CN112034397A - 基于工频过零点的变压器频响信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于工频过零点的变压器频响信号检测方法。该检测方法中采用线圈式电流传感器套在变压器高压套管根部，检测套管内高压导杆上的高频频响电流信号。将大功率稳压二极管与线圈的积分电阻并联，将传感器的输出电压信号限制在线圈磁芯饱和之前的线性范围之内，然后利用滤波算法提取叠加在工频干扰上的高频信号；最后提取高频信号的最大值作为最终检测结果。

Description

基于工频过零点的变压器频响信号检测方法
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为线圈与导体之间的互感；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_IMAGE001
（1）
传感器的传递函数H(S)为：
Figure 672451DEST_PATH_IMAGE002
（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_IMAGE003
（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。
进而，该电流传感器的测量频带的下限频率为：
Figure 216696DEST_PATH_IMAGE004
（4）
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_IMAGE005
（5）
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。
假设磁芯的饱和磁感应强度为B0，则在工频大电流作用下磁芯的磁感应强度达到B0时，积分电阻R上的工频电压峰值UZ为：
Figure 210060DEST_PATH_IMAGE006
（6）
式中r为磁芯的内半径。
鉴于稳压二极管已经限制了积分电阻上的电压，因而对于套管高压导杆上可能出现的幅值非常大的工频电流而言，线圈可以近似处于短路状态，则线圈上可能出现的最大工频电流峰值IZ为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（7）
式中I1为套管高压导杆上可能出现的最大工频电流的幅值，N为线圈的匝数。
当上述高频电流传感器被用于测量变压器高压套管内部高压导杆上的高频频响电流信号时，由于频响电流信号幅值大约在几毫安，为了提高传感器的灵敏度，传感器的积分电阻R不能太小，从而导致高压导杆中上百安培的工频电流使得传感器磁芯发生饱和。只有在工频电流过零点附近，由于工频电流的瞬时值的绝对值小于IZ，磁芯暂时处于非饱和区（线性区）。因此，本发明提出利用工频电流过零点附近的一段时间内（这段时间内工频电流瞬时值的绝对值小于IZ）检测微弱的高频频响电流信号。
发明内容
本发明提供基于工频过零点的变压器频响信号检测方法，其特征是，该方法由下列步骤组成：
第一步：利用线圈型电流传感器常用等效电路，根据线圈型电流传感器的线圈匝数、线圈电感、积分电阻和磁芯的工频饱和磁感应强度，计算磁芯出现磁饱和时积分电阻上的工频电压峰值UZ，以及线圈上可能出现的最大工频电流峰值IZ；
第二步：将击穿电压为UZ、导通电流可达IZ的两只稳压二极管[1]的阴极连接在一起，阳极分别连接在传感器线圈[2]的两端，使二极管与传感器的积分电阻[3]并联；
第三步：利用信号采集电路[4]测量20ms内传感器的输出电压u2(t)的波形；
第四步：利用中心频率为f0的带通数字滤波器处理u2(t)，提取其中包含的频率为f0的频响信号u2f(t)；
第五步：计算20ms内u2f(t)的最大幅值，作为变压器绕组对于频率为f0的正弦激励信号的响应信号幅值。
