纳秒脉冲响应法的变压器绕组检测技术研究

陈乃川,孙 波,李宏达,2

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院,沈阳 110159;2.清华大学 机械工程学院,北京 100084)

电力发展对于经济发展至关重要,作为电力传输过程中关键设备,电力变压器的传输容量、电压等级在不断提高,变压器发生故障的概率越来越高,因此电力变压器的正常工作与否对于整个电网安全运行具有重大意义[1-3]。随着配电网容量的日益增大,变压器发生近区短路后所承受的短路电流在不断增加,变压器发生绕组变形的可能性也在不断增加,所以对变压器进行精确绕组变形、绝缘老化等微小局部损伤的测试十分必要。传统检测仪器很难适应日益增长的电力系统短路容量问题,目前国内外普遍采用的诊断方法有低压脉冲法LVI(Low Voltage Impulse)、短路阻抗法SCI(Short-Circuit Impedance)、频率响应分析法FRA(Frequency Response Analysis)[4-6]。常规手段受各种技术瓶颈,因而不能对变压器绕组变形及时检测,绕组变形可能造成绕组绝缘微小的局部受损,进而导致局部放电,甚至加剧绝缘老化,造成电力变压器的损坏或火灾[7-9]。本文对纳秒脉冲法的变压器绕组检测进行试验研究，该方法是基于纳秒级探测脉冲的响应波形,通过波形对比来判断绕组情况，得出基于纳秒级脉冲在检测变压器绕组上可获取准确明显的信号波形。

1 纳秒级方波脉冲理论

1.1 方波脉冲理论分析

目前方波脉冲在很多高新技术领域有广泛的应用。正弦信号的激励源易被电磁信号掩盖。相比于正弦扫频信号,方波脉冲频谱宽、幅值易提高且不易受电磁干扰。此外纳秒方波脉冲发生器内部电容值大,受到负载阻值响应小。因此选择方波脉冲作为检测信号[10-11]。

在实际应用中,方波的上升时间不可能为零,实际的方波脉冲时域与频域的波形如图1和图2所示。

图1 方波脉冲时域波形

方波时域波形的表达式为

(1)

图2 方波脉冲频域波形

方波脉冲的频谱表达式为

H(ω)=

(2)

设脉冲宽度为T,脉冲前沿上升时间为m,可得式(3)

τ-τ1=2mτ+τ1=2(T+m)

(3)

1.2 纳秒脉冲响应的故障检测方法

纳秒级脉冲信号作用于变压器绕组的过程与电力系统中的特快速暂态波在绕组中的传播类似,主频为数十兆赫兹的脉冲电压可能激起绕组的电磁振荡[12]。在高频状态下,变压器可等效成由一个电阻、电容和电感组成的二端口网络,在一端施加激励信号,在二端口的另一端就会得到响应信号。纳秒级脉冲响应分析法的等效电路模型如图3所示。

图3 变压器绕组的等效电路模型

图3中R为寄生电阻;L为寄生电感;C为绕组间电容;e(t)为激励信号源;Ri为信号源阻抗;Ro为匹配阻抗。

在纳秒级、大功率脉冲信号作用下，绕组等效电路会产生“寄生效应”和电磁耦合。绕组的任何变化均会改变该电路模型中的参数大小,进而使绕组的脉冲响应发生变化。变压器绕组在大功率纳秒级脉冲信号作用下可测得其Ns个点的激励信号Ui(n)和响应信号Uo(n)，并通过快速傅里叶变换(FFT)变成幅频特性曲线Ui(k)和Uo(k)。(n=0,1,…,NS-1;0≤k≤NS-1;NS为信号采样点数)。

幅频特性曲线表达式为输入Ui(k)和输出Uo(k)，如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

由式(6)计算出变压器绕组脉冲响应曲线H(k)

(6)

图4为纳秒脉冲响应分析法检测变压器绕组的方法流程图。

图4 检测变压器绕组流程框图

2 便携式检测仪器设计

2.1 硬件设计

根据纳秒脉冲响应法检测变压器绕组变形的原理及设备要求,本文设计的便携式检测仪结构框图如图5所示。

图5 便携式装置整体结构图

图5中1为可充电电池、2为12V电源、3为5V电源、4为控制和记录单元、5为600V电源、6为脉冲发生器、7为平板电脑、8为10V探头的输入分配器、9为600V探头的输入分配器、10为控制继电器、11为模数转换器、12为处理器、13为10V电压探头、14为600V电压探头、15为测试脉冲输入电缆。

