CN1776441A - 利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置，其包含核心控制模块，激振模块和数据采集控制模块；该数据采集控制模块包含依次电路连接的振动传感器、电荷放大器、数据采集器；该激振模块包含通过电路连接的变频恒流源和励磁变压器。本发明提供的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，通过分析变压器绕组的固有谐振频率曲线的变化来检测绕组的松动状况，具有极高的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置。
背景技术
变压器是电力系统中的重要设备，其运行的稳定性对电力系统安全影响极大。随着我国电网容量的日益增大，短路容量亦随之不断增大，由于变压器出口短路形成的冲击电流产生的巨大电磁作用力对变压器绕组的机械强度和动稳定性构成了严重的威胁。目前变电站设备及线路的运行环境始终不容乐观，因外部短路造成变压器绕组受冲击而引发的变形，是变压器运行过程中较为常见的故障，其对系统的安全运行造成了很大的威胁。
变压器发生突然短路故障时，在变压器绕组内流过很大的短路电流，该短路电流在漏磁场的作用下，在绕组上产生很大的电动力。尽管这种暂态持续时间很短，但是变压器还是有可能遭到损坏。
变压器遭受突发短路后，其绕组可能首先发生松动或轻微变形，通过大量的实验研究分析变压器绕组变形具有累积效应，如果对于松动和变形不能及时发现和修复，那么在变压器的松动和变形在累积到一定程度后会使变压器的抗短路能力大幅下降而在遭受较小的冲击电流下也会引发大的事故发生。
除了变压器在受到冲击短路电流时会发生松动和变形外，在铁芯的磁致伸缩与运行电流的长期作用下变压器本身在运行时还会出现复杂的机械振动，这些因素结合起来也会使绕组发生渐进性的变形、松散失稳现象，从而导致变压器的抗短路能力下降而使得变压器存在潜在的事故隐患。
因此，在运行过程中当变压器经历了外部短路事故后或运行一段时间后的常规检修中，如何有效地检测出变压器绕组是否存在松动和变形，从而判断变压器是否需要检修处理显得十分重要，是保障变压器安全运行的一个重要手段，因此变压器绕组变形的检测是目前变压器常规试验项目之一。
目前实际应用的对变压器绕组状态的检测方法最常用的主要有以下2种：1、短路阻抗法：变压器短路阻抗是当负载阻抗为零时变压器内部的等效阻抗，短路阻抗是变压器绕组的漏抗和电阻的矢量和，由于变压器直流电阻相对于漏抗数值很小，因此变压器的短路阻抗反映的主要是变压器绕组的漏抗。由变压器的理论分析可知，变压器漏抗值是由绕组的几何尺寸所决定的，或者说是由绕组的结构决定的，一旦变压器绕组发生变形，从理论上来说变压器的漏抗相应也会发生变化，因此通过对变压器短路阻抗的检测可以间接地反映变压器绕组内部是否发生了变形。
一般情况下，运行中的变压器受到了短路电流的冲击后，或在定期常规检查时要将测得的短路阻抗值与原有的记录进行比较来判断绕组是否发生了变形，如果短路阻抗值变化较大，例如国标中设定为变化超过3％，则可确认绕组有显著变形。
图1为短路阻抗法的测量示意图，将变压器低压侧短路，高压侧通过调压器施加试验电压，测量对应的短路电压U和短路电流I，变压器的短路阻抗由Z＝U/I计算得到。
按照有关标准规定，变压器在短路阻抗测试试验中，要求测量每一相的短路阻抗，并把试验后所测量的短路阻抗值与以往试验的数据加以比较，根据其变化的程度，作为判断被试变压器绕组是否合格的重要依据之一。
从实际应用情况来看，短路阻抗法在长期的生产实践中已建立了标准，判据较为明确，在IEC60076-5和GB1095-85中均明确给出了线圈变形程度的判据。但很多情况下这种方法的灵敏度很低，故障的检出率较低，只有在线圈整体变形情况较为严重时才能够得到较明确的反映。
2、频响法(FRA法，Frequency Response Analysis)：频响法的基本原理是将变压器绕组视为一个分布参数网络，它由对地电容C、纵向电容K、电感L等分布参数构成一无源线性双端口网络，该网络的特性在频域上可以用传递函数H(jω)来描述。
