WO2010060253A1 - 利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统和方法 - Google Patents

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WO2010060253A1
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transformer
vibration
constant current
frequency
excitation
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PCT/CN2009/000051
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English (en)
French (fr)
Inventor
姜益民
金之俭
朱子述
饶柱石
傅坚
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State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Shanghai Jiao Tong University
Original Assignee
State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Shanghai Jiao Tong University
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/62—Testing of transformers

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for detecting the state of a transformer winding using a constant current swept power supply.
  • BACKGROUND OF THE INVENTION - Transformers are one of the most important devices in a power system, and the stability of their operation has a major impact on power system security.
  • the capacity of China's power grid increases, the short-circuit capacity also increases.
  • the large electromagnetic force generated by the inrush current formed by the short-circuit of the transformer outlet poses a serious threat to the mechanical strength and dynamic stability of the transformer winding.
  • the operating environment of substation equipment and lines is always not optimistic.
  • the deformation caused by external short-circuit caused by the impact of the transformer winding is a common fault in the operation of the transformer, which poses a great threat to the safe operation of the system.
  • the winding may first be loose or slightly deformed.
  • the transformer winding deformation has a cumulative effect. If it is not found and repaired in time for looseness or deformation, then the looseness or deformation of the transformer is accumulated. To a certain extent, the short-circuit resistance of the transformer is greatly reduced, and a large accident can be caused by a small inrush current.
  • the deformation of the winding will lead to a decrease in the mechanical short-circuit current resistance, and on the other hand, the local insulation distance of the coil will change, causing local weak points of insulation.
  • the winding may have a cake.
  • Inter- or inter-turn short circuit causes transformer insulation breakdown accident, or partial discharge due to local field strength increase, the insulation damage will gradually expand, eventually leading to The transformer has an insulation breakdown accident and the situation of the bow I has further expanded.
  • the short-circuit impedance of the transformer is the equivalent impedance inside the transformer when the load impedance is zero.
  • the short-circuit impedance is the vector sum of the leakage reactance and the resistance of the transformer winding. Since the DC resistance of the transformer is small relative to the leakage reactance, the short-circuit impedance of the transformer is reflected.
  • the measured short-circuit impedance value is compared with the original record to determine whether the winding is deformed, if the short-circuit impedance value The change is large. For example, if the change is set to more than 3% in the national standard, it can be confirmed that the winding has significant deformation.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the short-circuit impedance method.
  • the low-voltage side of the transformer is short-circuited, and the high-voltage side is applied with a test voltage by a voltage regulator.
  • the corresponding short-circuit voltage U and short-circuit current I are measured.
  • the transformer is required to measure the short-circuit impedance of each phase in the short-circuit impedance test.
  • the short-circuit impedance measured after the test is compared with the data of the previous test, and the test is judged according to the degree of change.
  • the short-circuit impedance method has established standards in long-term production practice, and the criteria are clear.
  • the criteria for the degree of deformation of the coil are clearly given in the international electrical standards IEC60076-5 and GB1095-85.
  • the sensitivity of this method is very low, and the detection rate of the fault is low. Only when the overall deformation of the coil is serious, can a clearer reflection be obtained.
  • the basic principle of the frequency response method is to regard the transformer winding as a distributed parameter network.
  • the distributed parameters such as longitudinal capacitance and inductance L form a passive linear two-port network, and the characteristics of the network can be described by a transfer function in the frequency domain.
  • the frequency response test first applies a stable sinusoidal sweep frequency signal to one end of the tested transformer winding, and then simultaneously records the voltage on the port and other output ports to obtain a set of frequency response characteristics of the tested winding.
  • the test sensitivity of the frequency response method is higher than that of the short-circuit impedance method.
  • due to the complexity of the frequency response waveform it takes more experience to judge the winding condition, and it is difficult to form a clear quantitative criterion. Therefore, no discriminant criterion has been formed so far.
  • the invention provides a system and method for detecting the state of a transformer winding by using a constant current swept power supply excitation, and the transformer winding is equivalent to a complex elastic system with concentrated parameters.
  • the transformer winding When the transformer winding is loose, its axial preload force When the change occurs, the natural frequency of the first few stages of mechanical vibration will be The step moves toward a lower frequency direction, and the overall amplitude of the low frequency band is increased, so that the vibration characteristics of the entire elastic system are changed, and when the transformer winding is deformed, the structure of the elastic system is changed, thereby making the elastic system The vibration characteristics are changed. Therefore, by effectively detecting the change in the vibration characteristics of the elastic system itself and analyzing the variation of the natural resonant frequency curve of the transformer winding, it is possible to more sensitively detect the looseness and deformation of the transformer winding.
