CN112902824B - 一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法，所述判断方法包括数据提取，感应电压计算模型搭建，电气设备故障后内部绝缘判据，数据分析判断和结论输出；当变压器绕组没发生形变的情况下，变压器故障掉闸后，变压器高压侧会产生感应电压；当变压器发生绕组变形后，变压器内部结构发生变化，变压器整体对地电容将发生改变，从而影响到高压侧的感应电压；基于此原理及变化规律，通过研判故障后变压器高压侧感应电压大小，即可实现对电力变压器内部绕组变形情况的快速判断。本发明实现了无接触测量，大大减少了测量工作量和时间；故障后检测判断时间可达分钟级，提高了对设备状态的感知能力，确保了电网的安全运行。

Description

一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体地说，涉及一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法。

背景技术

目前变压器绕组变形检测方法主要包括：短路阻抗法，低压脉冲法，频率响应分析法，电容量变化法，振动法，超声波检测法等。这些方法多是基于变压器绕组发生形变导致变压器等值电路网络参数的改变，可以直接测量电参数，如电容量变化法，也可以利用电参数改变后变压器对输入信号的响应与正常情况不同，从而形成发生故障的判据，如低压脉冲法和频率响应法。也有以变压器漏电抗作为判断依据，根据漏电抗电路参数的变化判断绕组是否变形，如短路阻抗法。除了以上利用变压器电参数的变化，也可以直接利用变压器其他物理特性的改变作为绕组变形的依据，如超声波检测法测量绕组的位置，振动法测量变压器器身产生振动信号等。

传统的变压器检测方法对检测设备要求较高，比如超声波检测法和振动法都需要专业的传感器和测量仪。其他方法对设备要求低，但在检测过程中需要检测人员与变压器接触，因此不仅要将线路停运，还要做好放电、接地等保护工作，检测条件比较严格。检测时工作量较大，有时对于电容的测量和计算误差也较大。在电力线路处于热备用停运状态下，能直接通过测量电压从而判断变压器绕组是否变形，对于保障电力供应、排除故障具有重要意义。

发明内容

本发明基于前人的研究，提出了一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法，以解决现有问题中的不足。所述判断方法包括如下步骤：

步骤1)：提取数据；从调度控制系统获取变压器高压侧感应电压值，通过通信线路将变电站电压互感器采集到的电压数据传递至调度控制系统，记为U_测，并将获取的数值U_测存储至数据库中；

步骤2)：感应电压计算模型搭建；搭建变压器感应电压模型，实现变压器正常情况和绕组发生形变后感应电压理论值的计算；

步骤3)：电气设备故障后内部绝缘判据；依托已建立好的计算模型，计算出各电气设备正常工况下变压器热备用状态高压侧感应电压数值，记为U₁；同时计算出变压器绕组发生辐向形变和轴向形变后的感应电压，记为U₂和U₃；若U₂和U₃相对U₁偏移一定程度达到绕组变形的判据，则认为变压器内部发生绕组变形；

步骤4)：数据分析判断；变压器支路掉闸后，将测量的感应电压与判据库中的数值进行比对，从而确定绕组是否发生形变；

步骤5)：结论输出；将判断结论推送至判断结果输出，给出变压器绕组的输出报告。

优选的，所述步骤1通过运行于计算机上的程序模块进行实现。

优选的，所述步骤2具体分为以下4个部分：

1)变压器饼间电容和匝间电容的计算；

变压器饼间电容的计算公式为

其中，ε_o为常值8.85；δ_p为组合绝缘间距；d₁、d₂为线饼内外直径；d_a为线饼平均直径/>

B为线饼宽度；ε_p为组合绝缘的等值介电常数，计算公式为/>

其中/>

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i之比，然后求和；

匝间电容属于同轴圆柱体之间的电容；变压器匝间电容的计算公式为

其中的ε_p为线圈间介质的组合绝缘的介电常数，计算公式为

其中/>

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i和匝间平均直径d_i的乘积之比，然后求和；

2)变压器等值电容的计算；

实际计算中不可能把变压器绕组所有线饼和所有匝间电容表示出来，而只能利用集中参数表示，然后将多个集中参数串联；等值电容利用总能量相等的原理计算得到；存储在线匝间电容的静电能量为

