沈 明 尹 毅 吳建東 王志浩

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240）

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，因意外的故障導(dǎo)致變壓器停運不僅對電力系統(tǒng)的安全運行帶來重大影響，而且產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。因此密切監(jiān)測變壓器在線運行狀況，提前預(yù)警并防止重大意外事故的發(fā)生至關(guān)重要。

繞組是變壓器故障率較高的部件之一，據(jù)統(tǒng)計，將近25%的故障是由變壓器繞組變形引起的[1]。引起繞組變形故障的原因較多，如短路電流產(chǎn)生的電動力，變壓器油中分解出的可燃性氣體的爆炸，運輸途中的機械碰撞甚至是地震等自然災(zāi)害[2,3]。繞組發(fā)生局部變形后，其等效電阻、電感、電容等參數(shù)必然發(fā)生相對變化，這是進行繞組變形測試的基本依據(jù)。使用頻率響應(yīng)分析法、短路電抗法等進行繞組變形分析是目前變壓器繞組故障診斷研究中有效的方法[4-8]。離線頻率響應(yīng)分析法因具有靈敏度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但也存在需要變壓器停運且對現(xiàn)場操作人員專業(yè)技能要求高等缺點[9]。如果能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測變壓器繞組變形狀況，那么就容易實現(xiàn)變壓器繞組變形的狀態(tài)維修，提高變壓器維修的經(jīng)濟性。

本文采用了一種簡單且有效的方法實現(xiàn)繞組變形的在線監(jiān)測。將600kHz 的正弦信號通過套管注入繞組中，通過自制的高頻電流傳感器檢測注入的激勵信號和繞組中性點接地線上的響應(yīng)信號，計算電流偏移量和電流偏差系數(shù)以確定繞組變形的程度、類型和位置，抗干擾性強。

2 監(jiān)測與分析方法

2.1 電流偏差系數(shù)法監(jiān)測繞組變形

變壓器繞組可以用一個梯形網(wǎng)絡(luò)電路進行等效，在一定的頻率范圍內(nèi)，它可由有限的部分構(gòu)成，每一部分由串聯(lián)電容Cs、并聯(lián)電容Cg和電感Lij、互感Mn及電阻r 構(gòu)成的π 型電路組成[10,11]，如圖1所示。

圖1 變壓器繞組等效電路Fig.1 Equivalent circuit of the transformer winding

600kHz～1.2MHz 范圍內(nèi)的某一單一頻率信號下，變壓器的繞組呈容性，并且可由串聯(lián)電容和并聯(lián)電容組成的梯形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[12,13]。對于繞組微小變形，軸向位移將導(dǎo)致串聯(lián)電容變化（增大或減?。瑥较蜃冃螌?dǎo)致并聯(lián)對地電容變化（增大或減?。?，因而串聯(lián)電容和并聯(lián)電容的容值變化能夠直接反映出繞組軸向和徑向變形的程度[14]。

根據(jù)文獻[13]，獲取繞組首端（1-1′端）的激勵信號電流值和繞組末端（2-2′端）的響應(yīng)信號電流值，定義電流偏差系數(shù)（Current Deviation Coefficient，CDC）如下：

式中，I1H和I2H分別是繞組健康狀態(tài)時施加高頻信號后的首末兩端的電流；分別是繞組變形后施加高頻信號后的首末兩端的電流。

CDC 值與串聯(lián)電容或并聯(lián)電容的改變量無關(guān)，只和電容所處的位置有關(guān)，因而能夠根據(jù)CDC 值進行繞組變形故障定位[13]。此外，軸向位移導(dǎo)致串聯(lián)電容變化，此時CDC 值總是正的；徑向變形導(dǎo)致并聯(lián)電容變化，此時CDC 值總是負的。所以根據(jù)CDC值亦可以判斷繞組變形的類型。對于復(fù)雜變形，即既有軸向變形，又有徑向變形，此時CDC 值的正負情況反映的是起主要變形作用的類型。

判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形，依據(jù)繞組首末兩端的高頻信號電流值與故障前得到的指紋值進行對比。定義電流偏移量為

式中，I1為變壓器在線運行且繞組健康狀態(tài)時繞組首端或末端高頻信號電流數(shù)值；I2為變壓器在線運行時實時采集的繞組首端或末端高頻信號電流數(shù)值，且I1和I2須為同一位置的電流值。