  • the present invention provides a system for detecting the state of a transformer winding using a constant current swept power supply excitation, comprising:
  • An excitation module the excitation module circuit is connected to the measurement and control analysis module;
  • the signal acquisition module circuit is connected to the measurement and control analysis module and the excitation module, and the excitation module includes a controllable constant current frequency sweep power supply and an excitation transformer connected through a circuit; the signal acquisition module includes a sequential circuit connection.
  • the vibration sensor and the vibration signal acquisition and controllable constant current sweep frequency power supply circuit are connected to the measurement and control analysis module, and the sweep power supply applies the output constant current sweep frequency excitation signal to the high voltage side of the detected transformer through the excitation transformer. And simultaneously outputting the constant current sweep excitation signal to the tested transformer winding;
  • the amplitude of the current sweep excitation signal output by the controllable constant current sweep power supply, the sweep frequency range and the sweep frequency of the output frequency are controlled and controlled by the measurement and control analysis module;
  • the excitation transformer is used as impedance matching
  • the vibration sensor is disposed on a casing of the transformer, and measures a vibration response signal of the tested transformer winding at different excitation frequencies, and transmits the measured signal to the vibration signal collector; the vibration signal collector
  • the circuit is connected to the measurement and control analysis module, the vibration signal collector synchronously completes the signal collection, the anti-aliasing digital filtering, and the buffering of the signal, and the vibration signal collector performs the signal measured by the vibration sensor. Collecting and pre-processing, and transmitting the vibration response signal data obtained after the processing to the measurement and control analysis module through the high-speed bus, and the sampling frequency and the sampling length of the vibration signal collector are controlled and adjusted by the measurement and control analysis module;
  • the measurement and control analysis module performs spectrum analysis on the received vibration response signal data, displays and records the resonance frequency curve of the transformer winding in the frequency domain, the resonance frequency curve obtained and recorded previously, and the vibration of the transformer three-phase coil. The frequency curves are compared to determine the state of the transformer windings and the measurement results are obtained.
  • the invention also provides a method for detecting the state of a transformer winding by using a constant current swept power supply excitation, comprising the following steps:
  • Step 1 The measurement and control analysis module sets parameters of the controllable constant current sweep frequency power supply
  • Step 2 The measurement and control analysis module sets the parameters of the vibration sensor and the vibration signal collector; sets the vibration sensor parameters, including the sensitivity and input mode of the sensor. ; set the sampling speed of the vibration signal collector;
  • Step 4 The measurement and control analysis module outputs the sweep current and the starting frequency to the controllable constant current sweep frequency power supply; Step 5. The measurement and control analysis module outputs the excitation frequency to the controllable constant current sweep frequency power supply;
  • Step 6 Short circuit the low voltage winding of the transformer under test
  • Step 7 The controllable constant current swept power supply applies a constant current sweep excitation signal to the high voltage side of the transformer under test through the excitation transformer, and simultaneously outputs the constant current sweep excitation signal to the tested transformer winding;
  • Step 8. Vibration sensor Measuring a vibration response signal of the tested transformer winding for a constant current sweep excitation signal, and transmitting the measured vibration response signal to the vibration signal collector;
  • Step 9 The vibration signal collector performs the collection and processing on the measured vibration response signal, and then transmits the measurement to the measurement and control analysis module;
  • Step 10 The measurement and control analysis module performs spectrum analysis on the received vibration response signal; Step 11. The measurement and control analysis module determines whether the frequency of the constant current sweep frequency excitation signal output by the controllable constant current sweep power supply is greater than a set termination frequency, and if so, Then increase the frequency, skip to step 5, if no, skip to step 12;
  • Step 12 The measurement and control analysis module outputs a resonance frequency curve of the transformer winding to be tested; Step 13.
  • the measurement and control analysis module compares the resonance frequency curve of the tested transformer winding with its previous recording curve, or compares with the frequency curve of the transformer three-phase coil.
  • the vibration amplitude of the frequency curve is significantly enlarged, the peak value of the spectrum is significantly shifted, that is, when the singular peak occurs, it indicates that the transformer winding has an abnormal reaction, and it is judged that the transformer winding is in an abnormal state, loose or deformed, and needs to be replaced in time. Ensure that the line does not malfunction.