存储在两饼间的静电能量为/>

对于两饼绕组，除了绕组端部的两对线饼之外，其余每对线饼与两边的线饼相邻，因此储存在一对线饼的饼间电容中的总静电能量为

设等值电容为C_e，根据能量守恒原理有：

化简得变压器等值电容C_e的计算公式为：

N为变压器匝数，C_Z为变压器匝间电容值；C_B为变压器饼间电容值；

3)变压器等值电感的计算；

变压器等值电感的计算公式为：

其中，l为变压器铁心回路平均长度；N为线圈匝数；S为变压器铁芯磁回路截面积；μ为变压器铁芯的磁导率；

4)变压器横向电容的计算；

设高中压绕组对地电容为C₁，低压绕组对地电容为C₂，高中压与低压绕组间电容为C₁₂；对于绕组与绕组之间、绕组与箱壁之间的电容，视为同轴圆柱体之间的电容；变压器出厂之前或者停运检修时，都会测量变压器绕组对地电容和介质损耗因数，利用这些数据计算出绕组对地和绕组之间的电容：

其中，C_L-HMG为低压绕组对高中压绕组及地电容(高中压绕组接地)；C_HM-LG为高中压绕组对低压绕组及地电容(低压绕组接地)；C_HML-G为高中低压绕组对地电容(高中低压绕组短接)；C_L-HMG、C_HM-LG和C_HML-G的值查询实验报告得到，通过方程组得到C₁、C₂、C₃。

优选的，所述步骤4中的判断依据包括：

1)U_测∈U₁±20％U₁时，认为变压器绝缘无问题，可恢复送电；

2)U_测∈U₂±20％U₂时，认为变压器绕组发生辐向形变，不可恢复送电；

3)U_测∈U₂±20％U₃时，认为变压器绕组发生轴向形变，不可恢复送电；

4)U_测值在其余区间，认为变压器绕组没有形变，但存在其他绝缘故障，需等待进一步检测。

优选的，所述步骤5中的输出报告包含变压器绝缘性能以及是否具备恢复送电条件的内容。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的技术方案可以在变压器绕组发生故障后，通过感应电压判断变压器绕组是否发生形变和位移，只需要故障录波器而不再使用其他设备就能判断绕组是否发生形变，并且不用实施断开刀闸以及放电等措施，实现无接触测量，大大减少了测量工作量及测量时间。故障后检测判断时间可达分钟级，大幅提高运行人员对设备状态的感知能力，为变压器故障后实现快速恢复送电提供技术手段，确保电网安全运行及电力可靠供应。

附图说明

图1为本发明的一种快速判断主变设备内部绕组变形方法的流程图；

图2为本发明的变压器高压侧等效电路图；

图3为以单饼为单元的考虑损耗的变压器线圈等值电路；

图4为本发明的步骤2中的变压器绕组饼间结构示意图；

图5为本发明的步骤2中的变压器线圈匝间结构示意图；

图6为本发明的步骤2中的变压器横向电容结构示意图。

具体实施方式

为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。

首先，如图1所示，图1为本发明的一种快速判断主变设备内部绕组变形方法的流程图；所述方法包括步骤如下。

步骤1)数据提取；

利用运行于计算机上的数据采集模块，从调度控制系统获取变压器高压侧感应电压值，记为U_测，并将获取的数值存储至数据库中。

步骤2)感应电压计算模型的搭建；

搭建变压器感应电压模型，实现变压器正常情况和绕组发生形变后感应电压理论值的计算，此处的模型不仅包含变压器模型，还有线路上其他对感应电压影响较大的模型，包括断路器断口电容，电压互感器和电流互感器等效电容，线路对地电容等。绕组发生形变后主要影响变压器对地电容，电容的变化量较小，因此感应电压变化相对较小，可以与变压器接地短路区分。

