CN112305466A - 基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，该方法包括以下步骤：步骤1：基于变压器端口电压和电流，通过参数辨识方法辨识得到绕组的漏感参数，并进一步通过漏感参数来判断得到变压器绕组端部变形检测结果；步骤2：基于采集得到的绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，并进一步通过磁感应强度差动量和制动量来判断得到变压器绕组中部辐向变形检测结果；步骤3：综合变压器绕组端部变形检测结果和变压器绕组中部辐向变形检测结果，得到完整的变压器绕组检测结果。与现有技术相比，本发明具有可以减少光纤传感器头的数量，实现对变压器绕组端部和中部辐向变形的检测等优点。

Description

基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统中电力变压器内部绕组变形在线监测，及漏磁场的测量和绕组漏感参数的辨识技术领域，尤其是涉及一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法。

背景技术

电力变压器的安全、稳定运行对电网的正常运行具有重要的意义。变压器价格昂贵，出现故障会对电网公司造成巨大损失，同时对整个电网的稳定和安全造成很大的威胁。而变压器的运输、安装不当会照成绕组位移，区外发生故障会照成绕组变形，如果不尽快发现维修，会造成绝缘破坏，形成匝间故障损毁变压器整个绕组。所以。变压器绕组变形的在线监测，对变压器的安全、稳定运行具有重要的意义。

目前检测变压器绕组变形的方法主要离线试验方法。用的比较多的是高频信号的频率响应方法。在变压器停运后，在变压器绕组上加入高频信号，检测高频信号通过绕组后的响应信号，通过频率信号的变化检测绕组变形。频率响应法需要退运变压器，造成电网大量负荷损失，同时频率响应测量方法为间接测量法，多种因素均会造成频率响应的变化，准确度有待提高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：基于变压器端口电压和电流，通过参数辨识方法辨识得到绕组的漏感参数，并进一步通过漏感参数来判断得到变压器绕组端部变形检测结果；

步骤2：基于采集得到的绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，并进一步通过磁感应强度差动量和制动量来判断得到变压器绕组中部辐向变形检测结果；

步骤3：综合变压器绕组端部变形检测结果和变压器绕组中部辐向变形检测结果，得到完整的变压器绕组检测结果。

进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤101：采集变压器高低压端口电压和电流；

步骤102：基于变压器端口电压和电流，通过参数辨识方法辨识得到绕组的漏感参数；

步骤103：通过漏感参数进一步得到变压器的短路电抗以及短路电感；

步骤104：基于短路电感的变化反应得到变压器绕组端部变形检测结果。

进一步地，所述步骤102中的漏感参数，其描述公式为：

其中，

式中，Z_k为变压器的短路阻抗，i_1k为高压侧电流第k个时刻的值，N为每周期采样点数，u_1k为高压侧电压第k个时刻的值，u_2k为低压侧电压归算到高压侧第k个时刻的值。

进一步地，所述的步骤103中变压器的短路电抗，其计算公式为：

X_k＝imag(Z_k)

式中，X_k为变压器的短路电抗。

进一步地，所述的步骤104中变压器的短路电感，其计算公式为：

式中，L_k为变压器的短路电感，f为变压器的频率。

进一步地，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤201：将光纤磁场传感器安装设置于变压器绕组的中部及两端，形成磁差动继电器，并采集绕组中部的磁感应强度；

步骤202：基于采集得到的绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，并依据磁差动继电器的动作判据判断得到变压器绕组中部辐向变形检测结果。

进一步地，所述步骤202中的磁差动继电器的动作判据，其描述公式为：

B_cd,i≥B_qd,B_re,i＜B_g

B_cd,i＞KB_re,i,B_re,i≥B_g

式中，B_cd,i为磁场差动量，B_re,i为绕组漏磁场磁感应强度，B_qd为磁场制动量，K为磁差动继电器的比率系数，B_g为磁差动继电器的启动门槛值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法针对电力变压器运行过程中发生绕组变形不易检测，只有停运使用频率响应或短路试验等方法进行测试，检测出绕组变形的问题，采用利用端口电压、电流在线辨识漏感参数，利用光纤磁场传感器计算磁差动动作量和制动量，检测绕组端部变短和中部鼓包、凹陷变形，具有在线的绕组变形检测功能，变压器不用断电，电网不损失负荷，检测设备简单；

(2)本发明方法中的光纤传感器头为非导电材料，放到变压器绕组内部不会造成绝缘损坏，不会影响变压器的正常工作状态，并且为无源探头，用于高电压等级设备没有绝缘和干扰问题；