  • the system and method for detecting the state of a transformer winding by using a constant current swept power supply excitation, and detecting the looseness of the winding by analyzing the change of the natural resonant frequency curve of the transformer winding In this case, the looseness and deformation of the transformer winding can be detected effectively and with high sensitivity, and repaired or replaced in time to avoid a sudden short-circuit of the transformer due to damage of the winding structure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of measurement of a short-circuit impedance method in the background art
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a system for detecting the state of a transformer winding by excitation of a frequency sweeping power supply provided by the present invention
  • FIG. 4 is a flow chart of a method for detecting a state of a transformer winding by a constant current swept power supply excitation provided by the present invention
  • Figure 5 is a comparison of vibrational spectra of phase A and phase C of a transformer in a horizontal direction in a specific embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a comparison of the symmetrical A-phase and C-phase vibration frequencies of the transformer in the vertical direction of the embodiment of the present invention. 'The best way to achieve the invention
  • the present invention provides a system for detecting the state of a transformer winding by using a constant current swept power supply, which includes - a measurement and control analysis module 301 ;
  • An excitation module the excitation module circuit is connected to the measurement and control analysis module 301;
  • the signal acquisition module circuit is connected to the measurement and control analysis module 301 and the excitation module;
  • the excitation module includes a controllable constant current sweep power supply 201 and an excitation transformer 202 connected by a circuit;
  • the signal acquisition module comprises a vibration sensor 101 and a vibration signal collector 102 connected in sequence;
  • the vibration sensor 101 adopts the DH185 piezoelectric ICP acceleration sensor parameters as follows: Sensitivity: 10mV/ms- 2 ;
  • Lead-out method top fixed lead
  • the vibration signal collector 102 uses the DH5920 dynamic signal test and analysis system, and the parameters are as follows:
  • Input method single-ended input, differential input, ICP-adjustable input,
  • Low-pass filter Cut-off frequency (-3dB ⁇ ldB 10, 30, 100, 300, lk, 3k, 10k, PASS (Hz) eight-speed binning;
  • Stopband attenuation greater than one 24dB/oct
  • CMR Common mode rejection
  • Common mode voltage (DC or AC peak): less than ⁇ 10V, DC ⁇ 60Hz;
  • Time drift less than 3 ⁇ / hour (input short circuit, preheating after 1 hour, constant temperature, maximum gain When converted to the input);
  • Output potential Within ⁇ 5V, arbitrarily set according to the resolution of lmV;
  • Integer sampling rate When 8 channels work simultaneously, each channel 10, 20, 50, 100, 200, 500, lk, 2k, 5k, 10k, 20k, 50k, 100k (Hz) is switched.
  • Integer analysis frequency When 8 channels work simultaneously, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, lk, 2k, 5k, 10k, 20k, 50k (Hz) binning is switched per channel;
  • Filtering method independent analog filtering per channel + DSP digital filtering
  • Cutoff frequency 1/2.56 times of the sampling rate, set at the same time when setting the sampling rate
  • Stopband attenuation about -150dB/oct
  • Power supply 220VAC, 12VDC (9 ⁇ 18V), power 50W;
  • the controllable constant current sweep power supply 201 is connected to the measurement and control analysis module 301 through an RS232 interface, and the sweep power supply 201 applies an output constant current sweep excitation signal to the high voltage side of the detected transformer 4 through the excitation transformer 202. And simultaneously outputting the constant current sweep excitation signal to the tested transformer winding;
  • the controllable constant current swept power supply 201 adopts an independently developed constant current excitation power supply TVRAS-1, which can control the amplitude of the output sweep excitation current, the sweep frequency range of the output frequency and the sweep frequency.
  • the measurement and control analysis module 301 controls the adjustment;
  • the excitation transformer 202 is used for impedance matching, and its main parameters are as follows:
  • the vibration sensor 101 is disposed on the casing of the transformer 4, and measures the vibration response signal of the transformer under test at different excitation frequencies, and transmits the measured signal to the vibration signal collector 102;
  • the vibration signal collector 102 is connected to the measurement and control analysis module 301 through a 1394 interface, and the vibration signal collector 102 synchronously completes signal acquisition, anti-aliasing digital filtering, and cache of signals, the vibration signal.
