基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，属于电力设备在线检测【技术领域】。该方法包括以下步骤：1)高压纳秒方波脉冲发生器生成高压纳秒脉冲信号；2)高压纳秒脉冲信号经过信号注入及保护电路，传输至安装于变压器套管的变压器信号传感器，将纳秒脉冲信号耦合至绕组上；3)数据采集模块采集高压纳秒脉冲信号及绕组末端中性点的电流响应信号，并转化为数字信号；4)数据处理模块对所述的数字信号进行傅里叶变换，求取绕组的频率响应曲线，并计算所述频率响应曲线的相关系数、标准偏差等特征参量，判别变压器绕组的变形程度。本方法能够实现绕组变形的非侵入式在线检测，且具有检测速度快、对电力系统无损及低成本等优点。
【专利说明】基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力设备在线检测【技术领域】，涉及一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法。
【背景技术】
[0002]电力变压器作为变电站最为核心的设备，其安全稳定运行对确保供电可靠性和提高经济性具有重要作用。据不完全统计，造成变压器损坏和停运的各种故障因素中，绕组变形占据近半壁江山。变压器的运输、运行、绝缘老化受损、油中溶解气体的爆炸以及地震等不可抗力均能造成绕组不同程度的变形，特别是运行中变压器外部出口短路的情况下，绕组中短路电流形成巨大的电磁力使得绕组产生轻微变形故障。随着变形程度的发展，绕组绝缘受损，进一步降低绕组的抗短路能力，最终即使在较小的短路电流作用下，变压器也会因为绕组不可恢复的变形而损坏，导致电网的停运。
[0003]目前，世界各地学者正积极推进变压器绕组变形检测领域研究工作的开展。先后发明了短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应法、振动法和超声波法等方法。其中，频率响应法被认为是经济、有效、重复性好、灵敏度高的方式，广泛应用于电力系统的测试项目中，同时该方法也被列入了行业标准。然而，这种方式需要变压器退出运行，无法在变压器正常工作时有效及时地获取绕组变化的状态，不能在线跟踪及发现绕组的变形故障，很有可能导致变压器的突发性故障。因此，如果能开展电力变压器绕组变形故障的在线监测及检测，及时获取绕组的状况，预警绕组的潜伏性故障，有计划的安排变压器的维修，将保证电力系统的安全稳定运行，提高供电的可靠性，提升经济效益，具有非常重要的实用意义。
[0004]现有变压器绕组变形检测方法中，多采用频率响应法，主要包括如下步骤:生成扫频信号，加载至绕组上；数据采集电路采集电压信号；数据处理模块对采集的数字信号进行频率响应变换，并计算绕组变形判别相关系数，可实现检测变压器绕组变形程度。然而，该方法仅能离线使用，无法在线对电力变压器绕组的变形进行检测，不能及时获取绕组变形的信息，因而难以抵御突发性故障。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，该方法具有非侵入式、检测速度快、对电力系统无损和能够实现在线检测等优点。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，包括以下步骤:步骤一:高压纳秒方波脉冲发生器生成高压纳秒脉冲信号；步骤二:高压纳秒脉冲信号经过信号注入及保护电路，传输至安装于变压器套管的变压器信号传感器，将纳秒脉冲信号耦合至绕组上；步骤三:数据采集模块采集高压纳秒脉冲信号及绕组末端中性点的电流响应信号，并转化为数字信号；步骤四:数据处理模块对所述的数字信号进行傅里叶变换，求取绕组的频率响应曲线，并计算所述频率响应曲线的相关系数、标准偏差等特征参量，判别变压器绕组的变形程度。
[0008]进一步，在步骤一中，通过上位机与中央控制模块通信，上位机提供所需生成高压纳秒脉冲的参数指令，中央控制模块产生相对应的驱动信号，驱动脉冲发生电路产生高压纳秒脉冲；
[0009]所述中央控制模块包括单片机单元、现场可编程门阵列单元、调压电路单元和同步触发电路单元；所述单片机单元，用于生成触发控制参数，经过现场可编程门阵列单元生成控制参数和触发参数，分别经过调压电路单元和同步触发单元生成电压调理信号和同步触发信号，传输至脉冲发生电路；
[0010]所述脉冲发生电路主要由马克思发生器构成，包括高压直流电源、二极管、充电电容、金属氧化物半导体场效应晶体管开关，其中高压直流电源由所述的电压调理信号进行智能控制，金属氧化物半导体场效应晶体管开关由所述的同步触发信号进行开关导通与关断的智能控制。
