基于脉冲信号注入法的配电变压器绕组变形在线监测研究

刘月琴，陈 涛，董 月

(山西省电力公司 忻州供电公司，山西 忻州 0 34000)

基于脉冲信号注入法的配电变压器绕组变形在线监测研究

刘月琴，陈 涛，董 月

(山西省电力公司 忻州供电公司，山西 忻州 0 34000)

配电变压器是电力系统配电网络中主要的电气设备，其在运行过程中不可避免地遭受到各种短路故障电流冲击而导致变压器绕组的变形。为了能够及时发现变压器的事故隐患、提高工作效率，研制了一套基于脉冲信号注入法的配电变压器绕组变形在线监测系统。该系统通过安装在变压器主馈线上的电容分压器低压臂注入脉冲信号并进行参数测量，采用LabVIEW编写了监测系统软件，实现了配电变压器绕组变形的在线监测，实验验证了监测系统的有效性。

配电变压器;绕组变形;脉冲信号;电容分压器;在线监测

0 引言

配电变压器是电力系统配电网络中主要的电气设备，其正常运行对电力系统的安全、稳定运行意义重大。随着电网系统容量的不断扩大和电压等级的提高，短路故障造成变压器损坏的事故逐渐增多，严重威胁着系统的安全运行。相对于普通变压器，配电变压器短路电流较大，因而发生短路故障时更容易引起变压器绕组的变形。据统计，电力系统中约25%的变压器故障是由绕组变形引起的［1］。因此，对配电变压器绕组变形进行在线监测是必要的。

目前，变压器绕组变形分析方法可分为集中参数检测法和网络分析法［2］。集中参数检测法包括变压器绕组直流电阻测量、短路阻抗测量等，因其测量的是变压器的集中参数，导致检测灵敏度很低，而且受试验设备沉重、试验花费时间长等因素影响，该方法在现场使用中受到了一定的限制［3］。

网络分析法包括低压脉冲法和频率响应分析法。低压脉冲法［4］克服了短路阻抗法灵敏度低的缺点，但其采用的是时域脉冲分析技术，测试过程中易受各种外界电磁干扰的影响，难以真正用于现场测试［5］。频率响应分析法［6］是在较宽的频带上测量变压器绕组的传递函数，并判断绕组状态的方法，因灵敏度高、测试重复性好等优点成为变压器绕组变形现场试验的主要方法［7］。

目前，变压器绕组变形检测方法大都属于离线检测法，对配电变压器绕组变形的在线监测研究处于起步阶段。本文通过安装在变压器主馈线上的电容分压器的低压臂注入脉冲信号并进行参数测量，实现配电变压器绕组变形的在线监测。

1 频响法在线监测原理

根据电网络理论，在高频电压作用下，变压器的绕组可视为一个由线性电阻、电感、电容等分布参数构成的线性无源双口网络［8］。对于同一台变压器，其传递函数H(jω)的极点和零点分布与变压器绕组的网络结构密切相关。绕组发生局部机械变形后其内部的电感、电容等分布参数必然发生相对变化，绕组的传递函数也会相应变化，其监测方法的原理示意图如图1所示。

图1 频响法的原理示意图

图1中:L为绕组电感;K为纵向电容;C为对地电容;US为信号源;RS为信号源阻抗;R为匹配阻抗。

文献 ［9］提到，因注入绕组的信号不同，有两种不同的方法测量绕组的频率响应特性:(1)将一稳定的正弦扫频信号施加到被试变压器绕组的一端，此方法称为扫频法;(2)将一脉冲信号注入被试绕组的一端，同时记录该脉冲信号和另一端的响应信号并将此两信号转换为频域信号，即得绕组的频率响应特性［10］。文献 ［10］用数字化仪记录时域信号，提高了频谱在幅值和相位上的分辨率。脉冲注入法是将时域信号转换成频域信号得到绕组频响特性，其测量时间比扫频法要短，另外，脉冲信号发生器与扫频信号发生器相比结构简单、成本低。

2 频响法在线监测系统

基于频响法的变压器绕组变形在线监测系统配置图，如图2所示。

图2 绕组变形在线监测系统配置图

2.1 信号源

脉冲注入法是将时域信号转换成频域信号得到绕组频响特性，其测量时间比扫频法要短。另外，脉冲信号发生器与扫频信号发生器相比结构简单、成本低［11］。因此，利用一台高压纳秒级脉冲发生器作为信号源，将其产生的脉冲信号作为监测系统的注入信号。

在脉冲信号注入法中，脉冲信号的选择是关键，其注入方式和强度应恰当:信号太弱容易被噪声埋没，不易检测;而信号太强可能会对电网的正常工作造成影响。因此，要选择合适的注入脉冲信号的幅值和脉宽。实际监测时，选择高压脉冲发生器产生的电压峰值为200 V、脉冲宽度为300 ns的脉冲信号作为注入信号，其原始信号波形如图3所示。