  • the collector 102 performs the signal measured by the vibration sensor. Collecting and pre-processing, and transmitting the processed vibration response signal data to the measurement and control analysis module 301 through the high-speed bus, the sampling frequency and the sampling length of the vibration signal collector 102 are controlled and adjusted by the measurement and control analysis module 301;
  • the measurement and control analysis module 301 performs spectrum analysis on the received vibration response signal data, displays and records the resonant frequency curve of the transformer winding in the frequency domain, the resonant frequency curve obtained and recorded previously, and the three-phase coil of the transformer. The vibration frequency curves are compared to determine the state of the transformer windings and the measurement results are obtained.
  • the present invention also provides a method for detecting the state of a transformer winding by using a constant current swept power supply, comprising the following steps:
  • Step 1 The measurement and control analysis module 301 sets the parameters of the controllable constant current frequency sweep power supply 201; sets the output current, the frequency sweep range, the frequency sweep frequency interval, the frequency sweep frequency change period, etc.; input power: 380V/50HZ;
  • Controllable constant output current 2A ⁇ 60A;
  • Sweep frequency change period ls ⁇ 30s ;
  • Step 2 The measurement and control analysis module 301 sets parameters of the vibration sensor 101 and the vibration signal collector 102;
  • Setting the vibration sensor 101 parameters mainly includes the sensitivity and input mode of the sensor; setting the sampling speed of the vibration signal collector 102 to 10 to 100 kHz ;
  • Step 3 The measurement and control analysis module 301 sets an analysis parameter of the vibration response signal
  • Step 4 the measurement and control analysis module 301 outputs the sweep current and the starting frequency to the controllable constant current sweep power source 201;
  • Step 5 The measurement and control analysis module 301 outputs the excitation frequency to the controllable constant current sweep frequency power supply 201; Step 6. Short-circuit the low voltage winding of the transformer 4 to be tested;
  • Step 7 The controllable constant current swept power supply 201 applies a constant current sweep excitation signal to the high voltage side of the transformer under test 4 through the excitation transformer 202, and simultaneously outputs the constant current sweep excitation signal to the transformer winding to be tested;
  • Step 8 the vibration sensor 101 measures the vibration response signal of the measured transformer winding for the constant current sweep excitation signal, and transmits the measured vibration response signal to the vibration signal collector 102;
  • Step 9 The vibration signal collector 102 collects and processes the measured vibration response signal, and then transmits it to the measurement and control analysis module 301;
  • Step 10 The measurement and control analysis module 301 performs spectrum analysis on the received vibration response signal.
  • Step 11 The measurement and control analysis module 301 determines whether the frequency of the constant current frequency sweep excitation signal output by the controllable constant current frequency sweep power supply 201 is greater than a set termination frequency. If yes, increase the frequency, skip to step 5, if no, skip to step 12;
  • Step 12 The measurement and control analysis module 301 outputs a resonance frequency curve of the tested transformer winding.
  • Step 13 The measurement and control analysis module 301 compares the resonant frequency curve of the tested transformer winding with its previous recorded curve, or with the frequency curve of the transformer three-phase coil. In comparison, when the vibration amplitude of the frequency curve is significantly enlarged, the peak of the spectrum is significantly shifted, that is, when the singular peak occurs, it indicates that the transformer winding has an abnormal reaction, and it is judged that the transformer winding is in an abnormal state, loose or deformed, and timely Replace, to ensure that the line does not malfunction.
  • the low-voltage side of the A-phase of the main transformer is subjected to short-circuit shock due to breakdown of the outlet rheology, and the pressure release device protects the action. After the system is deployed, it is decided to restart the operation.
  • a power failure test was performed before the operation.
  • the short-circuit impedance method was used for testing. The test found that the short-circuit impedance did not change substantially (the change value was less than 0.1%).
  • the FRA method was used to test and analyze the transformer A-phase low-voltage winding. There was no abnormal change in the measurement curve control. According to the conclusions of these two kinds of electrical measurement methods, it is considered that there is no deformation failure of the transformer A phase winding coil.
  • the measurement system of the present invention is used for detection, and the symmetrical A-phase and C-phase windings of the transformer are carefully tested by the method of sweeping the excitation vibration spectrum, and the A shown in FIG. 5 and FIG. 6 is obtained. Comparing the phase-to-C phase vibration spectrum curve, it is found that the vibration amplitude of the phase A of the transformer is amplified several times compared with the symmetric C phase, the peak of the spectrum is significantly shifted, and the apparent low frequency singular peak appears, and the unshocked c There is a significant abnormality in the phase spectrum.