绕组发生局部机械变形后，其内部的电感L、纵向电容K和对地电容C等分布参数会发生相应的变化，从而在网络的传递函数H(jω)上得到反映。因此分析变压器绕组的网络传递函数曲线的变化情况就可以分析内部的网络电参数是否发生变化，从而推断相应的机械结构是否发生了变形，这是频响法测试变压器绕组变形的依据和基础，如图2所示，为变压器绕组的等效双口网络。
频响法测试首先将一稳定的正弦扫频电压信号i施加到被试变压器绕组的一端，然后同时记录该端口i和其它输出端口上的电压o，从而得到该被试绕组的一组频响特性即：H(jω)=Vo·Vi·.]]>频响法的测试灵敏度较短路阻抗法高，但由于其频响波形的复杂性，对绕组状况的判别需要较多的经验，较难形成明确的定量判据，因此至今没有形成判别标准。
上述两种方法是目前判别变压器绕组状况最常用的，两种方法都是采用电测方法，出发点都是基于变压器绕组发生明显变形的状况下模型中对应的分布参数或漏抗发生变化来进行测量判别，这对变压器绕组发生较明显的变形情况较为适宜，但对绕组发生轻微变形，尤其是对变压器绕组存在的相对松动的状态不能给出较明确的判断，这是因为在变压器绕组发生松动的情况下，其变形程度很小，反映在等效电路模型中其电参数几乎没有变化，其传递函数的变化也就非常小。然而变压器绕组松动对其抗短路能力有很大的影响，因此研究绕组的状况需有灵敏度更高的方法来进行判别。
发明内容
本发明提供的一种利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置，利用一种更加灵敏有效的测试方法来检测变压器绕组的机械动力学状态，能够灵敏地检测变压器绕组的松动和变形。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，其包含核心控制模块，激振模块和数据采集控制模块；所述的激振模块包含通过电路连接的变频恒流源和励磁变压器；所述的数据采集控制模块包含依次电路连接的振动传感器、电荷放大器、数据采集器；
所述的变频恒流源通过电路连接所述的核心控制模块，其通过励磁变压器将输出的电流扫频激励信号施加在被检测变压器的高压侧，并同时对被测变压器绕组输出该扫频激励信号；该变频恒流源输出的电流扫频激励信号的幅值大小，输出频率的扫频范围和扫频速度由所述的核心控制模块控制调整；所述的励磁变压器作阻抗匹配；所述的振动传感器设置于变压器的壳体上，其测量被测变压器绕组在不同激振频率下的振动响应信号，并将测得的信号传输至电荷放大器；所述的电荷放大器放大振动响应信号，并将放大后的振动响应信号传输至数据采集器；所述的数据采集器同步完成信号采集、抗混迭数字滤波以及高速缓存对振动以及回路电量中的传感器信号进行采集和预处理，并将处理后得到的振动响应信号数据通过高速总线传输至核心控制模块；该数据采集器的采样频率和采样长度由所述的核心控制模块控制调整；所述的核心控制模块对接收到的振动响应信号数据进行频谱分析，显示并记录变压器绕组在频域上的谐振频率曲线，与先前测量得到并记录的谐振频率曲线，以及变压器三相线圈的振动频率曲线进行比较，判断变压器绕组的状态，得到测量结果。
本发明提供的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，具体检测过程如下：1、将被测变压器的低压绕组短路，变频恒流源通过一励磁变压器将输出信号施加在试验变压器的高压侧，并同时对被测变压器绕组输出该扫频激励信号；2、通过振动传感器测量变压器绕组对于扫频激励信号的振动响应信号，并将测得的振动信号由电荷放大器放大，再由数据采集器采集处理后传送至核心控制模块；步骤3、核心控制模块对接收到的数据进行频谱分析，得到变压器绕组的谐振频率曲线，将其与以前的记录曲线相比较，或与变压器三相线圈的曲线相比较，当该频率曲线的振动幅度明显放大，频谱峰值发生明显偏移，即出现奇异峰值时，说明该变压器绕组有异常反应，判断变压器绕组处于非正常状态下，发生松动或变形，需及时更换，保证线路不发生故障。
本发明提供的一种利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，通过分析变压器绕组的固有谐振频率曲线的变化来检测绕组的松动状况，能有效的、高灵敏度的检测出变压器绕组的松动和变形状况，及时检修或更换，避免因绕组结构损坏而导致变压器发生突然短路的故障。