步骤3)电气设备故障后内部绝缘判据；

变压器绕组形变主要分为辐向形变和轴向形变。变压器绕组线圈的辐向扭曲变形主要是由于较大的短路电流和漏磁场的辐向分量引起的辐向压缩作用使得绕组辐向失稳而发生变形故障。此时，变压器内外绕组之间的相对距离发生变化，从而造成电容的改变。变压器绕组线圈的轴向扭曲变形主要是由于短路电流和漏磁场的轴向分量引起的轴向的相互挤压或撞击使得绕组轴向失稳而发生变形故障。当变压器绕组线圈间隙较大或有部分撑条出现移位时，使得绕组在轴向上被扭曲成S状，此时将会导致绕组饼间电容和对地电容发生改变。

依托已建立好的计算模型，可计算出各电气设备正常工况下变压器热备用状态高压侧感应电压数值，记为U₁；同时可计算出变压器绕组发生辐向形变和轴向形变后的感应电压，记为U₂和U₃。根据已知规律，变压器绕组发生辐向形变后，辐向电容参数和纵向电容参数均随形变程度增大而减小，而发生轴向位移后相反。若U₂和U₃相对U₁偏移一定程度达到绕组变形的判据，则认为变压器内部发生绕组变形。

步骤4)数据分析判断；

变压器支路掉闸后，将测量的感应电压与判据库中的数值进行比对，从而确定绕组是否发生形变。考虑计算误差，我们设定判据如下：

(1)U_测∈U₁±20％U₁时，认为变压器绝缘无问题，可恢复送电；

(2)U_测∈U₂±20％U₂时，认为变压器绕组发生辐向形变，不可恢复送电；

(3)U_测∈U₂±20％U₃时，认为变压器绕组发生轴向形变，不可恢复送电；

(4)U_测值在其余区间，认为变压器绕组没有形变，但存在其他绝缘故障，需等待进一步检测。

步骤5)结论输出；

数据分析判断模块将判断结论推送至判断结果输出模块，由结论输出模块给出变压器绕组的输出报告，报告含绝缘性能以及是否具备恢复送电条件等内容。

进一步地，请参见图2和图3；图2为本发明的变压器高压侧等效电路图；图3为以单饼为单元的考虑损耗的变压器线圈等值电路；本发明的技术原理为：

(1)先参见图2，图2中标号示意为：断路器断口电容C_B；电压互感器对地电容C_VT；电流互感器对地电容C_CT；引线对地电容C_L；变压器等效对地电容C_T；变压器等效电阻R_T；变压器绕组在没发生形变的情况下，变压器故障掉闸后，等效电路如图2所示，高压侧断路器断口电容、电压互感器对地电容、电流互感器对地电容、引线对地电容以及变压器等效电阻、变压器等效对地电容等形成回路(图2回路)，从而变压器高压侧(图2中电压测量点位置)会产生感应电压。当变压器发生绕组变形后，此时变压器内部结构发生变化，变压器整体对地电容将发生改变，即对地容抗发生变化，从而影响到高压侧的感应电压。基于此原理及变化规律，通过研判故障后变压器高压侧感应电压大小，实现对电力变压器内部绕组变形情况快速判断。

(2)其次参见图3，单独看变压器，将变压器绕组按一定规则划分为若干单元，将各个单元连接为完整的仿真模型，模型考虑了各种分布电容，用于分析绕组变形的情况。等效电路如图2所示，其中C₁₂、C₂₃、C₃₄…是匝间等值电容；C₁₃、C₂₄、C₃₅…是饼间等值电容；C₂₀、C₄₀…是绕组对地电容，主要考虑高压线圈对低压线圈外侧的耦合电容；L₁₁、L₂₂…是单饼自感；其余电阻代表变压器的有功损耗。变压器绕组发生形变后，绕组间绝缘能力变化较小，感应电的变化主要通过电容的改变来影响，因此只考虑模型中的电容值。

此外，请参见图4、图5和图6；图4为本发明的步骤2中的变压器绕组饼间结构示意图；图5为本发明的步骤2中的变压器线圈匝间结构示意图；图6为本发明的步骤2中的变压器横向电容结构示意图。由于变压器采用组合绝缘，因此若要计算变压器内部杂散电容，首先要确定组合绝缘的等值介电常数，在所述步骤2中感应电压计算模型的搭建，主要分为以下4个部分：