  • the present invention has high sensitivity detection performance.
  • the test summary report stated that: On May 24, 2005, the low-pressure side of the A-phase main transformer of the No. 3 main transformer of Shanghai UHV Company suffered a short-circuit impact due to the breakdown of the outlet rheology, and the pressure release device protected the action. Due to system deployment, it was put into operation again. The power failure was detected in the early morning of May 26, and the ultra-high voltage company tested it by the short-circuit impedance method. The short-circuit impedance did not change substantially (the change value was less than 0.1%). The transformer FW phase low-voltage winding was tested and analyzed by the East China Pilot Test Institute using the FRA method. No abnormal changes were found compared with the original measurement curve. In the early morning of the 26th, due to the failure of the bus coupler switch, the power supply will be affected. It is necessary to make an immediate judgment. According to the conclusion of the electric test method, the coil cannot be deformed, so the transformer is put into operation again.
  • the test group of Shanghai Jiaotong University used the method of sweeping the excitation vibration spectrum to test. It was found that the amplitude of the phase A vibration was several times larger than that of the C phase, and the peak of the spectrum was significantly shifted, because the time was not urgent. Sweep measurements are made so that a complete spectrum curve cannot be obtained for analysis. - Since the transformer was shipped earlier, it has been repaired, and this time it suffered an export short-circuit shock, the pressure release device has a protective action, and the vibration amplitude of the A phase is significantly larger than that of the camera C, so June 2 The transformer was taken out of operation on the day.

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Description

利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统和方法 技术领域
本发明涉及一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统和方 法。 背景技术 - 变压器是电力系统中最重要的设备之一， 其运行的稳定性对电力系统安 全影响重大。 随着我国电网容量的日益增大， 短路容量亦随之不断增大， 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， 如果对于松动或变形不能 及时发现和修复， 那么在变压器的松动或变形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。
变压器在受到冲击短路电流时除了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也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。
绕组的变形一方面会导致机械抗短路电流冲击能力的下降， 另一方面也 会导致线圈内部局部绝缘距离发生变化， 使局部出现绝缘薄弱点， 当遇到过 电压作用时， 绕组有可能发生饼间或匝间短路导致变压器绝缘击穿事故， 或 者由于局部场强增大而引起局部放电， 绝缘损伤部位会逐渐扩大， 最终导致 变压器发生绝缘击穿事故而弓 I发进一步的事态扩大。
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 捡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， 在国际电工标准 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。、 纵向电容 、 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 来描述。
