基于李萨如分析法的微型传感器系统*

谷红霞， 于 虹, 赵振刚， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500; 2.中国南方电网 云南电网电力科学研究院，云南 昆明 650217)

基于李萨如分析法的微型传感器系统*

谷红霞1， 于 虹2, 赵振刚1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500; 2.中国南方电网 云南电网电力科学研究院，云南 昆明 650217)

针对变压器成套的电压电流传感器测量输出值均较大、不便测量的缺陷，使用应用于三相智能电表中微型电压传感器与微型电流传感器构建李萨茹图分析法的工频信号传感器微系统，可实现将PT与CT测量值精确转换为适于处理的较小值。此微型系统测量精度高，额定工作频率、电压和电流可与变压器成套PT和CT相配合，便于采集卡对数据进行采集。

李萨如分析法； 电力变压器;绕组故障检测； 电压传感器； 电流传感器； 传感器系统

0 引 言

电力变压器是电力系统中最重要的一次设备之一，对于确保电网运行具有重要意义。其组变形会引起局部放电，加速绝缘老化，随着情况的加剧，会引起绕组匝间短路，严重损坏变压器，可能造成变压器损坏和停运，导致大面积停电[1～3]。深入研究如何在线准确获取变压器绕组故障模式识别与绕组故障位置及对变压器绕组故障预警是未来变压器绕组故障监测中最具前景和最活跃的发展方向[4,5]。

对于变压器绕组故障检测，国内外专家做了大量研究，2002年,李娟、蔡晖运用模糊理论及专家系统等人工智能技术对电力变压器的绝缘状态进行跟踪监测[6]；崔东君用加权小波神经网络检测油浸式电力变压器故障，构造出加权小波神经网络处理变压器故障[7]；张天恒、王阳阳用多传感器组合检测的环面蜗杆误差仪，用多传感器理论对误差进行了分析和精确值的处理[8]。这些研究可大体归纳为离线检测[9～11]与在线检测。

结合变压器运行的工频特性，提出了基于电压电流的李萨如特性的图形检测方法[12]。针对李萨如特性所需在线检测的电压电流过大的弊端，利用微型电压及电流传感器研制了相应的硬件系统，同时利用LabVIEW研制了绕组检测软件界面，二者共同实现了利用李萨如特性在变压器绕组变形方面的检测。

1 李萨如在绕组变形检测中应用可行性分析

1.1 李萨如分析法基本原理

李萨如分析法的基本原理表示

(1)

当式(1)消去参数t可得

(2)

图1 变压器绕组等效模型

1.2 李萨如法仿真分析

图2 Simulink仿真模型

图3 仿真结果分析

图3可以看出:当绕组变形时，李萨如图形也相应发生改变；表1为正常与故障情况下李萨如椭圆参数比较，从表中可以明显看出:在故障情况下绕组的变化较大。因此,从仿真角度验证了基于电压电流的李萨如分析法可以用于检测电力变压器绕组故障。

表1 正常与不同故障情况下李萨如椭圆参数比较

2 微型传感器绕组变形检测装置研发

2.1 硬件设计

微型传感器系统基于PT和CT的变压器工频信号测量模块与信号预处理模块，为了提高变压器工频信号的采集精度，采用引针式电压互感器，精度为0.1级，额定工作电压为100 V，额定工作频率为50～400 Hz，变比100 V∶0.5 V，电流传感器采用引针式电流传感器，精度为0.1级，变比5 A∶2.5 mA，二次侧额定负载20 Ω。

微型传感器采集变压器PT和CT输出信号后，需要经过滤波、放大等电路实现信号的预处理。信号预处理原理图如图4所示，测量电路整体原理如图5所示。

图4 信号预处理原理图

图5 测量电路原理图

为了验证测量电路检测精度，用工频信号采集系统装置对PT进行了实验，根据变比输电电压应为0.5 V，此时测量电路的输出电压幅值应为1.77 V，输出电压幅值为1.9 V，与理论计算值基本一致。同理，在相同实验环境下对CT进行实验，测量微型传感器转换输出电压幅值为60 mV，与理论计算的转换电压值62 mV基本一致。测量整套装置输出电压幅值为2.1 V，与理论计算的输出信号幅值2.2 V基本一致。

2.2 软件设计

短路阻抗法可以认为当短路阻抗值变化3 %时，判断绕组发生了形变，可以利用李萨如图形法判断绕组变形的评估判据。

利用与构建的李萨如图形，其椭圆参数有以下关系

ΔU=I×Zk

(3)

(4)

(5)

将式(3)带入式(4)与式(5)可得以下关系

(6)

(7)

(8)

当Zk变化3 %时，由式(5)～式(8)可以算得李萨如图形参数的变化量，借助此判据，通过获取的李萨如图形即可判断绕组是否发生形变。利用LabVIEW软件设计开发了一种绕组状态监测程序，采用RS—232协议进行通信,可以在线显示李萨如图形并进行数据存储。

