CN202720302U

CN202720302U - 绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统

Info

Publication number: CN202720302U
Application number: CN 201220370588
Authority: CN
Inventors: 李凯; 谢小磊; 李勇; 张赢; 陈静民; 马宏忠; 王春宁
Original assignee: Hohai University HHU; Nanjing Power Supply Co of Jiangsu Electric Power Co
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Hohai University HHU; Nanjing Power Supply Co of Jiangsu Electric Power Co
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-27

Abstract

本实用新型公开一种绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，其包括含低压侧绕组、高压侧绕组和变压器油箱的实验变压器；用于焊接在高压侧绕组需要模拟短路的任意匝之间的匝间短路过渡电阻；以及振动传感器、数据采集仪和控制分析模块；其中振动传感器的信号输入端连接于实验变压器油箱的顶面上，信号输出端通过电气转换接口连接数据采集仪；数据采集仪通过振动传感器采集振动信号，并将振动信号传输至控制分析模块；控制分析模块控制数据采集仪的采样频率和采样时间。本实用新型操作简便，易于实现。在应用时，可根据故障模拟要求计算短路过渡电阻的阻值，设置故障后利用振动传感器测量振动信号，来研究变压器绕组匝间短路或绝缘故障的影响。

Description

绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统

技术领域

本实用新型涉及输变电技术领域，特别是输变电设备状态在线监测技术中的一种电力变压器绕组匝间短路故障及绝缘性能下降现象的模拟结构。

背景技术

随着电力工业的发展，电力设备容量和电网的规模不断扩大，为了降低电力设备故障引发的巨大经济损失和社会影响，提高电能质量，保证电力设备和系统安全、可靠、经济、稳定、优质的运行，基于在线监测与故障诊断技术的状态维修策略将成为未来发展的必然趋势。变压器的稳定性和可靠性极大影响着整个电网的安全运行。因此，开展变压器绕组变形的检测和故障诊断的研究具有十分重要的意义。

绕组匝间短路及绕组绝缘性能下降是电力变压器的主要故障，匝间短路与绕组绝缘劣化密切相关，绝缘劣化往往会引起匝间短路，多数匝间短路由绝缘劣化引起。为对其故障机理、故障检测方法进行研究，需要寻求各种故障特征，但实际大型电力变压器故障率较低，要捕捉故障前后的状态变化是相当困难的，不亚于“守株待兔”，不可能为研究变压器故障在某变压器等数年甚至数十年。因此需要确定实验模拟方法，在模拟匝间短路故障及绝缘性能下降的实验变压器上进行绕组故障模拟，以研究故障特征及进行故障诊断研究。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种电力变压器绕组匝间短路故障及绝缘性能下降现象的模拟系统，其易于实现，可较好的模拟电力变压器匝间短路故障及绝缘性能下降情况。

为了实现上述目的，本实用新型也进行了相关的研究探索，绕组在漏感的影响下，线圈中的电流相互作用产生电动力，引起绕组振动。根据毕奥萨伐尔定律，绕组在磁场中受到的作用力与电流平方成正比，即

F＝i²

相邻两匝绕组发生短路时，绕组匝间短路电流显著增大，短路点所在相的绕组电流也有所增大，导致绕组受到的电磁力增大，因此绕组振动会增大。本实用新型即基于，通过实验监测绕组的振动情况可判断匝间短路以及绝缘性能下降造成的故障影响的思想。

本实用新型采取的技术方案为：一种绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，包括：

实验变压器，包括低压侧绕组、高压侧绕组和变压器油箱；

匝间短路过渡电阻，焊接在高压侧绕组中需要模拟短路的任意匝之间；

以及振动传感器、数据采集仪和控制分析模块：振动传感器的信号输入端连接于实验变压器油箱的顶面上，信号输出端连接数据采集仪；数据采集仪采集来自振动传感器的振动信号，并将振动信号传输至控制分析模块；控制分析模块控制数据采集仪的采样频率和采样时间。

因为设置匝间短路故障还需要考虑操作的可行性：对于变压器低压侧，虽然电压较低，但电流很大，线径很粗，设置短路相当困难；而高压侧虽然电压较高，但电流小，线径较细，短路设置较为容易。所以本实用新型采用高压侧设置匝间短路故障及绝缘下降现象。

具体的，本实用新型中振动传感器的数量为3个，3个振动传感器的信号输入端分别连接于变压器油箱顶面与三相绕组相对应的位置上，以更灵敏和精确的检测到变压器绕组的振动信号。

本实用新型中，振动传感器通过现有的BNC电气转换接口连接数据采集仪，以使得数据采集仪采集到的振幅信号受干扰较小、较精确。数据采集仪可采用现有产品。

为了使得振动传感器能够准确感应变压器油箱的振动，本实用新型中，振动传感器的信号输入端通过磁铁吸附连接于变压器油箱顶面上，使得振动传感器的信号输入端与振源之间连接可靠。