依據(jù)電流偏移量可判斷繞組變形程度見表1。表1 中的數(shù)據(jù)可依據(jù)具體的情況加以修正。

表1 繞組變形程度判斷Tab.1 The judgment of winding deformation

2.2 信號耦合方式

如何將高頻低壓信號注入到正在運行的變壓器繞組中，且不改變變壓器本身的運行方式，是實現(xiàn)在線監(jiān)測變壓器繞組變形的關(guān)鍵之一。由于正在運行的變壓器具有工頻電壓高，諧波等干擾嚴(yán)重的特點，高頻低壓信號經(jīng)過套管注入繞組中[15,16]，既要保證不影響套管末瓶的工頻接地、雷電接地和操作波接地，并能夠防止過高的工頻及系統(tǒng)諧波傾入到信號發(fā)生器致使設(shè)備損壞，又要保證信號發(fā)生器輸出的功率能夠盡可能多的注入到繞組中，而不是通過套管的對地電容流入大地。為實現(xiàn)上述要求，設(shè)計了如圖2 所示的信號耦合電路:放電間隙和壓敏電阻構(gòu)成保護電路部分，防止過電壓侵入信號發(fā)生器；C1為套管主電容，C2為套管上信號注入點對地電容；非侵入式電容傳感器[16,17]，即將一片一定寬度的薄銅片安裝在靠近變壓器箱體一端的套管上，但不直接接地，通過該傳感器與套管之間的容性耦合機制將信號注入到繞組中。該傳感器的相關(guān)參數(shù)及性能分析參見文獻[17,18]；點畫線框中所示為設(shè)計的高通濾波器，電容C3、電感L 和電阻R 一起構(gòu)成高通濾波器，對工頻電壓及系統(tǒng)諧波呈現(xiàn)低阻抗性使得信號源承受低電壓，而對需要注入的高頻信號，電感L為高阻性，可近似認為斷路，高頻信號主要按照套管主電容C1和電容C2進行分壓，使得注入的高頻信號盡可能多的進入繞組中。圖3是該高通濾波器的頻率-增益曲線。

圖2 信號耦合電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of signal coupling

圖3 高通濾波器的幅頻特性Fig.3 Frequency response curve of the high-pass filter

在Multisim 仿真平臺搭建圖2 所示的電路，C2/C1比值近似參考套管末瓶對地電容與套管主電容的電容值之比[15]。不同電壓等級下套管信號注入點及電阻R 端的工頻電壓仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 信號耦合電路仿真結(jié)果Tab.2 The simulation results of the signal coupling

2.3 高頻電流傳感器

準(zhǔn)確測量變壓器繞組首末兩端的激勵和響應(yīng)信號是在線監(jiān)測變壓器的又一關(guān)鍵要素。由于需要測量的信號為所施加的高頻正弦信號，頻率范圍從幾百千赫茲到兆赫茲，故采用錳鋅合金鐵氧體材料作為傳感器的磁心，成功設(shè)計出一種高靈敏度、線性度好的高頻電流傳感器，其靈敏度在 400kHz～2MHz 的范圍內(nèi)超過了80mV/mA。圖4為高頻電流傳感器的頻率響應(yīng)曲線，圖5為高頻電流傳感器在600 kHz 下的線性度測試曲線。

圖4 高頻電流傳感器的幅頻特性圖Fig.4 Frequency response curve of the high frequency current sensor

圖5 高頻電流傳感器的線性度曲線（信號頻率為600kHz）Fig.5 Linearity curve of the high frequency current sensor(the frequency of the signal is 600kHz)

2.4 繞組測試方法與裝置

為獲取變壓器繞組的電容等效電路，在變壓器停運時，將高頻信號施加到繞組上，并測量繞組首端和中性點接地線上（星型接法）的高頻電流I1和I2，按照式（3）～式（6）進行計算得到繞組的串聯(lián)電容Cs和并聯(lián)對地電容Cg的數(shù)值[19]。

式中，n是繞組分成的等份數(shù)；ω是選定的高頻信號（rad/s）；Cb是套管的等值電容，由生產(chǎn)廠家提供；N是一個2×2 的矩陣，N(1,1)、N(1,2)分別表示該矩陣的第一行第一個元素和第二個元素；V1是繞組首端高頻信號的電壓值；I1和I2是繞組首末兩端的高頻電流值；I是注入到繞組中的高頻電流值。

獲得繞組的等效電路后，在仿真平臺搭建模型，依次改變繞組每一部分的串聯(lián)電容、并聯(lián)電容的值，從而獲得每一部分電容變動后與之對應(yīng)的電流偏差系數(shù)分布，稱為指紋圖，作為在線監(jiān)測時繞組變形后故障定位的判定依據(jù)。變壓器在線運行時，記錄一組變壓器繞組在健康狀態(tài)時首末兩端的高頻電流數(shù)值，作為計算電流偏差量的基準(zhǔn)值，判斷繞組是否變形的依據(jù)。圖6 所示為星型接法繞組在線監(jiān)測的電流傳感器安裝位置示意圖。