(1)变压器饼间电容与匝间电容计算

变压器绕组饼间结构简图如图4所示；变压器饼间电容的计算公式为

其中，ε_o为常值8.85；δ_p为组合绝缘间距；d₁、d₂为线饼内外直径；d_a为线饼平均直径/>

B为线饼宽度；ε_p为组合绝缘的等值介电常数，计算公式为/>

其中/>

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i之比，然后求和；

变压器匝间结构简图如图5所示，与饼间电容不同的是，匝间电容属于同轴圆柱体之间的电容；变压器匝间电容的计算公式为

其中的ε_p为线圈间介质的组合绝缘的介电常数，计算公式为/>

其中/>

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i和匝间平均直径d_i的乘积之比，然后求和；/>

(2)变压器等值电容的计算

以上是绕组匝间电容与饼间电容的计算，实际计算中不可能把变压器绕组所有线饼和所有匝间电容表示出来，而只能利用集中参数表示，然后将多个集中参数串联，如图3所示；等值电容利用总能量相等的原理计算得到；电力变压器绕组缠绕方式较多，多以连续式绕组和纠结式绕组为主，以连续式两饼绕组的纵向等值电容为例，存储在线匝间电容的静电能量为

存储在两饼间的静电能量为

对于两饼绕组，除了绕组端部的两对线饼之外，其余每对线饼与两边的线饼相邻，因此储存在一对线饼的饼间电容中的总静电能量为

设等值电容为C_e，根据能量守恒原理有：

化简得变压器等值电容C_e的计算公式为：

N为变压器匝数，C_Z为变压器匝间电容值；C_B为变压器饼间电容值；

(3)变压器等值电感的计算

变压器等值电感的计算公式为：

其中，l为变压器铁心回路平均长度；N为线圈匝数；S为变压器铁芯磁回路截面积；μ为变压器铁芯的磁导率；

(4)变压器横向电容的计算

变压器横向电容(即绕组间电容和绕组对地电容)的等效电路如图6所示；设高中压绕组对地电容为C₁，低压绕组对地电容为C₂，高中压与低压绕组间电容为C₁₂；对于绕组与绕组之间、绕组与箱壁之间的电容，也可以视为同轴圆柱体之间的电容。而一般变压器在出厂之前或者停运检修时，都会测量变压器绕组对地电容和介质损耗因数，利用这些测量数据可以计算出绕组对地和绕组之间的电容：

其中，C_L-HMG为低压绕组对高中压绕组及地电容(高中压绕组接地)；C_HM-LG为高中压绕组对低压绕组及地电容(低压绕组接地)；C_HML-G为高中低压绕组对地电容(高中低压绕组短接)；C_L-HMG、C_HM-LG和C_HML-G的值查询实验报告得到，通过方程组得到C₁、C₂、C₃。

最后，与传统方法相比，本发明的技术效果为：

本发明的技术方案可以在变压器绕组发生故障后，通过感应电压判断变压器绕组是否发生形变和位移，只需要故障录波器而不再使用其他设备就能判断绕组是否发生形变，并且不用实施断开刀闸以及放电等措施，实现无接触测量，大大减少了测量工作量及测量时间。故障后检测判断时间可达分钟级，大幅提高运行人员对设备状态的感知能力，为变压器故障后实现快速恢复送电提供技术手段，确保电网安全运行及电力可靠供应。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种快速判断主变设备内部绕组变形的方法，其特征在于，所述判断方法包括如下步骤：

步骤1)：提取数据；从调度控制系统获取变压器高压侧感应电压值，通过通信线路将变电站电压互感器采集到的电压数据传递至调度控制系统，记为U_测，并将获取的数值U_测存储至数据库中；