[0011]进一步，在步骤二中，信号注入及保护电路由与同轴超高频电缆匹配的匹配电阻、滤波电容、气体放电管和压敏电阻构成，变压器信号传感器安装于靠近接地法兰的变压器套管外绝缘层上；
[0012]信号注入及保护电路正向实现纳秒脉冲信号无损注入至变压器信号传感器，同时反向对于变压器信号传感器耦合的套管导杆工频高压起到滤波作用，起到了高通滤波器的作用，保护高压纳秒方波脉冲发生器不受工频高压影响而损坏；
[0013]变压器信号传感器是缠绕在变压器高压套管外绝缘层上的金属薄带，并配置接口，所述的金属薄带与变压器套管内部导杆以及套管介质形成耦合电容，基于该耦合电容可以实现纳秒脉冲信号的耦合式注入至绕组的首端。
[0014]进一步，在步骤三中，数据采集模块主要由模数转换器、电压传感器、电流传感器、高通滤波器构成，由电压传感器将所述的高压纳秒脉冲信号转换至低幅值电压，由模数转换器对低电压信号进行数据采集；同时电流传感器对绕组末端中性点电流信号进行1-V转换，并经过高通滤波器，滤除工频电流信号的同时采集高频响应信号，并由模数转换器对低电压信号进行数据采集，传输至数据处理模块。
[0015]进一步，在步骤四中，数据处理模块包括频率响应曲线绘制模块、特征参量计算模块和绕组状态评判模块；所述频率响应曲线绘制模块，将数据采集模块采集的数字信号进行傅里叶变换，根据下式进行频率响应数据的计算，从而绘制频率响应曲线:
[0016]TF = 20 log
[0017]式中，1ut (f)为绕组末端中性点的电流响应信号，Vin(f)为高压纳秒脉冲信号；
[0018]特征参量计算模块，根据频率响应数据计算得到相关系数、标准偏差、极值点对应情况等特征参量；绕组状态评判模块将特征参量与绕组变形的判据进行对比，从而判断绕组变形的程度，获取绕组的状态，实现绕组变形的在线检测。
[0019]本发明的有益效果在于:1、本发明采用变压器信号传感器，从而真正意义上实现了绕组变形的非侵入式在线检测。该传感器体积小，质量轻，不改变电力系统原有的接线，较为安全。2、本发明采用高压纳秒脉冲信号激励绕组，由于其频带较高，避开了工频和部分干扰信号，提高了抗电磁干扰的能力。3、本发明采用高压纳秒脉冲信号，由于其包含丰富的频谱分量，能够在仅输入几个脉冲的情况下，实现快速检测，提高检测的速度和效率。4、本发明采用高压纳秒脉冲信号，由于其产生电路简单多样，大大简化了方法所需的装置体积和数量，同时降低了成本。5、本发明根据频率响应特征参量进行绕组变形状态的评估，较为直观。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0021]图1为本发明所述方法的流程图；
[0022]图2为本发明的变压器信号传感器安装位置图；
[0023]图3为本发明所述方法的实现图；
[0024]图4为本发明所述方法运用于一台大修后的110kV/10.5kV三相变压器高压侧的频率响应曲线。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0026]图1为本发明所述方法的流程图，本发明所述方法包括以下步骤:步骤一:高压纳秒方波脉冲发生器生成高压纳秒脉冲信号；步骤二:高压纳秒脉冲信号经过信号注入及保护电路，传输至安装于变压器套管的变压器信号传感器，将纳秒脉冲信号耦合至绕组上；步骤三:数据采集模块采集高压纳秒脉冲信号及绕组末端中性点的电流响应信号，并转化为数字信号；步骤四:数据处理模块对所述的数字信号进行傅里叶变换，求取绕组的频率响应曲线，并计算所述频率响应曲线的相关系数、标准偏差等特征参量，判别变压器绕组的变形程度。
[0027]其中，在步骤一中，通过上位机与中央控制模块通信，上位机提供所需生成高压纳秒脉冲的参数指令，中央控制模块产生相对应的驱动信号，驱动脉冲发生电路产生高压纳秒脉冲；
[0028]所述中央控制模块包括单片机单元、现场可编程门阵列单元、调压电路单元和同步触发电路单元；所述单片机单元，用于生成触发控制参数，经过现场可编程门阵列单元生成控制参数和触发参数，分别经过调压电路单元和同步触发单元生成电压调理信号和同步触发信号，传输至脉冲发生电路；
[0029]所述脉冲发生电路主要由马克思发生器构成，包括高压直流电源、二极管、充电电容、金属氧化物半导体场效应晶体管开关，其中高压直流电源由所述的电压调理信号进行智能控制，金属氧化物半导体场效应晶体管开关由所述的同步触发信号进行开关导通与关断的智能控制。
[0030]在步骤二中，信号注入及保护电路由与同轴超高频电缆匹配的匹配电阻、滤波电容、气体放电管和压敏电阻构成，变压器信号传感器安装于靠近接地法兰的变压器套管外绝缘层上；[0031]信号注入及保护电路正向实现纳秒脉冲信号无损注入至变压器信号传感器，同时反向对于变压器信号传感器耦合的套管导杆工频高压起到滤波作用，起到了高通滤波器的作用，保护高压纳秒方波脉冲发生器不受工频高压影响而损坏；