绕组发生局部机械变形后， 其内部的分布电感 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 ( '^)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^；施加到被试变压器绕组 的一端， 然后同时记录该端口 和其它输出端口上的电压 ,从而得到该被 试绕组的一组频响特性曲线， 即：
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 元件电参数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 和扭曲变形的状态不能给出较明确的判断， 因为这些情况下反映在等效电路 模型中的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 绕组松动或扭曲变形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。 发明的公开
本发明提供的一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统和 方法， 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， 通过有效地检测到 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， 就能够更为灵 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恒流扫频电源激振检测变压 器绕组状态的系统， 其包含：
测控分析模块；
激振模块， 该激振模块电路连接所述测控分析模块；
信号采集模块该信号采集模块电路连接所述测控分析模块和激振模块 所述的激振模块包含通过电路连接的可控恒流扫频电源和励磁变压器； 所述的信号采集模块包含依次电路连接的振动传感器和振动信号采集 所述的可控恒流扫频电源电路连接所述的测控分析模块， 该扫频电源通 过励磁变压器将输出的恒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恒流扫频激励信号；
所述的可控恒流扫频电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测控分析模块控制调整；
所述的励磁变压器作为阻抗匹配；
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振动信号采集器； 所述的振动信号采集器电路连接所述的测控分析模块， 所述的振动信号 采集器同步完成信号釆集、 抗混迭数字滤波以及对信号的高速缓存， 所述的 振动信号采集器对振动传感器测得的信号进行釆集和预处理， 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测控分析模块， 该振动信号采集 器的采样频率和采样长度由所述的测控分析模块控制调整；
所述的测控分析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。 本发明还提供一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的方法， 包含以下步骤：
步骤 1、 测控分析模块设置可控恒流扫频电源的参数；
设置输出电流、 扫频范围、 扫频频率间隔、 扫频频率变化周期等； 步骤 2、 测控分析模块设置振动传感器和振动信号采集器的参数； 设置振动传感器参数， 主要包括传感器的灵敏度和输入方式； 设置振动信号采集器的采样速度；
步骤 3、 测控分析模块设置振动响应信号的分析参数；
设置振动响应信号的分析频宽；
步骤 4、 测控分析模块输出扫频电流和起始频率到可控恒流扫频电源； 步骤 5、 测控分析模块输出激振频率到可控恒流扫频电源；
步骤 6、 将被测变压器的低压绕组短路；
步骤 7、 可控恒流扫频电源通过励磁变压器将恒流扫频激励信号施加在 被测变压器的高压侧， 并同时对被测变压器绕组输出该恒流扫频激励信号； 步骤 8、 振动传感器测量被测变压器绕组对于恒流扫频激励信号的振动 响应信号， 并将测得的振动响应信号传输至振动信号釆集器；
步骤 9、 振动信号采集器对测得的振动响应信号迸行采集处理后， 传送 至测控分析模块；
步骤 10、 测控分析模块对接收到的振动响应信号进行频谱分析； 步骤 11、测控分析模块判断可控恒流扫频电源输出的恒流扫频激励信号 的频率是否大于设置的终止频率， 若是， 则增加频率， 跳到步骤 5， 若否， 跳到步骤 12;
步骤 12、 测控分析模块输出被测变压器绕组的谐振频率曲线； 步骤 13、测控分析模块将被测变压器绕组的谐振频率曲线与其以前的记 录曲线相比较， 或与变压器三相线圈的频率曲线相比较， 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。
本发明提供的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统和方 法， 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， 能有效地、 高灵敏度地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。 附图的简要说明
图 1是背景技术中短路阻抗法的测量示意图；
图 2是背景技术中频响法中变压器绕组的等效双口网络；
图 3是本发明提供的利用扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统的结 构示意图；
图 4是本发明提供的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的方法 的流程图；
图 5是本发明具体实施例中变压器水平方向对称 A相和 C相的振动频谱 比较；
图 6是本发明具体实施例中变压器垂直方向对称 A相和 C相振动频率的 比较。 ' 实现本发明的最佳方式
以下根据图 3〜图 6， 具体说明本发明的具体实施方式- 如图 3所示， 本发明提供了一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组 状态的系统， 其包含- 测控分析模块 301 ;