附图说明
图1是背景技术短路阻抗法的测量示意图；图2是背景技术频响法中变压器绕组的等效双口网络；图3是本发明提供的一种利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置的结构示意图；图4是本发明具体实施例中变压器水平方向三相振动频谱的比较；图5是本发明具体实施例中变压器垂直方向三相振动频率的比较。
具体实施方式
以下根据图3～图5来具体说明本发明的一种最佳实施方式：本发明提供的利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置，将变压器绕组等效为一个集中参数的复杂的弹性系统，当变压器绕组产生松动，其轴向预紧力发生变化时，其前几阶的机械振动的固有频率会逐步向更低的频率方向移动，并有低频段的整体振幅有所提高的现象，使整个弹性系统的振动特性发生变化；而变压器绕组发生变形时会引起弹性系统结构的变化，从而使弹性系统的振动特性发生变化。因此，只要能有效地检测到弹性系统本身的振动特性变化，分析变压器绕组的固有谐振频率曲线的变化，就可以检测出变压器绕组松动和变形的状况。
如图3所示，是本发明提供的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，其包含核心控制模块301，激振模块和数据采集控制模块；所述的激振模块包含通过电路连接的变频恒流源201和励磁变压器202；所述的数据采集控制模块包含依次电路连接的振动传感器101、电荷放大器102、数据采集器103；所述的变频恒流源201通过电路连接所述的核心控制模块301，其通过励磁变压器202将输出的电流扫频激励信号施加在被检测变压器4的高压侧，并同时对被测变压器绕组输出该扫频激励信号；该变频恒流源201输出的电流扫频激励信号的幅值大小，输出频率的扫频范围和扫频速度由所述的核心控制模块301控制调整；所述的励磁变压器202作阻抗匹配；所述的振动传感器101设置于变压器4的壳体上，其测量被测变压器绕组在不同激振频率下的振动响应信号，并将测得的信号传输至电荷放大器102；所述的电荷放大器102放大振动响应信号，并将放大后的振动响应信号传输至数据采集器103；所述的数据采集器103同步完成信号采集、抗混迭数字滤波以及高速缓存对振动以及回路电量中的传感器信号进行采集和预处理，并将处理后得到的振动响应信号数据通过高速总线传输至核心控制模块301；该数据采集器103的采样频率和采样长度由所述的核心控制模块301控制调整；所述的核心控制模块301对接收到的振动响应信号数据进行频谱分析，显示并记录变压器绕组在频域上的谐振频率曲线，与先前测量得到并记录的谐振频率曲线，以及变压器三相线圈的振动频率曲线进行比较，判断变压器绕组的状态，得到测量结果。
本发明提供的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，具体检测过程如下：1、将被测变压器4的低压绕组短路，变频恒流源201通过一励磁变压器202将输出信号施加在试验变压器4的高压侧，并同时对被测变压器绕组输出该扫频激励信号；2、通过振动传感器101测量变压器绕组对于扫频激励信号的振动响应信号，并将测得的振动信号由电荷放大器102放大，再由数据采集器103采集处理后传送至核心控制模块301；步骤3、核心控制模块301对接收到的数据进行频谱分析，得到变压器绕组的谐振频率曲线，将其与以前的记录曲线相比较，或与变压器三相线圈的曲线相比较，当该频率曲线的振动幅度明显放大，频谱峰值发生明显偏移，即出现奇异峰值时，说明该变压器绕组有异常反应，判断变压器绕组处于非正常状态下，发生松动或变形，需及时更换，保证线路不发生故障。
本发明提供的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，通过分析变压器绕组的固有谐振频率曲线的变化来检测绕组的松动状况，能有效的、高灵敏度的检测出变压器绕组的松动和变形状况，及时检修或更换，避免因绕组结构损坏而导致变压器发生突然短路的故障。