图3 脉冲信号波形图

测试信号的在线注入是绕组变形在线监测系统的关键环节。由于变压器在线运行时与高压母线直接连接，监测系统与其相连是一件复杂和耗费巨大的工作。本文通过安装在变压器主馈线上的电容分压器低压臂注入测试信号并进行参数测量，实现变压器绕组变形的在线监测。

实际监测时，将此脉冲信号注入被试绕组的一个端口，同时记录该脉冲信号和另一端的响应信号。将测得的NS个点的激励信号Ui(n)和响应信号I0(n)通过快速傅里叶变换 (Fast Fourier Transformation，FFT)变换成幅频特性曲线，公式如下所示:

式中:n=0，1，…，NS－1;0≤k≤NS－1;NS为信号的采样点数。最后再由公式 (3)计算出变压器绕组频率响应曲线H(jω):

2.2 系统软件

系统软件是利用虚拟仪器LabVIEW进行设计开发的，主要包括以下几个模块:数据采集、结果分析、历史数据查询等模块。

数据采集模块实现数据采集功能，它是基于PCI－9812多功能数据采集卡开发研制的模块，能够实现最多4路信号的实时采集，提高数据的读取能力。数据采集程序框图如图4所示。

图4 数据采集程序框图

实际监测时将上面程序采集和保存的电压电流信号进行快速傅里叶变换，得到频率响应特性曲线，数据分析源程序见图5。

图5 数据分析程序框图

历史数据查询模块实现了监测数据和结果的录入、查询、修改和删除等功能，为了使系统能更加有效灵活地实现对数据的操作，模块中实现了按监测结果的时间进行查询，系统根据用户选择的时间段将分析结果反馈给用户，此模块的源程序如图6所示。

图6 历史数据查询程序框图

3 试验结果

对实验室中一台10 kV单相双绕组变压器进行参数测量，此变压器型号为D9－10/10。用本监测系统和Agilent 4395A频谱网络分析仪分别对变压器绕组进行参数测量，将测得的绕组频率响应特性曲线与实验测得的频率响应特性曲线进行比较，如图7所示。

由图7利用监测系统和频谱网络分析仪测量得到的绕组频率响应特性曲线的波形比较可以看出，两频响曲线在全频域内吻合良好，这充分表明本监测系统对变压器绕组变形在线监测的准确性和有效性。

图7 变压器频率响应波形比较图

4 结论

(1)本文研制了一套基于脉冲信号注入法的配电变压器绕组变形在线监测系统，通过安装在变压器主馈线上的电容分压器低压臂在线注入测试信号，实现了配电变压器绕组变形的在线监测。

(2)在实验室利用该监测系统和频谱网络分析仪对被试变压器进行了试验验证，结果表明了监测系统对变压器绕组变形在线监测的准确性和有效性。

(3)由于脉冲非常陡，易受到高频干扰，影响测试的重复性。虽然在实验室环境中得到的检测结果具有良好的重复性，但仍需要现场试验的证实。

［1］李军，董立文，赵红．油浸式变压器的老化和寿命评估［J］．高电压技术，2007，33(3):186-189．

［2］王赞基，杨钰．大型电力变压器线圈中特快速暂态电压分布的计算 ［J］．高电压技术，2010，36(4):918-925．

［3］ Vandermaar A J，Wang M，Srivastava K D．Review of condition assessment of power transformers in service ［J］．Electrical Insulation Magazine， IEEE， 2002， 18(6):12-25．

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［5］ Dick E P，Erven C C．Transformer diagnostic testing by frequency response analysis［J］．IEEE Trans．on Power Apparatus and Systems，1978，97(6):2144-2153．

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［9］王成，黄宏华．电力变压器匝间短路故障分析及处理［J］．电力科学与工程，2012，28(1):46-49．

［10］何平，文习山．变压器绕组变形的频率响应分析法综述 ［J］．高电压技术，2006，32(5):37-41．

Research on the On-line Monitoring System for Winding Deformation of Distribution Transformers Based on Pulse Injection

Liu Yueqin，Chen Tao，Dong Yue
(State Grid of Shanxi Province，Xinzhou Power Supply Bureau，Xinzhou 034000，China)

Distribution transformer is a significant asset for any distribution power system．Short circuit currents or forces can cause mechanical faults in transformer winding．In order to pre-discover the hidden trouble of the transformer，in this paper，an on-line monitoring system based on FRA method is developed．A nanosecond impulse signal generator is used to inject impulse signals through a capacity divider，realizing the on-line monitoring for winding deformation of power transformer，and the system software is developed based on the LabVIEW platform．Experiments have been carried out on the transformer in the laboratory and the experiment results verify the feasibility and effectiveness of the on-line monitoring system．

distribution transformer;winding deformation;pulse signal;capacity divider;on-line monitoring

TM407

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.006

2013－10－29。

刘月琴 (1967-)，女，工程师，研究方向为电力通信管理，E-mail:Lyqin@126．com。