(3)采用本发明方法可以对变压器绕组变形位置进行定位，便于变压器吊盖检修，漏感参数变化定位为绕组端部变短，磁差动动作检测为绕组中部鼓包或凹陷；

(4)本发明方法步骤包括：S1通过变压器各侧端口电压、电流通过参数辨识方法，辨识出绕组的漏感参数，根据漏感值增加判断出变压器绕组端部变短变形；S2：通过比较磁感应强度差动量和制动量的大小判断绕组中部辐向变形的情况；S3：综合漏感参数辨识参数变化和磁感应强度的变化结果，输出绕组变形的类型。漏感参数的变大反映绕组端部变短，磁差动量大于磁制动量，绕组中部鼓包或凹陷，该方法可以减少光纤传感器头的数量，实现对变压器绕组端部和中部辐向变形的检测。

附图说明

图1为本发明检测方法的总体流程图；

图2为本发明检测方法实施例中用于漏感参数辨识的电气量采集的模型示意图；

图3为本发明检测方法实施例中光纤磁场传感器采集绕组磁感应强度的模型示意图；

图4为本发明检测方法实施例中于ansys中搭建的变压器模型示意图；

图5为本发明检测方法实施例中与变压器模型耦合的外电路示意图；

图6为本发明检测方法实施例中高压绕组发生轴向位移模型示意图；

图7为本发明检测方法实施例中高压绕组发生辐向位移模型示意图；

图8为本发明检测方法实施例中横向磁差动量的检测结果示意图；

图9为本发明检测方法实施例中纵向磁差动量的检测结果示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一、本发明方法概述

本发明提出一种利用光纤磁场传感器和变压器端口电流和电压辨识参数的绕组端部变短变形、绕组中部辐向变形的绕组变形在线检测方法，该方法可以减少光纤传感器头的数量，实现对变压器绕组端部和中部辐向变形的检测，包括以下步骤：

S1：通过变压器各侧端口电压、电流通过参数辨识方法，辨识出绕组的漏感参数，绕组端部轴向变短变形漏感参数值会增加，根据漏感值增加判断出变压器绕组端部变短变形。

S2：通过在绕组中部安装光纤磁场传感器，采集绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，通过比较磁感应强度差动量和制动量的大小判断绕组中部辐向变形的情况，辐向变形时差动量大于制动量。

S3：综合漏感参数辨识参数变化和磁感应强度的变化结果，输出绕组变形的类型。漏感参数的变大反映绕组端部变短，磁差动量大于磁制动量，绕组中部鼓包或凹陷。

S1中，绕组端口电流电压在线辨识漏感参数，漏感参数变大，检测出绕组端部被压缩变短。

S2中，光纤磁场传感器被安装在圆环上，在圆周上没隔90度安装一个，安装环安装在变压器低压绕组外部和高压绕组内部，高、低压侧圆环上对应位置的点构成一对差动量和制动量的计算测点。

简单概括地说，本发明为了解决变压器绕组变形的离线测量，电网损失大量负荷，及绕组变形检测准确率不高等问题，提出的基于光纤磁场测量和参数辨识的变压器绕组在线检测方法，包括以下几个步骤，如图1所示：

(1)漏感参数的在线辨识和漏感参数变化的判别。

(2)漏磁场磁感应强度差动量和制动量的计算和判别。

(3)根据漏磁场参数的变化检测出变压器绕组端部变短变形。

(4)根据磁感应强度差动量和制动量的大小关系，检测出绕组的中部辐向变形。

步骤(1)中包括变压器端部电气量的采集，漏感参数的准确计算，及漏感参数和整定值比较，步骤(2)中包括光纤磁场传感器头的安装方法和安装位置，磁差动动作量和制动量的计算方法，绕组中部辐向变形的判别方法。

二、具体实际实施例

1)绕组在线变形检测电气量和磁感应强度的采集

变压器变形检测方法中用于参数辨识的电气量采集如图2所示，采集变压器高低压端口的电压和电流。利用光纤磁场传感器采集磁感应强度，光纤磁场传感器安装环安装在变压器绕组的中部，分别安装在内侧绕组的外部和外侧绕组的内部，如图3所示。

2)绕组端部变形和绕组中部变形的判别

绕组端部变形的判断依据漏感参数的变化。漏感参数的辨识如：

其中，

式中，Z_k为变压器的短路阻抗，i_1k为高压侧电流第k个时刻的值，N为每周期采样点数，u_1k为高压侧电压第k个时刻的值，u_2k为低压侧电压归算到高压侧第k个时刻的值。

变压器的短路电抗为：

X_k＝imag(Z_k)

式中，X_k为变压器的短路电抗。

短路电感为：

式中，L_k为变压器的短路电感，f为变压器的频率。

3)绕组中部变形依据磁感应强度分布的变化

安装于绕组上的一组传感器头构成了一组磁差动继电器。每一个绕组分别在两端和中间分布安装一组磁差动继电器，分别用于检测绕组端部变形和绕组中部变形。

由于现场变压器变形绕组样本分析和各种工况下绕组各部分所受的应力分析，可以看出绕组变形最可能发生在端部和中间位置，分别对应于绕组端部压缩和缺角、中部鼓出。在圆周上均匀分布的传感器头，可以检测出漏磁场的不对称性，根据三个位置上的磁差动继电器的动作情况，判别绕组变形的位置。磁差动继电器的动作判据如下式所示：

