测试铁心片间短路与磁通关联性的变压器试验平台及方法与流程

本发明属于变压器故障试验技术领域，更具体说涉及一种测试片间短路故障与磁通关联性的变压器系统，还涉及片间短路故障与磁通关联性的变压器系统的测试方法，能够有效地测定片间短路故障与主磁通幅值、主磁通谐波以及局部磁通大小之间的关联性。

背景技术：

在电力系统中，变压器是的最重要设备之一，也是故障频发的设备。一旦发生故障，变电所将被迫停运，直接影响到电力系统的安全可靠运行。有关资料表明，变压器的铁心故障发生概率在全部故障中仅次于绕组故障，居于第二位，片间短路故障就是其中一种典型故障。铁心发生片间短路时，在主磁通的感应下会短路硅钢片间形成故障环流，影响局部磁通和主磁通的分布以及幅值，严重时破坏铁心及绕组绝缘，烧毁铁心。因此有必要通过变压器铁心片间短路故障模拟试验来探究片间短路故障与磁通的关联性，研究故障的发生机理及影响，为实际工程的优化设计等提供参考。

以前的试验方法主要是：一种是对硅钢片进行片间短路试验；这种方法无法真实地反映变压器铁心不同位置上发生片间短路时的工况，可参考度较低；另一种方法对真实变压器铁心表面焊锡实现片间短路进行试验，这种做法的问题是无法重复进行试验，且焊锡会对试验结果造成较大影响。

目前针对变压器铁心片间短路故障及其诊断工作，大多是基于叠铁心变压器，但是随着大容量卷铁心开始在电力系统与牵引供电系统中的应用，急需开发一种卷铁心变压器平台及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测试变压器片间短路故障与磁通关联性的系统，能够有效地测定片间短路故障与主磁通幅值、主磁通谐波以及局部磁通大小之间的关联性。

本发明的另一个目的是基于测试变压器片间短路故障与磁通关联性的系统的测试方法。

为实现上述目的，本发明的一种测试铁心片间短路故障与磁通关联性的试验平台，主要包括计算机、变压器卷铁心试验平台、故障模拟与测量装置、调压器、数据采集单元与数字示波器；其中，变压器卷铁心试验平台包括：卷铁心，高压线圈、低压线圈和测量线圈；高压线圈位于卷铁心的左侧心柱上，与调压器相连接，低压线圈位于卷铁心的右侧心柱上，呈空载状态，测量线圈位于卷铁心的下铁轭上，与数字示波器相连接；计算机与故障模拟与测量装置、数据采集单元以及数字示波器通过RS485进行通讯，故障模拟与测量装置固定在卷铁心的上铁轭处；故障模拟与测量装置包括：夹板、支撑螺杆、螺帽、绝缘块、铜片、电磁继电器、单片机、霍尔探头以及整流器；故障模拟与测量装置的夹板内部均匀地设置有七排二十一个霍尔探头，探头末端和夹板的内侧表面相齐，所有的霍尔探头都与数据采集单元的对应通道相连接；七排霍尔探头的空隙处总共设置有六排十八个绝缘块；每块绝缘块一端覆盖一片铜片，另一端与电磁继电器相连接，电磁继电器与单片机以及整流器相连接，单片机与计算机相连接。

本发明的测试变压器片间短路故障与磁通关联性的系统的试验方法：步骤如下：

第一步：按照接线示意图将实验装置接线连接好，将故障模拟与测量装置夹持在卷铁心的上铁轭处；

第二步：调节调压器，使变压器卷铁心一次侧电压达到额定值；

第三步：测量所有霍尔探头所在位置的局部磁通密度值，并将测量数据由数据采集单元上传至计算机；

第四步：利用数字示波器测量测量线圈的电压波形，将实时数据上传至计算机；

第五步：通过计算机指令智能模拟夹件自动完成设定位置a，30片短路片数下的铁心片间短路；

第六步：，测量此时所有霍尔探头所在位置的局部磁密值，并将测量数据由数据采集单元上传至计算机；

第七步：利用数字示波器测量此时测量线圈的电压波形，将实时数据上传至计算机；

第八步：重复第六、七步，完成铁心上a～f位置，30-90片短路片数下的局部磁通数据以及测量线圈实时电压数据上传；

第九步：利用计算机处理实验数据，得到主磁通的波形以及谐波量，所有试验数据(包括局部磁通)由表格完成统计。

附图说明

图1为本发明的系统的硬件示意图

图2为本发明系统通讯原理图

图3为本发明系统及方法所涉及的故障模拟测量装置上视图

图4为本发明系统及方法所涉及的故障模拟测量装置剖视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明:

