CN112710929A - 一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法及系统，电力电子变压器使用前，施加扫频的共模电压激励，将共模分量幅值的比值作为健康状态传递函数，获取健康状态传递函数随频率变化曲线，明确监测层间绝缘的有效频段；使用后，需要监测层间绝缘时，调整使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段，在线测量绕组进线点及中性点处的电压，计算两者的共模分量，获得在线传递函数随频率变化曲线；比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。本发明采用针对具有多层绕组结构的电力电子变压器，通过控制换流器开关调制策略，实现了电力电子变压器绕组层间绝缘在线监测。

Description

一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法及系统

技术领域

本发明涉及变压器监测技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法及系统。

背景技术

电力变压器绝缘系统复杂，由多个绝缘部分组成，包括绕组对箱体的绝缘、绕组对铁心的绝缘和绕组匝间绝缘等。研究表明，传统的工频变压器绕组端部位置的绝缘老化更为明显。这是因为，工频电压沿绕组线性降落，在端部绕组产生的电压应力大。长期工作下，端部绝缘劣化速度会快于其他位置。此外，对于外部的雷电冲击电压和短路产生的过电压，都会沿着绕组进线进入到变压器系统内，在绕组端部产生很大的电压应力，多次累计作用将改变绝缘性能。这两种原因是导致传统工频电力变压器绕组绝缘性能劣化的重要原因。

电力电子换流系统中的谐波含量丰富，对连接的电力电子变压器绝缘性能产生很大影响。相较于传统的工频电力变压器，电力电子变压器绝缘老化诱因更为复杂，主要体现在1)机械老化：承受换流阀周期性开关动作的机械应力，再计及极性反转等工况，加快了换流变绝缘老化速度；2)热老化：换流阀产生的大量谐波加大了换流变铁心涡流和杂散损耗，导致内部导体和绝缘温升异常或局部过热；3)电老化：复合强电场作用下，绝缘内部局部放电现象严重，加剧了绝缘缺陷衍变成严重短路故障。因此，亟需实现对电力电子变压器绕组绝缘系统的预防性监测与保护。

中小型电力电子变压器常常需要把绕组设计成多层结构，确保一定的功率密度。这一类电力电子变压器的绝缘组成部分还包括绕组层与层之间的绝缘(下文称“层间绝缘”)。事实上，在高频系统里，层间绝缘将大大改变整个绕组的电压分布特性，在绕组进线位置处的层间绝缘通常会有较大的高频电压产生的应力作用。长期工作下，电力电子变压器绕组进线处的层间绝缘性能将不断劣化。因此，需要对此进行有效的监测，降低绝缘老化速率、延长电力电子变压器的寿命。

电力工业界广泛采用两大类在线监测方法实现所有电力变压器在线绝缘状态监测。第一类基于物理、化学信号的方法，如温度、振动、油中气体等。第二类基于高频电磁信号，如电流脉冲和局部放电等。这一类技术应用在所有电力变压器在线绝缘状态监测。第三类基于频率响应分析的方法通常是离线测量，在变压器出厂和大修时利用阻抗分析仪进行测试。通过观察响应曲线变化和谐振点移动，根据大量实验分析后的定性规律去评估变压器系统不同位置绝缘老化状况。

现有研究与应用技术中，针对电力变压器层间绝缘老化监测方法几乎没有被专门提及过。

第一类(基于物理、化学信号)的几种方法和第二类基于局部放电现象的方法，通过在变压器箱体内部/外部，安装若干指定传感器测试信号，能够定位到变压器绝缘系统内局部缺陷位置。但是无法特别针对变压器绕组层间绕组进行有效的老化监测。此外，监测灵敏度受现场噪声干扰严重，缺陷定位效果也受到传感器安装位置影响。第三类频率响应分析方法的缺陷包括：1)通常仅能离线进行；2)在监测主体发生改变时，通过大量实验的经验结论可能不再适用；3)无法针对绕组层间绝缘做指定有效的监测，无法根本上降低该类绝缘老化速度。