B_cd,i≥B_qd,B_re,i＜B_g

B_cd,i＞KB_re,i,B_re,i≥B_g

式中，B_cd,i为磁场差动量，B_re,i为绕组漏磁场磁感应强度，B_qd为磁场制动量，K为磁差动继电器的比率系数，B_g为磁差动继电器的启动门槛值。

通过上文分析，绕组各种情况下B_cd,i、B_re,i在比率制动平面上所处的位置不同。当绕组端部变形或中部变形时，处于磁差动平面的动作区，能够可靠动作。

三、仿真验证

变压器ANSYS有限元模型及电磁暂态模型如图4、图5所示，绕组及铁芯的结构参数如表1、表2所示。变压器绕组变形模型如图6、图7所示。

(1)变压器轴向变形的仿真

变压器受到外部短路冲击时，绕组上会受到巨大的轴向压力，引起绕组上下发生压缩变形。表3仿真了变压器轴向变形程度逐渐加深时的短路电感。从表中可以看出，随着变形程度的加深，短路电感逐渐增加。短路电感的变化可反应绕组轴向变形的情况。

(2)变压器辐向变形的仿真

利用椭圆形和1/8圆周相交，形成绕组辐向变形后的绕组外形，用于仿真绕组辐向变形，辐向变形程度与变形后最大半径与原半径有关。绕组的变形位置设置在变压器绕组的中部仿真结果如表4与表5所示，从表中可以看出，随着变形程度的加深，漏感值几乎不变。漏感参数不能反映出绕组中部的辐向变形情况。利用参数辨识检测漏感参数变化的方法，不能检测出绕组中部的辐向变形。

(3)变压器绕组中部变形光纤磁场传感器的检测结果

图8，图9仿真了变压器中部辐向变形后轴向和辐向的磁差动量。从图8、图9可以看出，通过光纤磁场传感器采集到的横向磁场分量形成的横向磁差动量，纵向磁场分量形成的纵向磁差动量，在绕组中部发生辐向变形时，磁差动量都会发生变化，其中纵向磁差动量随着变形程度的增加，变化很明显。用磁差动法可以反应绕组辐向变形，可弥补参数辨识难以反应辐向变形的缺点。

表1变压器电气参数

表2变压器结构参数

表3绕组轴向变形时短路电感变化

表4绕组辐向向变形时短路电感的变化(单个鼓包)

表5绕组辐向向变形时短路电感的变化(单个鼓包)

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：基于变压器端口电压和电流，通过参数辨识方法辨识得到绕组的漏感参数，并进一步通过漏感参数来判断得到变压器绕组端部变形检测结果；

步骤2：基于采集得到的绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，并进一步通过磁感应强度差动量和制动量来判断得到变压器绕组中部辐向变形检测结果；

步骤3：综合变压器绕组端部变形检测结果和变压器绕组中部辐向变形检测结果，得到完整的变压器绕组检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤101：采集变压器高低压端口电压和电流；

步骤102：基于变压器端口电压和电流，通过参数辨识方法辨识得到绕组的漏感参数；

步骤103：通过漏感参数进一步得到变压器的短路电抗以及短路电感；

步骤104：基于短路电感的变化反应得到变压器绕组端部变形检测结果。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述步骤102中的漏感参数，其描述公式为：

其中，

式中，Z_k为变压器的短路阻抗，i_1k为高压侧电流第k个时刻的值，N为每周期采样点数，u_1k为高压侧电压第k个时刻的值，u_2k为低压侧电压归算到高压侧第k个时刻的值。

4.根据权利要求2所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述的步骤103中变压器的短路电抗，其计算公式为：

X_k＝imag(Z_k)

式中，X_k为变压器的短路电抗。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述的步骤104中变压器的短路电感，其计算公式为：

式中，L_k为变压器的短路电感，f为变压器的频率。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤201：将光纤磁场传感器安装设置于变压器绕组的中部及两端，形成磁差动继电器，并采集绕组中部的磁感应强度；

步骤202：基于采集得到的绕组中部的磁感应强度，形成磁感应强度差动量和制动量，并依据磁差动继电器的动作判据判断得到变压器绕组中部辐向变形检测结果。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤磁场传感器和漏感的变压器绕组变形检测方法，其特征在于，所述步骤202中的磁差动继电器的动作判据，其描述公式为：

B_cd,i≥B_qd,B_re,i＜B_g

B_cd,i＞KB_re,i,B_re,i≥B_g

式中，B_cd,i为磁场差动量，B_re,i为绕组漏磁场磁感应强度，B_qd为磁场制动量，K为磁差动继电器的比率系数，B_g为磁差动继电器的启动门槛值。

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