圖6 高頻電流傳感器安裝示意圖（Y 型繞組）Fig.6 Installation diagram of high frequency current sensor(Y-type winding)

3 實驗

3.1 變壓器繞組變形模擬實驗

為驗證電流偏差系數(shù)法檢測變壓器繞組變形在實際應(yīng)用中的有效性，在一臺220V/110V 單相變壓器的高壓繞組上進行了實際測試，所用設(shè)備為函數(shù)信號發(fā)生器 Tektronix AFG3021B，數(shù)字示波器Tektronix DPO 3034，自制高頻電流傳感器。為模擬繞組變形，分別在繞組的上部、中部和下部插入了一根白色絕緣短棒，如圖7 所示。

圖7 繞組變形故障設(shè)置Fig.7 Winding deformation fault settings

首先獲取繞組的電容型等效電路。在繞組呈健康狀態(tài)時，注入頻率為600kHz 的正弦信號，同時利用高頻電流傳感器測量繞組首端和末端的高頻電流值，并記錄繞組首端的該高頻信號的電壓值。測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表3 所示。

表3 離線測試數(shù)據(jù)Tab.3 The off-line test data

按照式（3）～式（6），n 取8，套管電容Cb=0，計算可得，串聯(lián)電容 Cs=14.37nF，并聯(lián)電容 Cg=0.254nF，并在Simulink 平臺進行仿真，得到指紋圖數(shù)據(jù)。串聯(lián)電容Csi(i=1,…,8)按照電容變動標(biāo)幺值-0.35～0.35 依次變動，得到結(jié)果如圖8 所示。類似的，并聯(lián)電容Cgi(i=1,…,8)依次變動，得到結(jié)果如圖9 所示。

圖8 串聯(lián)電容Cs變動標(biāo)幺值的CDC 值Fig.8 CDC as a function of p.u.Cschange

圖9 并聯(lián)電容Cg變動標(biāo)幺值的CDC 值Fig.9 CDC as a function of p.u.Cgchange

圖8 和圖9 表明，繞組不同部分變形后的電流偏差系數(shù)不同，同一部分變形后的電流偏差系數(shù)幾乎相同，并且僅串聯(lián)電容Cs變化，電流偏差系數(shù)值始終是正值，而僅并聯(lián)電容Cg變化，電流偏差系數(shù)始終是負值。圖8 和圖9 所示結(jié)果作為判斷繞組變形位置的指紋圖。

繞組首、末兩端的電流偏移量與電容（串聯(lián)或并聯(lián)）的變化大小有關(guān)，電容值變化越大，電流偏移量值越大。按圖7 所示的繞組變形故障設(shè)置，測得電流偏移量值見表4，電流偏差系數(shù)CDC 值如圖10 所示。

表4 首端電流偏移量離線實驗數(shù)據(jù)Tab.4 The current offsets of line-end in the off-line test

由表4 可知，繞組上部和繞組下部的模擬變形量較小，繞組中部模擬的變形量較大，這與實際情況即插入的白色短棒對原繞組線圈的實際影響較為符合。

圖10 電流偏差系數(shù)離線實驗數(shù)據(jù)Fig.10 The CDC values in the off-line test

由圖10 可知，實際測試結(jié)果與仿真的結(jié)果較為相符，與指紋圖對比基本可以近似確定繞組的變形位置；設(shè)置的繞組變形故障可認為是白色短棒主要改變了繞組線圈的徑向位置，使其突出或向內(nèi)縮進，線圈的軸向位移相對較小，根據(jù)實際測試結(jié)果也能夠基本確定變形的類型為徑向變形為主。

3.2 繞組變行在線監(jiān)測實驗

為驗證應(yīng)用電流偏差系數(shù)法在線監(jiān)測繞組變形的可行性及有效性，在一臺35kV/400V D-Y 聯(lián)結(jié)的試驗變壓器的低壓繞組上進行了模擬測試。為檢驗電流偏差系數(shù)與繞組參數(shù)變化位置有關(guān)，在A相繞組的首端并聯(lián)不同大小的電容。實驗過程如下：首先，將電壓調(diào)壓器連接到待測變壓器的低壓側(cè)，以實現(xiàn)變壓器的輸入輸出電壓調(diào)節(jié)。其次，按照前述信號耦合方式將信號發(fā)生器連接到A相上，并將高頻電流傳感器分別安裝到A相繞組首端和中性點接地線上。最后，將電流傳感器的輸出連接到數(shù)字示波器上。正確連接好各項裝置后，通電進行測試。試驗場景如圖11 所示。實驗數(shù)據(jù)見表5。