发明内容

针对具有多层绕组结构的电力电子变压器，通过控制换流器开关调制策略，给出了一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，达到降低绕组层间绝缘劣化速度、延长变压器使用寿命的目的。不需要额外安装其他传感装置、测试装置，监测策略在线实施，具备良好的灵敏度和经济性。

为达到上述目的，本发明提供了一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，包括：

电力电子变压器使用前，获得对层间绝缘电压降存在影响的频率范围作为有效频段；将电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值作为传递函数，测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压，获取健康状态传递函数随频率变化曲线；

电力电子变压器使用后，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比，减小该频段谐波电压对层间绝缘老化的影响；

需要进行层间绝缘监测时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段，实现对层间绝缘老化的监测；在层间绝缘监测时，在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压，获得在线传递函数随频率变化曲线；

比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。

进一步地，有效频段的获取包括：

离线测量获得电压宽频分布结果；

基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果，获得变化率大于阈值的频率范围，作为有效频段。进一步地，离线测量获得电压宽频分布结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，测量多组层间两个相对的分接头各自的压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，测量出线点及中性点处压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。

进一步地，基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，计算每一组的两个相对的分接头的压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，计算出线点及中性点处压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果。

进一步地，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。

进一步地，进行层间绝缘监测的时间为5秒到10秒。本发明另一方面提供一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，包括存储模块、调整模块、测量模块、计算模块和判断模块；

所述存储模块存储电力电子变压器健康状态传递函数随频率变化曲线以及有效频段；传递函数为绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值；对层间绝缘电压降存在影响的频率范围作为有效频段；

所述调整模块在电力电子变压器正常使用过程中，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比；在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段。

进一步地，进行层间绝缘监测的时间为5秒到10秒。

所述测量模块在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压；

所述计算模块计算进线点及中性点处的两个电压共模分量幅值的比值作为在线传递函数，获得在线传递函数随频率变化曲线；

所述判断模块，比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。

进一步地，所述判断模块确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。

进一步地，有效频段的获取包括：

离线测量获得电压宽频分布结果；

基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果，获得变化率大于阈值的频率范围，作为有效频段。

进一步地，测量获得电压宽频分布结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，测量多组层间两个相对的分接头各自的压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，测量出线点及中性点处压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。

进一步地，基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，计算各组的两个相对的分接头的压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，计算出线点及中性点处压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)现有研究与应用技术中，没有专门针对变压器绕组层间绝缘老化的在线监测方法，本发明采用针对具有多层绕组结构的电力电子变压器，通过控制换流器开关调制策略，实现了电力电子变压器绕组层间绝缘监测。

(2)本发明无需配置额外的传感装置或测试装置，基于常规配置的电压互感器，通过软件控制换流器开关调制策略，就能实现非侵入、经济的在线监测。

(3)本发明灵活控制换流器开关调制策略，控制系统内谐波分布，分为正常长期运行状态和短期监测状态，能够有效降低电力电子变压器层间绝缘老化速率、延长使用寿命。

附图说明

图1是电力电子变压器绕组层间绝缘监测流程图；

图2为实施例中变压器一次侧绕组结构和分接头示意图；

图3为实施例中变压器15个分接头的电压宽频分布结果；

图4为实施例中变压器一次侧绕组不同位置层间绝缘电压降落宽频结果；

图5为实施例中变压器一次侧绕组在宽频段上的传递函数基准曲线；

图6为实施例中变压器一次侧绕组老化实验对比结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，包括以下步骤：

(1)电力电子变压器使用前，离线测量获得电压宽频分布结果。包括以下两种方式:

第一，当电力电子变压器配置多个分接头时，离线测量多组层间两个相对的分接头各自的压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。可以选择测量所有分接头的电压宽频分布结果。

当电力电子变压器未配置分接头时，测量出线点及中性点处压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。

(2)基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果，获得变化率大于阈值的频率范围，作为有效频段。