由于传感器的输出电压u2(t)的幅值受到稳压二极管[1]的限制，其绝对值保持在UZ之内，使得u2(t)的幅值不至于过高而无法被后续的信号采集电路[4]接收到。因此u2(t)的波形可以被完整记录下来，并且u2(t)的波形是被削顶的工频正弦波u2-50(t)，并且在u2-50(t)的上升沿和下降沿上叠加了微小的高频正弦波信号u2Hf(t)。其中的u2Hf(t)就是高频响应电流所对应的传感器输出电压信号，其幅值是检测目标。根据UZ的设定方法可知，在u2-50(t)的上升沿和下降沿对应的时间段内，传感器磁芯没有饱和，处于线性阶段（即，励磁电流与磁感应强度成线性关系），则高频正弦波信号u2f(t)也与被测高频频响电流If(t)成正比，从而能够根据电流传感器的传递函数（3）从u2f(t)的幅值推导出电流If(t)的大小。
本发明给出了从u2(t)中提取u2Hf(t)幅值的方法。即，利用中心频率为f0的带通数字滤波器处理u2(t)，其中f0为高频响应电流信号If(t)的中心频率，则带通数字滤波器的输出结果就是u2f(t)。更进一步，计算20ms内u2f(t)的最大幅值，因为这个最大幅值对应的是工频电流过零点附近，避免了磁芯从现行阶段向饱和阶段过渡时刻输出的u2f(t)的影响（在这个过渡阶段，u2f(t)的幅值小于工频电流过零点时刻u2f(t)的幅值）。因此，选择20ms内u2f(t)的最大幅值作为对于高频响应电流信号If(t)的测量结果，能够避免磁芯从现行阶段向饱和阶段过渡造成的影响。
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为本发明提出的带稳压二极管的电流传感器结构示意图。
图5为本发明提出的带稳压二极管的电流传感器等效电路图。
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：针对实际中所使用的某一款线圈式电流互感器，利用公式（6）和（7）计算UZ和IZ。例如，设所用的电流传感器的磁芯整体为环形，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，饱和磁感应强度为0.6T；传感器的线圈[2]由铜漆包线绕制而成，所用铜漆包线的直径为0.5mm，均匀地缠绕在环形的磁芯上，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。将上述参数代入公式（6），计算出UZ=13.2V。假设套管高压导杆上可能出现的最大工频电流为600A，则根据公式（7）可得IZ=5.66A；
第二步：选择击穿电压为UZ、导通电流可达IZ的两只稳压二极管[1]，将它们的阴极连接在一起，阳极分别连接在传感器线圈[2]的两端，使二极管与传感器的积分电阻[3]并联，如图4所示；
第二步：利用信号采集电路[4]测量20ms内传感器的输出电压u2(t)的波形；
第三步：利用中心频率为f0的带通数字滤波器处理u2(t)，提取其中包含的频率为f0的频响信号u2f(t)；
第四步：计算20ms内u2f(t)的最大幅值，作为变压器绕组对于频率为f0的正弦激励信号的响应信号幅值。
对于50kHz、10mA的被测高频电流信号，该传感器的输出电压信号u2等于3.35mv。而对于600A的工频电流，如果不考虑磁芯饱和问题，传感器的输出电压高达±37.3V。根据本发明，增加了稳压二极管[1]之后，传感器的输出信号被限制在±13.2V。可见，增加了稳压二级管之后，叠加在工频干扰上的微弱高频信号能够更容易被信号采集电路[4]检测到。进一步可以算出，在工频600A电流下，该传感器工频过零点线性测量范围达到2.28ms。

Claims (1)

1.一种基于工频过零点的变压器频响信号检测方法，其特征是，该方法由下列步骤组成：
第一步：利用线圈型电流传感器常用等效电路，根据线圈型电流传感器的线圈匝数、线圈电感、积分电阻和磁芯的工频饱和磁感应强度，计算磁芯出现磁饱和时积分电阻上的工频电压峰值UZ，以及线圈上可能出现的最大工频电流峰值IZ；
第二步：将击穿电压为UZ、导通电流可达IZ的两只稳压二极管[1]的阴极连接在一起，阳极分别连接在传感器线圈[2]的两端，使二极管与传感器的积分电阻[3]并联；
第三步：测量20ms内传感器的输出电压u2(t)的波形；
第四步：利用中心频率为f0的带通数字滤波器处理u2(t)，提取其中包含的频率为f0的频响信号u2f(t)；
第五步：计算20ms内u2f(t)的最大幅值，作为变压器绕组对于频率为f0的正弦激励信号的响应信号幅值。
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