激振模块， 该激振模块电路连接所述测控分析模块 301 ;
信号采集模块， 该信号采集模块电路连接所述测控分析模块 301和激振 模块；
所述的激振模块包含通过电路连接的可控恒流扫频电源 201和励磁变压 器 202;
所述的信号采集模块包含依次电路连接的振动传感器 101和振动信号采 集器 102;
所述的振动传感器 101采用 DH185压电式 ICP加速度传感器参数如下: 灵敏度： 10mV/m.s-2;
量程 (m/s2) ： lxlO3; 谐振频率 (kHz) ： 24；
频率范围 (Hz) ： 0.5〜5000；
横向比 (％) ： <5；
工作电流 (mA) ： 4-20；
输出阻抗 (Ω) ： <100；
工作电压 (DCV) ： 18〜30；
工作温度 (°C) ： -20〜100；
安装螺紋 (mm) ： M5;
外形尺寸 (mm) ： Φ32;
重量 (克） ： 100;
引出方式： 顶端固定引线；
所述的振动信号采集器 102采用 DH5920动态信号测试分析系统， 参数 如下：
输入阻抗： 10MQ〃40PF;
输入方式： G D、 DC, AC;
输入方式： 单端输入、 差动输入、 ICP适调输入、
系统准确度： 小于 0.5 %(RS) (预热半小时后测量)；
系统稳定度： 0.05 %/h (同上);
线性度： 满度的 0.05 % ;
失真度： 不大于 0.5% ;
最大分析频宽： DC；〜 50kHz;
低通滤波器： 截止频率 (-3dB±ldB 10、 30、 100 、 300、 lk、 3k、 10k 、 PASS(Hz)八档分档切换；
平坦度： 小于 0.1dB(2/3截止频率内)；
阻带衰减： 大于一 24dB/oct;
噪声： 不大于 5 VRMS (输入短路，在最大增益和最大带宽时折算至输入 端）；
共模抑制 (CMR): 不小于 100dB;
共模电压 (DC或 AC峰值)： 小于 ±10V、 DC〜60Hz ；
时间漂移： 小于 3μΥ/小时 (输入短路，预热 1小时后，恒温，在最大增益 时折算至输入端)；
温度漂移： 小于 Ιμν/'C (在允许的工作温度范围内，输入短路,在最大增 益时折算至输入端)；
输出电位： ±5V范围内，按 lmV的分辨率任意设置；
模数转换器分辨率： 16位；
整数釆样速率： 8通道同时工作时， 每通道 10、 20、 50、 100、 200、 500、 lk、 2k、 5k、 10k、 20k, 50k、 100k (Hz)分档切换；
整数分析频率： 8通道同时工作时， 每通道 5、 10、 20、 50、 100、 200、 500、 lk、 2k、 5k、 10k、 20k、 50k(Hz)分档切换；
抗混滤波器：
滤波方式： 每通道独立的模拟滤波 + DSP数字滤波；
截止频率： 采样速率的 1/2.56倍,设置采样速率时同时设定；
阻带衰减： 约 -150dB/oct;
平坦度 (分析频率范围内)： 小于 ±0,05dB;
电源： 220VAC, 12VDC (9〜18V)， 功率 50W;
所述的可控恒流扫频电源 201通过 RS232接口连接所述的测控分析模块 301,该扫频电源 201通过励磁变压器 202将输出的恒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恒流扫频激励信 号；
所述的可控恒流扫频电源 201采用独立研制的恒流激振电源 TVRAS-1, 可控制输出扫频激励电流的幅值大小， 输出频率的扫频范围和扫频速度由所 述的测控分析模块 301控制调整；
所述的励磁变压器 202作为阻抗匹配用， 其主要参数：
容量： 35kVA， 电压： 380V/3500V, 二次侧最大电流为 10A;
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振动信号釆集 器 102;
所述的振动信号采集器 102通过 1394接口连接所述的测控分析模块 301, 所述的振动信号采集器 102同步完成信号采集、抗混迭数字滤波以及对 信号的高速缓存， 所述的振动信号采集器 102对振动传感器测得的信号进行 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测 控分析模块 301， 该振动信号采集器 102的采样频率和采样长度由所述的测 控分析模块 301控制调整；
所述的测控分析模块 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。
如图 4所示， 本发明还提供一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组 状态的方法， 包含以下步骤：
步骤 1、 测控分析模块 301设置可控恒流扫频电源 201的参数； 设置输出电流、 扫频范围、 扫频频率间隔、 扫频频率变化周期等； 输入电源： 380V/50HZ;
可控恒定输出电流： 2A〜60A;
扫频频率范围： 30Hz~500Hz;
连续工作时间： 不少于 5小时；
扫频频率间隔： 1Ηζ〜5Ηζ;
扫频频率变化周期： ls~30s;
步骤 2、 测控分析模块 301设置振动传感器 101和振动信号采集器 102 的参数；
设置振动传感器 101参数， 主要包括传感器的灵敏度和输入方式； 设置振动信号采集器 102的采样速度 10 〜100kHz;
步骤 3、 测控分析模块 301设置振动响应信号的分析参数；
设置分析频宽： DO50kHz;
步骤 4、 测控分析模块 301输出扫频电流和起始频率到可控恒流扫频电 源 201 ;
步骤 5、 测控分析模块 301输出激振频率到可控恒流扫频电源 201 ; 步骤 6、 将被测变压器 4的低压绕组短路；
步骤 7、 可控恒流扫频电源 201通过励磁变压器 202将恒流扫频激励信 号施加在被测变压器 4的高压侧， 并同时对被测变压器绕组输出该恒流扫频 激励信号； 步骤 8、 振动传感器 101测量被测变压器绕组对于恒流扫频激励信号的 振动响应信号， 并将测得的振动响应信号传输至振动信号采集器 102;
步骤 9、 振动信号采集器 102对测得的振动响应信号进行采集处理后， 传送至测控分析模块 301 ;
步骤 10、 测控分析模块 301对接收到的振动响应信号进行频谱分析； 步骤 11、测控分析模块 301判断可控恒流扫频电源 201输出的恒流扫频 激励信号的频率是否大于设置的终止频率， 若是， 则增加频率， 跳到步骤 5， 若否， 跳到步骤 12;