具体实施例：某变电站中，主变压器的A相低压侧因出口流变发生击穿而遭受短路冲击，压力释放装置保护动作。后因系统调配原因，决定重新投入运行。
在运行前进行了一次停电进行检测，首先采用短路阻抗法进行测试，测试发现短路阻抗基本没有发生变化(变化值小于0.1％)。再采用FRA法对变压器A相低压绕组进行测试分析，发现与原测量曲线对照没有异常变化。根据这2种电测法的结论，认为变压器A相绕组线圈没有发生变形故障。
但是，最后采用本发明的装置进行检测，利用扫频激励振动频谱的方法，对变压器三相的绕组作了仔细的扫频测试，得到如图4和图5所示的三相振动频谱曲线，发现变压器A相的振动幅值与B相和C相比较放大数倍，频谱的峰值发生明显的偏移，出现了明显的奇异峰值，与未受冲击的B、C相频谱相比有明显异常。
由此可见，本发明具有高灵敏度的检测性能。
2005年5月24日，上海超高压公司武威变电站3号主变A相低压侧因出口流变发生击穿而遭受短路冲击，压力释放装置保护动作。因系统调配原因，重又投入运行。
5月26日凌晨停电进行检测，超高压公司采用短路阻抗法进行测试，短路阻抗基本没有发生变化(变化值小于0.1％)。由华东中试所采用FRA法对变压器A相低压绕组进行测试分析，与原测量曲线对照没有发现有异常变化。至26日凌晨由于母联开关发生故障即将影响区域供电，需要立即作出判断，根据电测法的结论不能认为线圈发生变形故障，故变压器重新投运。
但停电期间由上海交大测试组采用扫频激励振动频谱的方法，发现A相振动幅值与C相比较放大数倍，频谱的峰值发生明显的偏移，由于当时时间紧迫没有细致地进行扫频测量，致使不能得到完整的频谱曲线来进行分析。
由于该变压器出厂较早，已经过维修，加之本次遭受出口短路冲击，压力释放装置有保护动作发生，而A相的振动幅值与对照相C相相比明显增大，故6月2日将该变压器退出运行。
6月7日，武威站3号主变退出运行后，我们采用扫频激振法对变压器三相的绕组作了仔细的扫频测试，图4和图5为三相测得的频谱曲线比较，可以看到A相振动的频谱出现了明显的奇异峰值，与未受冲击的B、C相频谱相比有明显异常。
Claims (3)
1.一种利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置，其特征在于，包含核心控制模块(301)，激振模块和数据采集控制模块；所述的激振模块包含通过电路连接的变频恒流源(201)和励磁变压器(202)；所述的变频恒流源(201)通过电路连接所述的核心控制模块(301)，其通过励磁变压器(202)将输出的电流扫频激励信号施加在被检测变压器(4)的高压侧，并同时对被测变压器绕组输出该扫频激励信号；所述的数据采集控制模块包含依次电路连接的振动传感器(101)、电荷放大器(102)、数据采集器(103)；所述的振动传感器(101)设置于变压器(4)的壳体上，其测量被测变压器绕组在不同激振频率下的振动响应信号，并传输至电荷放大器(102)；所述的电荷放大器(102)放大振动响应信号，并传输至数据采集器(103)；所述的数据采集器(103)同步完成信号采集、抗混迭数字滤波以及高速缓存对振动以及回路电量中的传感器信号进行采集和预处理，并将处理后得到的振动响应信号数据由高速总线传输至核心控制模块(301)；所述的核心控制模块(301)对接收到的振动响应信号数据进行频谱分析，显示并记录变压器绕组在频域上的谐振频率曲线，与先前测量得到并记录的谐振频率曲线，以及变压器三相线圈的振动频率曲线比较，判断变压器绕组的状态。
2.如权利要求1所述的利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的装置，其特征在于，所述的核心控制模块(301)控制调整变频恒流源(201)输出的电流扫频激励信号的幅值大小，输出频率的扫频范围和扫频速度。
3.如权利要求1所述的利用扫频电源激振来检测变压器绕组状态的装置，其特征在于，所述的核心控制模块(301)控制调整数据采集器(103)的采样频率和采样长度。
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