当电力电子变压器配置多个分接头时，计算各组的两个相对的分接头的压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，计算出线点及中性点处压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果。

基于频率响应分析方法，明确威胁电力电子变压器绕组层间绝缘老化的主要谐波频段，作为有效频段。

(3)将电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值作为传递函数，测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压，获取健康状态传递函数随频率变化曲线。

使用前认为电力电子变压器未发生老化，处于健康状态。

变压器传递函数定义为TF＝Up(f_CM)/Un(f_CM)。其中，TF表示传递函数，Up是测试对象绕组进线的相电压幅值，Un是测试对象绕组中性点的相电压幅值，两个电压由系统常规配置的电压互感器测量得到。f_CM是电力电子换流器输出谐波的共模频率。

(4)电力电子变压器使用后，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比，减小该频段谐波电压对层间绝缘老化的影响，减缓电力电子变压器绝缘老化速度、延长使用寿命。需要进行层间绝缘监测时，短时调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段，覆盖时间一般设置在5秒到10秒，实现对层间绝缘老化的监测。定期进行测量，仅在测量时调整为该工作状态。

(5)在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压，获得在线传递函数随频率变化曲线。

(6)比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，根据谐振点对应传递函数的变化确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。

确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。

基于电力电子换流系统内固有高频谐波，实现非侵入式的电力电子变压器绕组层间绝缘监测。

本发明另一方面提供一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，实现电力电子变压器绕组层间绝缘的在线定期测量。包括存储模块、调整模块、测量模块、计算模块和判断模块；

所述存储模块存储电力电子变压器健康状态传递函数随频率变化曲线以及有效频段；传递函数为绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值；对层间绝缘电压降存在影响的频率范围作为有效频段；

所述调整模块在电力电子变压器正常使用过程中，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比；在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段；所述调整模块在电力电子变压器正常工作时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段。进一步地，可以设置为两种模式，正常使用模式和绝缘监测模式，所述调整模块进行两种模式的切换。

所述测量模块在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压。

所述计算模块计算进线点及中性点处的两个电压共模分量幅值的比值作为在线传递函数，获得在线传递函数随频率变化曲线。

所述判断模块，比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。所述判断模块确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。

实施例：

工业用变频器输出丰富的谐波，开关频率16kHz，用于模拟电力电子换流系统，连接示例变压器。示例变压器是YN/yn接线方式，一次侧绕组具备双侧绕组结构，有15个分接头，如图2所示。

(1)获得示例变压器绕组15个分接头的电压宽频分布结果，如图3所示。

(2)得到绕组不同位置层间绝缘电压降落宽频结果，如图4所示。

根据第一组(绕组出线处Tap1→15)位置的层间绝缘电压降落结果，确定用于监测层间绝缘老化状况的有效频段为100kHz～200kHz。包含串联谐振频率f1＝144kHz和并联谐振频率f2＝176kHz。

(3)在变压器健康状况良好时，测量示例变压器绕组进线和中性点处的两个电压，获得共模分量，构建宽频段上的传递函数基准曲线，如图5所示。

(4)进行示例变压器一次侧绕组进线处层间绝缘老化实验，老化程度是S2＝17.5％，S3＝37.2％和S4＝44.3％。对每一组老化情况，在线测量示例变压器一次侧绕组进线和中性点处的两个电压，计算出共模分量，构建宽频段上的传递函数在线测量的三组老化实验曲线，对比健康基准(S1＝0％)，如图6所示。

图6中包括了在谐振f1和f2频率下，四组实验曲线的对比结果。可以看出随着一次侧绕组进线处层间绝缘老化程度的加深，传递函数TF变化线性且灵敏反映了老化程度。验证了本发明所述方法的有效性。

实现一种服务于电力电子变压器绕组层间绝缘预防性监测与保护的换流器开关调制综合策略，即正常长期运行状态下，设计的开关调制策略需避开主谐波频段，以降低绝缘老化速率；短期监测状态下，调整开关调制策略注入一定该频段下的谐波分量，用于实现具备可控、灵敏、经济的非侵入在线绕组层间绝缘老化监测。