步骤 12、 测控分析模块 301输出被测变压器绕组的谐振频率曲线； 步骤 13、测控分析模块 301将被测变压器绕组的谐振频率曲线与其以前 的记录曲线相比较， 或与变压器三相线圈的频率曲线相比较， 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。
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， 最后采用本发明的测量系统进行检测， 利用扫频激励振动频谱的 方法， 对变压器对称的 A相和 C相绕组作了仔细的扫频测试， 得到如图 5 和图 6所示的 A相与 C相振动频谱对比曲线， 发现变压器 A相的振动幅值 与对称 C相比较放大了数倍， 频谱的峰值发生明显的偏移， 出现了明显的低 频奇异峰值， 与未受冲击的 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。
试验总结报告称： 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 Α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通大学测试组采用扫频激励振动频谱的方法进行测 试， 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， 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 5和图 6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。 经变压器吊芯检查， A相的轴向预紧力仅为对称 C相的四分 之一， 扫频激振方法捡测的结果得到验证。

Claims

权利要求
1. 一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系统， 其特征在于， 包 含- 测控分析模块 (301 )；
激振模块， 该激振模块电路连接所述测控分析模块 （301 ); 信号采集模块， 该信号采集模块电路连接所述测控分析模块（301 ) 和激振模块；
所述的激振模块包含通过电路连接的可控恒流扫频电源（201 )和励 磁变压器（202);
所述的信号采集模块包含电路连接的振动传感器（101 )和振动信号 采集器（102);
所述的扫频电源（201 )通过励磁变压器（202) 将输出的恒流扫频 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 输出该恒流扫频激励信号， 所述的振动传感器（101 )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振动信号 ' 采集器（102)， 所述的振动信号采集器（102)对振动传感器测得的信号 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 传输至测控分析模块（301 )， 所述的测控分析模块（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。
2. 如权利要求 1 所述的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系 统， 其特征在于， 所述的可控恒流扫频电源 （201 ) 电路连接所述的测控 分析模块（301 )。
3. 如权利要求 1 所述的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系 统， 其特征在于， 所述的振动传感器（101 )设置于变压器（4)的壳体上。
4. 如权利要求 1 所述的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的系 统， 其特征在于， 所述的振动信号采集器（102) 电路连接所述的测控分 析模块（301)。
一种利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的方法， 其特征在于， 包 含以下步骤- 步骤 1、测控分析模块（301)设置可控恒流扫频电源（201)的参数； 步骤 2、 测控分析模块（301)设置振动传感器（101)和振动信号采 集器 (102) 的参数；
步骤 3、 测控分析模块（301)设置振动响应信号的分析参数； 步骤 4、 测控分析模块（301)输出扫频电流和起始频率到可控恒流 扫频电源（201);
步骤
5、 测控分析模块（301)输出激振频率到可控恒流扫频电源 (201);
步骤 6、 将被测变压器 （4λ的低压绕组短路；
步骤 7、 可控恒流扫频电源（201)通过励磁变压器（202)将恒流扫 频激励信号施加在被测变压器（4)的高压侧， 并同时对被测变压器绕组 输出该恒流扫频激励信号；
步骤 8、 振动传感器（101)测量被测变压器绕组对于恒流扫频激励 信号的振动响应信号， 并将测得的振动响应信号传输至振动信号釆集器 (102)；
步骤 9、 振动信号采集器（102)对测得的振动响应信号进行采集处 理后， 传送至测控分析模块 (301)；
步骤 10、测控分析模块（301)对接收到的振动响应信号进行频谱分 析；
步骤 11、 测控分析模块 （301)判断可控恒流扫频电源（201)输出 的恒流扫频激励信号的频率是否大于设置的终止频率， 若是， 则增加频 率， 跳到步骤 5， 若否， 跳到步骤 12;
步骤 12、测控分析模块（301)输出被测变压器绕组的谐振频率曲线； 步骤 13、 测控分析模块（301)将被测变压器绕组的谐振频率曲线与 其以前的记录曲线相比较， 或与变压器三相线圈的频率曲线相比较， 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。
6. 如权利要求 5 所述的利用恒流扫频电源激振检测变压器绕组状态的方 法， 其特征在于，
所述步骤.1中设置的参数为输出电流、 扫频范围、 扫频频率间隔、 扫频频率变化周期； 所述步骤 2中设置的参数为振动传感器参数， 包括 传感器的灵敏度和输入方式， 以及振动信号采集器 （102) 的采样速度； 所述步骤 3中设置的参数为振动响应信号的分析频宽。
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