步骤2)：感应电压计算模型搭建；搭建变压器感应电压模型，实现变压器正常情况和绕组发生形变后感应电压理论值的计算；

步骤3)：电气设备故障后内部绝缘判据；依托已建立好的计算模型，计算出各电气设备正常工况下变压器热备用状态高压侧感应电压数值，记为U₁；同时计算出变压器绕组发生辐向形变和轴向形变后的感应电压，记为U₂和U₃；若U₂和U₃相对U₁偏移一定程度达到绕组变形的判据，则认为变压器内部发生绕组变形；

步骤4)：数据分析判断；变压器支路掉闸后，将测量的感应电压与判据库中的数值进行比对，从而确定绕组是否发生形变；

步骤5)：结论输出；将判断结论推送至判断结果输出，给出变压器绕组的输出报告。

2.如权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述步骤1通过运行于计算机上的程序模块进行实现。

3.如权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述步骤2的模型不仅包含变压器模型，还有线路上其他对感应电压影响较大的模型，包括断路器断口电容，电压互感器和电流互感器等效电容，线路对地电容；绕组发生形变后主要影响变压器对地电容，绕组间绝缘能力变化较小，感应电压的变化主要通过电容的改变来影响，只考虑模型中的电容值；具体分为以下4个部分：

1)变压器饼间电容和匝间电容的计算；

变压器饼间电容的计算公式为

其中，ε_o为常值8.85；δ_p为组合绝缘间距；d₁、d₂为线饼内外直径；d_a为线饼平均直径，

B为线饼宽度；ε_p为组合绝缘的等值介电常数，计算公式为

其中

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i之比，然后求和；

匝间电容属于同轴圆柱体之间的电容；变压器匝间电容的计算公式为

其中的ε_p为线圈间介质的组合绝缘的介电常数，计算公式为

其中

为第i处组合绝缘间距δ_i与介电常数ε_i和匝间平均直径d_i的乘积之比，然后求和；

2)变压器等值电容的计算；

实际计算中不可能把变压器绕组所有线饼和所有匝间电容表示出来，而只能利用集中参数表示，然后将多个集中参数串联；等值电容利用总能量相等的原理计算得到；存储在线匝间电容的静电能量为

存储在两饼间的静电能量为

对于两饼绕组，除了绕组端部的两对线饼之外，其余每对线饼与两边的线饼相邻，因此储存在一对线饼的饼间电容中的总静电能量为

设等值电容为C_e，根据能量守恒原理有：

化简得变压器等值电容C_e的计算公式为：

N为变压器匝数，C_Z为变压器匝间电容值；C_B为变压器饼间电容值；

3)变压器等值电感的计算；

变压器等值电感的计算公式为：

其中，l为变压器铁心回路平均长度；N为线圈匝数；S为变压器铁芯磁回路截面积；μ为变压器铁芯的磁导率；

4)变压器横向电容的计算；

设高中压绕组对地电容为C₁，低压绕组对地电容为C₂，高中压与低压绕组间电容为C₁₂；对于绕组与绕组之间、绕组与箱壁之间的电容，视为同轴圆柱体之间的电容；变压器出厂之前或者停运检修时，都会测量变压器绕组对地电容和介质损耗因数，利用这些数据计算出绕组对地和绕组之间的电容：

其中，C_L-HMG为高中压绕组接地时低压绕组对高中压绕组的及地电容；C_HM-LG为低压绕组接地时高中压绕组对低压绕组的及地电容；C_HML-G为高中低压绕组短接时高中低压绕组的对地电容；C_L-HMG、C_HM-LG和C_HML-G的值查询实验报告得到，通过方程组得到C₁、C₂、C₃。

4.如权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述步骤4中的判断依据包括：

1)U_测∈U₁±20％U₁时，认为变压器绝缘无问题，可恢复送电；

2)U_测∈U₂±20％U₂时，认为变压器绕组发生辐向形变，不可恢复送电；

3)U_测∈U₂±20％U₃时，认为变压器绕组发生轴向形变，不可恢复送电；

4)U_测值在其余区间，认为变压器绕组没有形变，但存在其他绝缘故障，需等待进一步检测。

5.如权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述步骤5中的输出报告包含变压器绝缘性能以及是否具备恢复送电条件的内容。

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