3 绕组变形检测实验

为验证检测装置在电力变压器绕组幅向变形中的适用性，采用正常变压器与幅向故障变压器开展实验。

设置正常110kV变压器和故障变压器工作频率为50Hz，额定容量31.5MVA，额定变比110/10.5kV，高压侧绕组为星形联接方式，低压侧绕组为三角形联接方式。具体接线方式如图6。被测变压器高压侧采取的接线方式为中性点接地；用探头和皮尔森线圈测量输入电压、输入电流；用微型传感器系统采集输出电压与输出电流。由于采用大功率电阻器代替负载，变压器负载容量有限，所以在高压侧采用1kV的电源加压的状态下进行实验。最终的绕组检测结果曲线图在系统界面上显示。

图6 实验原理

实验平台中分别对同一型号检修后高低压绕组均正常变压器，与未检修高压侧绕组有幅向变形的绕组进行实验，高压侧三相绕组和低压侧三相绕组基本相同，在中性点接地运行方式，使用设计的微传感器系统测量装置测量绕组各相输入电压与输出电流，最终得到各相的李萨如图，如图7。

图7 正常变压器三相绕组和故障状态下的李萨如图

由图7可以得到两点结论：1)正常绕组与故障绕组的李萨如图差异明显，说明本装置可以较为灵敏地对电力变压器绕组进行检测。2)即使正常绕组A，B，C三相的绕组李萨如图也不完全相同，这是因为三相绕组存在细微差异，进一步验证了本装置灵敏度较高。

4 结 论

基于李萨如特性的微型传感系统是一种在线检测电力变压器绕组故障的装置，解决了在使用李萨如特性进行电力变压器绕组故障检测时，电力变压器配套的电压与电流传感器输出值较大，不易测量与不方便处理的问题。首先介绍了李萨如特性在电力变压器绕组故障检测中的原理，然后采用Matlab仿真验证了该方法的可行性，进而研发出测量装置，最后使用该装置对真实变压器在正常与故障状态下进行的实验，验证了该装置可较好的对电力变压器绕组故障进行检测。

[1] 姚森敬．横向比较法在变压器绕组变形测试中的应用[J].广东电力，2000，13(4)：11-14．

[2] 王 钰．变压器绕组变形检测中的故障判定[J]．高电压技术，1997，23(3)：23-26．

[3] 朱建新．电力变压器绕组变形故障的测量分析与判断[J]．变压器，2000，37(6)：21-24．

[4] 杨继先.李萨如图形的性质研究[J].西华大学学报，2008,27(6):98-100.

[5] Almas S.Modeling of a power transformer winding for deformation detection based on frequence response analysis[C]//中国控制会议,2007：506-510.

[6] 李 娟.电力变压器状态在线监测和故障诊断的新方法[J]．电力自动化设备，2002,22(12):60-63.

[7] 崔东君.基于加权小波神经网络的油浸式电力变压器故障检测[J]．电力系统保护与控制，2010,38(18):19-23.

[8] 张天恒,王阳阳,武 亮,等.基于多传感器组合的环面蜗杆误差检测仪设计[J]．传感器与微系统，2015，34(10):66-69.

[9] 吴国跃．电力变压器绕组变形实测中的影响因素[J]．高电压技术，2001，27(3)：81-84．

[10] 陈志勇．频率响应法对变压器绕组变形的分析[J]．河北电力技术，2002，21(4)：45-49．

[11] 何文林，陈金法，应高亮，等．频响分析法测试变压器绕组变形的研究[J].中国电力,2000,33(12):39-42．

[12] 谢宇风，刘 溟．变压器绕组变形频响法分频点研究[J]．华中电力，2005，18(2):39-42.

A micro-sensor system based on Lissajous analysis method*

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,

Kunming 650500,China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd, Kunming 650217,China)

Aiming at defects of large output mean values and inconvenience measuring of voltage and current sensor in transformer， use micro-sensors and micro-voltage three-phase current sensors which used in smart meters to build the Lissajous diagram analysis method working frequency signal sensor micro system,which can realize accurately convert PT and CT measurement value to small value suitable for processing.This micro-system measurement precision is high,its rated operating frequency, voltage and current can match with transformers sets of PT and CT to facilitate acquisition card for data acquisition.

Lissajous analysis method; power transformer; winding fault detection; voltage sensor; current sensor; sensor system

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0080—03

TH 702

A

1000—9787(2017)06—0080—03

2016—06—21

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划项目(2013FZ021)；中国博士后科学基金面上资助(一等资助)项目(2014M552552XB)

谷红霞(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器、测试计量等。

李 川(1971-)，男，通讯作者，教授，博士生导师，主要从事光纤传感器技术与应用方面的研究， E—mail:1625677252@qq.com。