处于开路状态，磁芯中的磁感应强度取决于被测电流和测量线圈，测量线圈对于被测高频信号的检测能力不受抗饱和线圈的影响，与不存在抗饱和线圈时一致。

Claims (1)

1.一种抗工频磁饱和的变压器绕组频响信号检测方法，其特征是，该方法由下列步骤组成：
第一步：制作三只完全一致的、具有双线圈的电流传感器；电流传感器由磁芯(1) 、测量线圈(2) 和抗饱和线圈(3) 组成，测量线圈(2) 和抗饱和线圈(3) 都缠绕在磁芯(1)上；
第二步：标记抗饱和线圈(3) 的同名端；在电流传感器的中轴线上设置正脉冲电流，测量抗饱和线圈(3) 两端的电压差，输出正电压的一端标记为正端(4) ，输出负电压的一端标记为负端(5) ；
第三步：将上述三只电流传感器分别放置在变压器A、B、C三相套管的根部；
第四步：将上述三只电流传感器的抗饱和线圈(3) 的正端(4) 连接在一起；
第五步：将上述三只电流传感器的抗饱和线圈(3) 的负端(5) 连接在一起；
第六步：利用示波器检测上述三只电流传感器的测量线圈(2) 的输出电压信号。
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