[0032]变压器信号传感器是缠绕在变压器高压套管外绝缘层上的金属薄带，并配置接口，所述的金属薄带与变压器套管内部导杆以及套管介质形成耦合电容，基于该耦合电容可以实现纳秒脉冲信号的耦合式注入至绕组的首端。
[0033]在步骤三中，数据采集模块主要由模数转换器、电压传感器、电流传感器、高通滤波器构成，由电压传感器将所述的高压纳秒脉冲信号转换至低幅值电压，由模数转换器对低电压信号进行数据采集；同时电流传感器对绕组末端中性点电流信号进行1-V转换，并经过高通滤波器，滤除工频电流信号的同时采集高频响应信号，并由模数转换器对低电压信号进行数据采集，传输至数据处理模块。
[0034]在步骤四中，数据处理模块包括频率响应曲线绘制模块、特征参量计算模块和绕组状态评判模块；所述频率响应曲线绘制模块，将数据采集模块采集的数字信号进行傅里叶变换，根据下式进行频率响应数据的计算，从而绘制频率响应曲线:
【权利要求】
1.一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:高压纳秒方波脉冲发生器生成高压纳秒脉冲信号； 步骤二:高压纳秒脉冲信号经过信号注入及保护电路，传输至安装于变压器套管的变压器信号传感器，将纳秒脉冲信号耦合至绕组上； 步骤三:数据采集模块采集高压纳秒脉冲信号及绕组末端中性点的电流响应信号，并转化为数字信号； 步骤四:数据处理模块对所述的数字信号进行傅里叶变换，求取绕组的频率响应曲线，并计算所述频率响应曲线的相关系数、标准偏差等特征参量，判别变压器绕组的变形程度。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于:在步骤一中，通过上位机与中央控制模块通信，上位机提供所需生成高压纳秒脉冲的参数指令，中 央控制模块产生相对应的驱动信号，驱动脉冲发生电路产生高压纳秒脉冲； 所述中央控制模块包括单片机单元、现场可编程门阵列单元、调压电路单元和同步触发电路单元；所述单片机单元，用于生成触发控制参数，经过现场可编程门阵列单元生成控制参数和触发参数，分别经过调压电路单元和同步触发单元生成电压调理信号和同步触发信号，传输至脉冲发生电路； 所述脉冲发生电路主要由马克思发生器构成，包括高压直流电源、二极管、充电电容、金属氧化物半导体场效应晶体管开关，其中高压直流电源由所述的电压调理信号进行智能控制，金属氧化物半导体场效应晶体管开关由所述的同步触发信号进行开关导通与关断的智能控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于:在步骤二中，信号注入及保护电路由与同轴超高频电缆匹配的匹配电阻、滤波电容、气体放电管和压敏电阻构成，变压器信号传感器安装于靠近接地法兰的变压器套管外绝缘层上； 信号注入及保护电路正向实现纳秒脉冲信号无损注入至变压器信号传感器，同时反向对于变压器信号传感器耦合的套管导杆工频高压起到滤波作用，起到了高通滤波器的作用，保护高压纳秒方波脉冲发生器不受工频高压影响而损坏； 变压器信号传感器是缠绕在变压器高压套管外绝缘层上的金属薄带，并配置接口，所述的金属薄带与变压器套管内部导杆以及套管介质形成耦合电容，基于该耦合电容可以实现纳秒脉冲信号的耦合式注入至绕组的首端。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于:在步骤三中，数据采集模块主要由模数转换器、电压传感器、电流传感器、高通滤波器构成，由电压传感器将所述的高压纳秒脉冲信号转换至低幅值电压，由模数转换器对低电压信号进行数据采集；同时电流传感器对绕组末端中性点电流信号进行ι-v转换，并经过高通滤波器，滤除工频电流信号的同时采集高频响应信号，并由模数转换器对低电压信号进行数据采集，传输至数据处理模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲耦合注入的电力变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于:在步骤四中，数据处理模块包括频率响应曲线绘制模块、特征参量计算模块和绕组状态评判模块；所述频率响应曲线绘制模块，将数据采集模块采集的数字信号进行傅里叶变换，根据下式进行频率响应数据的计算，从而绘制频率响应曲线:
【文档编号】G01B7/28GK104034255SQ201410315224
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】姚陈果, 赵仲勇, 李成祥, 赵晓震, 米彦, 廖瑞金, 李昭炯, 陈晓晗 申请人:重庆大学