基于套管末屏脈沖信號注入法的變壓器繞組變形檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于變壓器繞組故障類型檢測裝置及方法，屬變壓器檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]作為電力系統輸變電過程的關鍵設備，變壓器承擔著電壓變換、電能分配和傳輸等任務，它的可靠運行直接關系到電力系統的安全、穩定運行。盡管變壓器的質量隨著制造工藝和質量標準的提高而不斷提升，但由于變壓器長期處于在線運行狀態，故障和事故的發生總是不可避免的。在所有的變壓器故障中，因繞組變形導致的變壓器故障率是最高的，根據統計，l1kv及以上等級的變壓器每年由于繞組損壞而引起的變壓器故障在所有變壓器損壞故障中占50% -60%。從吊芯檢修的情況看，變壓器發生事故后往往會造成繞組出現不同程度的變形和破壞，如輻向和軸向的變形、絕緣損壞，嚴重的甚至會出現器身移位、繞組扭曲和斷股等現象。
[0003]智能電網需要六個主要的技術支撐來實現其功能，它們是:①靈活的網絡拓撲；②基于開放體系并高度集成的通信系統，以便實現對系統中每一個成員的實時控制和信息交換，使得系統的每一部分都可雙向通信；③傳感和測量技術，以便實現對諸如遠程監測、分時電價和用戶側管理等的更快速和準確的系統響應；④高級電力電子設備、超導和儲能技術；⑤先進的系統監控方法，以便實現快速診斷和事故的準確排除；⑥高級的運行人員決策輔助系統。
[0004]隨著我國智能電網概念的不斷深入，10kV配電網中的用戶對供電可靠性及電能質量的要求越來越高。然而，10kv變壓器的安全、可靠、穩定運行又是實現這一目標的關鍵因素，因此對10kv變壓器故障的及時發現及排除就顯得尤為重要。根據統計資料表明，約25%的變壓器故障是由繞組變形引起的，因而對10kV變壓器繞組變形的監測也是實現我國智能配網建設的重要組成部分。配電網的智能化是智能電網的核心部分，靈活可重構的配電網絡拓撲結構和自動愈合功能是未來智能電網的基礎。在配網智能化框架下，用戶對供電質量的要求更高，而10kV變壓器的故障運行會造成用戶電壓的不穩定、頻率偏差、諧波，甚至是大面積停電事故的發生，所以對配電變壓器的監測是非常有意義的。目前，檢測變壓器繞組變形的主要方法包括短路阻抗法、低壓脈沖法和頻率響應分析法。
[0005]短路阻抗法是指在頻率一定的情況下，變壓器的漏電抗大小主要由繞組的結構幾何尺寸決定，通過測量變壓器漏電抗的變化判斷變壓器繞組是否發生變形。低壓脈沖法是在變壓器繞組的一端輸入標準脈沖電壓信號，同時記錄該端的脈沖信號和另一端的相應輸出信號，得到該繞組的脈沖響應特性或傳遞函數，通過傳遞函數的變化來判斷變壓器的繞組變形。但這一方法的不足在于輸入波形的微小變化就會導致響應信號的明顯變化，測試重復性差。對測試變壓器繞組的首端故障不靈敏，尤其對變壓器首端餅間故障不靈敏，而且該法對變壓器各處故障的靈敏度也不一樣，難以用于現場測試。
[0006]頻率響應分析法因其靈敏度高、信噪比好、現場應用方便成為檢測變壓器繞組變形應用較廣泛的方法。該法是將一穩定的正弦電壓掃描信號或脈沖信號施加到被試變壓器的一端，同時記錄該端和另一端點上的電壓幅值及相角，從而得到被試變壓器繞組的一組頻響特性即傳遞函數，則該頻響特性在變壓器繞組變形前后的變化反映出繞組變形的信息。頻率響應分析法是在較寬的頻帶上測量變壓器繞組的傳遞函數，并分析繞組的頻率響應特性，判斷繞組狀態的方法，因其信噪比好、靈敏度高、測試重復性好、現場使用方便，成為變壓器繞組變形現場試驗的主要方法。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有變壓器繞組變形檢測技術中無法通過有效地在線狀態下進行信號的在線注入，提供一種基于套管末屏電容傳感器的脈沖信號注入法的變壓器機械故障類型檢測裝置及檢測方法。