在应用时，可利用吊车将变压器顶盖吊起，以看到浸在变压器油中的铁芯和绕组。吊芯并沥油后，用小刀轻轻将高压侧绕组外的绝缘纱布和绝缘纸划开一部分，根据需要选取一到三匝绕组，轻轻将被选中的绕组表层的绝缘物质刮去，以便焊接短路电阻。此外为便于操作，可将需要焊接的短路过渡电阻绑上细绳，防止在焊接过程中短路过渡电阻落入变压器油箱中。焊接过程需要快速、可靠，防止焊锡落入变压器油中。焊接完成后，检查焊接是否良好、牢固，再将变压器绕组重新放回，加盖。

本实用新型根据需要模拟的故障严重程度，计算匝间绝缘性能下降后的绝缘电阻值，或匝间短路过渡电阻的阻值及功率。

本实用新型的有益效果为：故障模拟简单、容易实现，可以进行基于振动的绕组故障分析与监测研究。研究过程中，本实用新型利用安装在变压器顶面的振动传感器测量振动信号，对信号进行相关分析，如傅立叶分析，得到绕组匝间短路的振动信号频谱；再比较不同短路匝数及不同过渡电阻阻值时的频谱，可看出发生绕组匝间短路故障的影响。本实用新型所选取的特征量能较好的模拟绕组匝间短路及绝缘性能下降的故障，经过实验验证，是一种有效的诊断电力变压器绕组匝间短路故障模拟方案。此外本实用新型也可将振动传感器替换为噪声传感器或者电流电压互感器：利用噪声传感器测量噪声信号，或者通过电流电压互感器测量变压器的功率变化，来检测绕组绝缘性能下降以及匝间短路故障的影响，作为实际应用中故障判断以及研究的依据。

附图说明

图1所示为本实用新型的结构示意图；

图2所示为本实用新型中变压器高压侧绕组的短路接法示意图；

图3所示为本实用新型中振动传感器的安装示意图；

图4所示为第一振动检测点在变压器380V正常运行时的振动频谱图；

图5所示为第一振动检测点在变压器380V、短路电阻为0.33欧姆运行时的振动频谱图；

图6所示为第一震动检测点在变压器380V、短路电阻为0.1欧姆运行时的振动频谱图。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步描述。

结合图1和图2，本实用新型包括：含低压侧绕组、高压侧绕组和变压器油箱的实验变压器；用于焊接在高压侧绕组中待模拟匝间短路的任意匝之间的匝间短路过渡电阻；以及振动传感器、数据采集仪和控制分析模块；其中振动传感器的信号输入端连接于实验变压器油箱的顶面上，信号输出端通过电气转换接口连接数据采集仪；数据采集仪采集来自振动传感器采集振动信号，并将振动信号传输至控制分析模块；控制分析模块控制数据采集仪的采样频率和采样时间，控制分析模块可利用计算机，结合相关现有分析软件实现。

由于变压器低压侧虽然电压较低，但电流很大，线径很粗，设置短路相当困难；而高压侧虽然电压较高，但电流较小，线径较细，短路设置较为容易。所以本实用新型采用高压侧设置匝间短路故障及绝缘下降现象。匝间绝缘性能下降后的绝缘电阻值或匝间短路过渡电阻的阻值及功率，根据需要模拟的故障严重程度计算确定。

具体的，以一匝、两匝间绝缘性能下降与匝间短路为例，首先确定变压器如下参数：绕组电压（即额定电压）U_N；绕组电流（即额定电流）I_N；变压器短路阻抗（%）u_k；一相匝数n（通过查表可得）；一匝间电势e₁(通过查表可得)；相短路阻抗Z_S；一匝短路阻抗Z_S2；直接短路电流I_S1；

按如下公式计算：

相阻抗基值：Z_b＝U_N/I_N；

短路阻抗：Z_s＝Z_b*u_k；

每匝短路电抗：Z_s2＝Z_s/n；

直接短路电流：I_s1＝e₁/Z_s2。

为了模拟绝缘性能下降及匝间不同程度短路，应在匝间跨接不同阻值的短路过渡电阻。设短路环电流分别为额定电流的0.1倍，0.2倍，0.5倍，1.0倍，2,5倍，10倍，计算应跨接的短路过渡电阻的阻值和功率，直接金属性短路，不串电阻。

例如，I_*=1时，I＝I_N；I_*=5时，I＝5I_N。所串联的电阻R₀的阻值R及其功率P可按下式计算：

Z_s2+R＝e₁/I，

R = \frac{e_{1}}{I} - Z_{S 2},

P = e_{1}^{2} / R;