脉冲电源是检测仪器重要构成,为了得到稳定、高重复频率和纳秒级快上升沿的脉冲,研究结合电力电子技术与脉冲功率技术,提出了一种设计高压和稳定重复频率的纳秒级脉冲发生器,设计的脉冲电源实物如图6所示。

图6 脉冲电源实物图

运用脉冲功率技术,通过电容器的磁开关等组成的脉冲电路对高频电压波形整形改形,最后输出方波电压为10～600V,上升沿为5～10ns,频谱范围达10Hz～30MHz纳秒级上升前沿的高重复频率纳秒脉冲。

2.2 软件设计

本文设计了相应的人机交互界面，实现对便携式检测仪器的控制与观测。选用LabVIEW作为操控界面,将输出响应曲线进行滤波处理。上方曲线为时域波形,下方曲线为频域波形。检测装置响应曲线如图7所示。在软件界面上可滑动调控触发频率及上升沿时间,软件界面如图8所示。

图7 检测装置响应曲线

研制的便携式测试仪,仪器上端有可触摸式的平板电脑,下端为脉冲电源、信号采集与处理电路及电路保护模块(装置实物如图8所示)。

图8 检测装置实物图

3 检测变压器绕组测试分析

为验证高压三相变压器在实际环境下检测信号采集的有效性,本文的测试在东北电网变电检测中心进行。本次实验测试接线图如图9所示。

图9 测试接线图

实验变压器的主要参数如下:功率为160kVA;高压绕组电压为10kV;低压绕组电压为0.4kV;绕组连接类型为星型,绝缘体为变压器油。

已设计出一个反馈信号比较程序,能进行数字信号处理,对获取波形进行对比分析，计算带有24个采样点的脉冲反馈信号。所有形式的测试反馈信号都与测量标准变压器的反馈信号测试位置相同。根据缺陷检测规则,如果脉冲反馈与标准图的偏差超过5%,就可诊断出线圈发生了几何变化。通过检测存在缺陷的A相高压绕组,来确定纳秒脉冲方法探测匝间短路类型缺陷的准确性。用程序计算高压绕组的匝间短路类型;探测脉冲应用到A相的高压绕组,反馈信号记录到B相高压绕组。比较图如图10所示。

图10 A-B相绕组曲线比较图

在图10中短路曲线与正常曲线显示差值为3.4×10-6Wb。正常曲线的值等于1.0114×10-5Wb。正常曲线和反馈曲线之间的差异积分为34%。

将探测脉冲接到A相高压绕组,反馈记录到C相高压绕组。正常曲线与短路曲线的比较如图11所示。

图11 A-C相绕组曲线比较图

图11中的结果显示了9.3243×10-6积分差值。正常曲线的值等于1.9740×10-6Wb。正常曲线和缺陷曲线之间的积分差异为47%。

后续实验中,在B相高压绕组区域中有一个“圈轴向移位”缺陷。将探测脉冲注入到变形绕组侧,对比正常绕组检测波形曲线,对比图如图12所示。

探测脉冲应用到B相高压绕组,反馈记录到C相高压绕组。图12中正常曲线和反馈曲线的积分差值为52%。

图12 正常绕组与轴向位移绕组曲线比较图

在高压绕组匝间短路情况下,基于纳秒探测脉冲的脉冲法给出了在绕组正常情况下与缺陷绕组条件下存在34%～47%的差异。对于线圈存在“轴向移位”的情况,纳秒脉冲法检测出与正常曲线存在36%～52%的差异,这种差异取决于组合的“探测脉冲检测位置和响应信号记录的位置。对于更严重的绕组损坏，纳秒脉冲法信号的积分差值应不小于36%,是判断缺陷状态产生的重要判据。基于纳秒脉冲技术的检测数据,即脉冲、触发前端、持续时间激发轮廓与高频率,从而做出正确的诊断。所得到的结果即可以判断绕组状态。

为了提高绕组的诊断灵敏度,可以采用两种持续时间不同的脉冲:长脉冲可用于低频缺陷诊断;持续时间短的脉冲(纳秒范围)可用于高频缺陷诊断。脉冲越短,其频谱就越宽,在信号响应中的脉冲高频分量效果更明显,对噪声有较强的抗干扰能力。因此纳秒脉冲探测脉冲技术对变压器绕组检测是一个很好的手段。

4 结束语

介绍了自行研制的纳秒脉冲检测仪器的工作原理与装置系统构成。通过实验仿真与测量验证了纳秒脉冲检测设备能够准确判断变压器绕组内部状态,为以后装置的在线监测打下了基础。