[0008]為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案如下:
[0009]所述裝置是在線狀態下，利用信號發生器向系統注入高頻脈沖信號，信號經保護電路、分壓器、通過變壓器套管末屏進入變壓器的低壓繞組，在中性線處利用高頻電流傳感器測量響應信號，該響應信號經信號調理單元、數據采集卡進入工控機，本系統所使用的主要硬件設備如下:脈沖信號發生器、保護電路、電容傳感器、高速數據采集卡、工控機。利用LabVIEff軟件對采集到的信號進行處理，得到變壓器繞組的頻響曲線，從而判斷變壓器的繞組變形。
[0010]所述信號源是整個頻率響應分析法檢測系統的關鍵和核心部分，其參數和性能決定了監測系統對變壓器繞組輕微變形檢測的試驗效果。文獻提到，根據獲得頻響特性時信號源的選擇，可以將頻率響應分析法分為掃頻法和脈沖響應分析法。將一定頻率范圍內的正弦作為信號源的測量方法稱為掃頻法；而將一脈沖信號作為信號源的測量方法稱為脈沖響應分析法。應用脈沖響應分析法時，將一個短時脈沖信號注入測試變壓器繞組的一端，同時記錄該脈沖信號和響應信號，并將兩時域信號經過快速傅立葉變換轉換為頻域信號，得到變壓器繞組的頻率響應特性。掃頻法的測試速度慢，在測試過程中更容易受到外界干擾；脈沖注入法是將時域脈沖信號經過快速傅立葉變化轉換成頻域信號，進而得到繞組頻響特性，其測量時間比掃頻法要短，另外，脈沖信號發生器與掃頻信號發生器相比結構簡單、成本低。針對上述問題，本發明利用脈沖信號作為監測系統的信號源。
[0011]所述保護單元是變壓器正常運行時，會遭到操作過電壓和雷擊等過電壓的影響，如果沒有適當保護措施，會對監測設備的安全運行會造成很大的影響，為防止各種類型過電壓對設備的影響，本發明設計了用于保護監測設備的保護單元。采用壓敏電阻和氣體放電管的混合保護，并通過長時間連續放電試驗，可靠地把端口電壓限制在110V(峰值)以內。
[0012]所述工控機(Industrial Personal Computer-1PC)是一種特殊的計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行，為了保證現場惡劣條件下的準確度和重復性，變壓器繞組變形在線監測系統采用抗干擾能力強的工控計算機，保證其能在現場低溫條件下的正常啟動運行。
[0013]所述壓敏電阻(VoltageDependent Resistor)和氣體放電管(Gas dischargetube)作為保護元件。壓敏電阻在一定溫度下，其電阻率隨施加電壓的增加而急劇減小，當電壓超過保護設置的值時，壓敏電阻首先放電，從而實現了對設備的相關電路的保護；氣體放電管是由充以惰性氣體的帶間隙金屬電極組成，當施加到兩電極的電壓達到氣體放電管的擊穿電壓時，氣體放電管便開始放電，并由高阻抗變成低阻抗，兩電極近似短路，從而將過壓旁路，保護監測設備。
[0014]所述系統軟件是基于FRA的變壓器繞組變形在線監測系統是由硬件系統和軟件系統兩個部分組成的復雜整體，其中，系統軟件將整個系統的各個獨立的功能模塊有效地聯系了起來，實現了系統硬件的通信、操作界面的可視化和算法的嵌入與擴展等功能，所以系統的軟件設計就顯得尤為重要。該系統軟件最大的特點是便于現場人員的使用。為達到這一目標，首先必須考慮把專業知識與現場人員的使用習慣相結合。其次，要使軟件的可操作性大大提高，提供人性化的操作界面，同時，要保證計算結果滿足精度要求。本發明中變壓器繞組變形在線監測的系統軟件基于虛擬儀器技術設計，使用美國NI公司的LabVIEW
8.6虛擬儀器開發工具和相應儀器的驅動進行設計開發開發。
[0015]所述系統運行軟件后，首先執行用戶登錄驗證程序，經過用戶驗證后才能進入主程序