圖11 繞組變形在線測試Fig.11 Winding deformation on-line test

表5 在線實驗數(shù)據(jù)Tab.5 The CDC values in the on-line test

如表5 所示，在繞組首端并聯(lián)不同大小的電容，電流偏差系數(shù)均為負數(shù)，且數(shù)值大小接近，因此應(yīng)用電流偏差系數(shù)法在線監(jiān)測繞組是可行的，并且電流偏差系數(shù)與繞組參數(shù)的變化位置有關(guān)，同一位置的參數(shù)變化引起的電流偏差系數(shù)變化較小。對于在線監(jiān)測變壓器繞組中的變形故障并應(yīng)用電流偏差系數(shù)進行準(zhǔn)確的故障定位仍然需要進行進一步的實驗研究。

3.3 在線監(jiān)測抗干擾性實驗

由于電力系統(tǒng)中在線運行的變壓器中除了工頻電壓之外，還可能會有各次的系統(tǒng)諧波，電暈信號，電力載波信號，局部放電信號等。如何削弱甚至消除干擾信號，確保高頻電流傳感器獲得的信號為真實的激勵信號或響應(yīng)信號，成為在線監(jiān)測繞組變形的一個關(guān)鍵點之一。濾波技術(shù)，包括模擬濾波器和數(shù)字濾波，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的一個有力工具。如圖12 所示，設(shè)計了一個以局部放電信號為主要干擾源的實驗平臺，該平臺由油浸式單相試驗變壓器、函數(shù)信號發(fā)生器Tektronix AFG3021B、保護電阻R1和R2，針-板人工放電模型、高頻電流傳感器、帶通濾波器、放大器和一臺Tektronix DPO 4104 型示波器（最大采樣頻率為5G次/s）構(gòu)成。帶通濾波器的上下截止頻率分別為2.4MHz 和200kHz，與高頻電流傳感器的-3dB 帶寬一致。

圖12 抗干擾試驗平臺示意圖Fig.12 Schematic diagram of anti-interference test platform

圖13 原始信號的時域和頻域圖（250M次/s）Fig.13 The original signal in time and frequency domain（250M samples/s）

試驗變壓器產(chǎn)生的高壓施加到人工放電模型上產(chǎn)生模擬局部放電信號，穿過高頻電流傳感器；同時，函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的600kHz 的正弦信號經(jīng)過保護電阻后穿過高頻電流傳感器，此時高頻電流傳感器同時檢測到了600kHz 的正弦信號和針-板放電產(chǎn)生的局部放電信號，如圖13 所示。為分離出用于繞組變形診斷的600kHz 的正弦信號，設(shè)計了一個基于Kaiser 窗函數(shù)的帶通濾波器，采樣頻率為250M次/s，通帶截止頻率分別為0.004 76π 和0.004 84π，阻帶截止頻率為0.004 784π 和0.004 864π，阻止帶衰減大于等于40dB，通帶和阻帶波紋為0.01。原始信號經(jīng)過該帶通濾波器后得到的信號如圖14 所示?？芍?，600kHz 已經(jīng)很好的從局部放電信號和噪聲信號中分離出來。

圖14 帶通濾波后信號的時域和頻域圖Fig.14 The original signal after a bandpass filter in time and frequency domain

4 結(jié)論

本文分析了在線監(jiān)測變壓器繞組變形的基本方法，提出和研制了用于變壓器繞組變形在線監(jiān)測的測試方法和裝置，并通過離線和在線實驗驗證了電流偏差系數(shù)法對變壓器繞組變形在線監(jiān)測的可行性以及通過搭建的實驗平臺驗證了該方法及裝置在線監(jiān)測繞組變形具備一定的抗干擾能力。該監(jiān)測方法簡單、有效。從本文研究結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）采用錳鋅鐵氧體材料制作的高頻電流傳感器，頻帶寬，線性度好，能夠用于變壓器繞組變形的在線監(jiān)測。

（2）電流偏移量及電流偏差系數(shù)能夠用于診斷變壓器繞組變形的程度，并能根據(jù)指紋圖的對照確定繞組變形的類型，而且電流偏差系數(shù)與繞組變形的位置有關(guān)。

（3）應(yīng)用相應(yīng)的模擬濾波及數(shù)字濾波技術(shù)能夠較好的提取出高頻激勵及響應(yīng)信號，該測試方法及裝置具有一定的抗干擾能力。

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