为购置/定制电阻方便，电阻R的阻值可上下调整到可能购置的系列电阻。

现举一具体实施例，对一台电力变压器进行绕组匝间短路故障设置,验证本实用新型的正确性。该变压器的参数如表1：

表1

型号	电压比	联结组
			S9-M-100/10	10/0.4kV	Yyn0
高压侧I_N	低压侧I_N	短路阻抗
			5.77A	144.3A	3.98%

为了模拟不同的短路形态以及绝缘下降的情况，同时也防止在实验过程中短路环内过大的短路电流烧损变压器，并考虑故障设置的简便性，匝间短路实验中，在高压侧短路匝内串联不同阻值的短路过渡电阻。

查表1可得实验用变压器每匝间电压e₁=4.3574V，绕组匝数为n=1391匝。计算各参数：相阻抗基值：

Z_{b} = U_{N} / I_{N} = \frac{5774}{5.77} = 1000 Ω;

短路阻抗：Z_s＝Z_b*u_k＝1000*4％＝40Ω（留有一定裕量）；

每匝短路电抗：

Z_{S 2} = \frac{Z_{S}}{n} = \frac{40}{1391} = 28.75 mΩ;

直接短路电流：

I_{S 1} = \frac{e_{1}}{Z_{S 2}} = \frac{4.3574}{28.756} = 151.5 A;

为了模拟绝缘性能下降，应串联不同的过渡电阻。设短路环电流分别为额定电流的0.1倍，0.2倍，0.5倍，1.0倍，2,5倍，10倍，计算应串入的电阻阻值：例如，I_*＝1时，I=I_N；I_*＝5时，I=5I_N。所串联的电阻的阻值R及其功率P可按下式计算：

Z_s2+R＝e₁/I，

R = \frac{e_{1}}{I} - Z_{S 2},

P = e_{1}^{2} / R

最后计算得到的结果如下表2所示：

表2

注1：直接短路尽量少用，用可能很快使变压器短路匝烧坏。

因计算电阻阻值不一定是系列化的电阻，故可在标准系列电阻中上下选择最靠近的阻值的电阻。

确定短路过渡电阻阻值后，利用吊车将变压器顶盖吊起，以看到浸在变压器油中的铁芯和绕组。吊芯并沥油后，用小刀轻轻将高压侧绕组外的绝缘纱布和绝缘纸划开一部分，根据需要选取相邻两匝绕组，轻轻将被选中的绕组表层的绝缘物质刮去，以便焊接短路电阻。此外为便于操作，可将需要焊接的短路过渡电阻绑上细绳，防止在焊接过程中短路过渡电阻落入变压器油中。焊接过程需要快速、可靠，防止焊锡落入变压器油中。焊接完成后，检查焊接是否良好、牢固，再将变压器绕组重新放回，加盖，以备模拟实验。

为了全面测量变压器的振动，利用本实用新型的模拟实验需尽可能在空载情况下进行，如图3所示，振动传感器的数量为3个，3个振动传感器的信号输入端分别通过磁铁吸附连接于变压器油箱顶面与三相绕组A、B、C相对应的位置上，即第一振动检测点1、第二振动检测点2和第三振动检测点3以更灵敏和精确的检测到变压器绕组的振幅信号。

数据采集仪可选择配有电荷放大器的现有数据采集仪Nicolet，用于采集和记录振动加速度传感器检测到的振动信号，控制分析模块计算机则对采集仪输出的信号数据进行数据存储、数据处理和故障诊断，并且显示出诊断结果。

分析结果可结合图4至图6所示的变压器绕组正常状态、绕组间通过0.33欧姆和0.1欧姆过渡电阻时匝间短路情况下故障点附件振动的频谱图。比较图4、图5、图6可知，随着匝间短路电阻的减小，即绝缘性能下降、匝间短路的故障程度加深，频率幅值有所增加。可进一步对绝缘性能下降、匝间短路故障与频率幅值增加的幅度关系进行分析，以作为实际应用中对电力变压器绕组匝间短路及绝缘性能下降故障的研究依据。

本实用新型在理论分析的基础上进行大量实测试验之后，被验证为具有很好的操作性和实用性，可以专门用于对电力变压器绕组匝间短路及绝缘性能下降故障的研究。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims

1. 种绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，其特征是，包括：

实验变压器，包括低压侧绕组、高压侧绕组和变压器油箱；

2. 据权利要求1所述的绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，其特征是，振动传感器的数量为3个，3个振动传感器的信号输入端分别连接于变压器油箱顶面与三相绕组相对应的位置上。

3. 根据权利要求1或2所述的绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，其特征是，振动传感器通过BNC电气转换接口连接数据采集仪。

4. 根据权利要求1或2所述的绕组匝间短路及绝缘性能下降故障现象的模拟系统，其特征是，振动传感器的信号输入端通过磁铁吸附连接于变压器油箱顶面上。