综上所述，本发明涉及一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法及系统，电力电子变压器使用前，施加扫频的共模电压激励，测量绕组进线点及中性点处电压，将共模分量幅值的比值作为健康状态传递函数，获取健康状态传递函数随频率变化曲线，明确监测层间绝缘的有效频段；电力电子变压器使用后，在正常运行时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量有效避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比；在需要监测层间绝缘时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段，在线测量绕组进线点及中性点处的电压，计算两者的共模分量，获得在线传递函数随频率变化曲线；比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。本发明采用针对具有多层绕组结构的电力电子变压器，通过控制换流器开关调制策略，实现了电力电子变压器绕组层间绝缘监测。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，包括：

电力电子变压器使用前，获得对层间绝缘电压降存在影响的频率范围作为有效频段；将电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值作为传递函数，测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处电压，获取健康状态传递函数随频率变化曲线；

电力电子变压器使用后，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比，减小该频段谐波电压对层间绝缘老化的影响；

需要进行层间绝缘监测时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段，实现对层间绝缘老化的监测；在层间绝缘监测时，在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压，获得在线传递函数随频率变化曲线；

比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。

2.根据权利要求1所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，有效频段的获取包括：

离线测量获得电压宽频分布结果；

基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果，获得变化率大于阈值的频率范围，作为有效频段。

3.根据权利要求2所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，离线测量获得电压宽频分布结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，测量多组层间两个相对的分接头各自的压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，测量出线点及中性点处压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。

4.根据权利要求3所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，计算每一组的两个相对的分接头的压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，计算出线点及中性点处压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果。

5.根据权利要求1至4之一所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测方法，其特征在于，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。进一步地，进行层间绝缘监测的时间为5秒到10秒。

6.一种电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，其特征在于，包括存储模块、调整模块、测量模块、计算模块和判断模块；

所述存储模块存储电力电子变压器健康状态传递函数随频率变化曲线以及有效频段；传递函数为绕组进线点及中性点处电压共模分量幅值的比值；对层间绝缘电压降存在影响的频率范围作为有效频段；

所述调整模块在电力电子变压器正常使用过程中，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量避开所述有效频段或者降低有效频段上谐波分量的占比；在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，调整电力电子换流器的开关调制方式，使得电力电子变压器输出电压的谐波分量覆盖所述有效频段；

所述测量模块在电力电子变压器进行层间绝缘监测时，在线测量电力电子变压器绕组进线点及中性点处的两个电压；

所述计算模块计算进线点及中性点处的两个电压共模分量幅值的比值作为在线传递函数，获得在线传递函数随频率变化曲线；

所述判断模块，比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态。

7.根据权利要求6所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，其特征在于，所述判断模块确定电力电子变压器绕组层间绝缘状态包括：比较在线传递函数随频率变化曲线与健康状态传递函数随频率变化曲线，计算谐振点对应传递函数的变化值，如果变化值超过门限值判断发生绕组层间绝缘老化；否则判断绕组层间绝缘正常。进一步地，进行层间绝缘监测的时间为5秒到10秒。

8.根据权利要求6或7所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，其特征在于，有效频段的获取包括：

离线测量获得电压宽频分布结果；

基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果，获得变化率大于阈值的频率范围，作为有效频段。

9.根据权利要求8所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，其特征在于，测量获得电压宽频分布结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，测量多组层间两个相对的分接头各自的压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，测量出线点及中性点处压降随频率的变化结果作为电压宽频分布结果。

10.根据权利要求8所述的电力电子变压器绕组层间绝缘监测系统，其特征在于，基于电压宽频分布结果计算层间绝缘电压降落宽频结果包括：

当电力电子变压器配置多个分接头时，计算各组的两个相对的分接头的压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果；

当电力电子变压器未配置分接头时，计算出线点及中性点处压降差值随频率的变化结果作为层间绝缘电压降落宽频结果。

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