如图1所示，测试片间短路故障与磁通关联性的变压器系统包括计算机1、卷铁心试验平台2、故障模拟与测量装置3、调压器4、数据采集单元5与数字示波器10；所述的卷铁心试验平台2具体包括卷铁心6，高压线圈7、低压线圈8和测量线圈9；高压线圈7位于卷铁心6的左侧心柱上，与调压器4相连接，低压线圈8位于卷铁心2的右侧心柱上，呈空载状态，测量线圈9位于卷铁心6的下铁轭上，与数字示波器10相连接；

如图2与图3所示，所述的故障模拟与测量装置3，其特征在于：具体包括夹板11、支撑螺杆12、螺帽13、绝缘块14、铜片15、电磁继电器16、单片机17、霍尔探头18以及整流器19；故障模拟与测量装置3的夹板11内部均匀地设置有七排二十一个霍尔探头18，每排分别标号为位置A,B,C,D,E,F,G，探头末端和夹板11的内侧表面相齐，所有的霍尔探头18都与数据采集单元5的对应通道相连接；7排霍尔探头18的空隙处总共设置有六排十八个绝缘块14，每排分别标号为位置a,b,c,d,e,f；每块绝缘块14一端覆盖一片10mm×10mm30片硅钢片厚度的铜片15，另一端与电磁继电器16相连接，电磁继电器16与单片机17以及整流器19相连接，单片机18与计算机1相连接；

如图4所示，通过计算机1指令智能模拟测量装置3内部的单片机17使电磁继电器16动作控制绝缘块14的弹出与收缩，当上下夹板11对应位置的绝缘块14同时弹出，其上面的铜片15与铁心6接触即实现铁心片间短路；同一排绝缘块14上的一块铜片15可以实现10mm(30片)硅钢片的片间短路，通过控制同一排不同绝缘块14伸出可以实现10mm(30片)硅钢片、20mm(60片)硅钢片以及30mm(90片)硅钢片的片间短路，通过控制不同排绝缘块伸出可实现不同短路位置的片间短路故障。每片铜片两侧的霍尔探头18可以有效地表示铜片处的磁密，密集分布的霍尔探头18可以有效地研究故障区域的局部磁密，数字示波器10实时测量测量线圈9的电压波形，通过计算机1处理可分析主磁通波形及谐波分析。

一种测试铁心片间短路故障与磁通关联性的试验方法具体如下：

第一步：按照接线示意图将实验装置接线连接好，将故障模拟与测量装置3夹持在卷铁心6的上铁轭处。

第二步：调节调压器4，使变压器卷铁心6一次侧电压达到额定值。

第三步：测量所有霍尔探头18所在位置的局部磁通密度值，并将测量数据由数据采集单元5上传至计算机1；

第四步：利用数字示波器10测量测量线圈9的电压波形，将实时数据上传至计算机；

第五步：通过计算机1指令智能模拟夹件6自动完成完成位置a，30片短路片数下的铁心片间短路；

第六步：测量此时所有霍尔探头18所在位置的局部磁密值，并将测量数据由数据采集单元5上传至计算机1；

第七步：利用数字示波器10测量此时测量线圈9的电压波形，将实时数据上传至计算机；

第八步：重复第六、七步，完成铁心上a～f位置，30-90片短路片数下的局部磁通数据以及测量线圈9实时电压数据上传。

第九步：利用计算机1处理实验数据，得到主磁通的波形以及谐波量，所有试验数据(包括局部磁通)由表格完成统计，进而进行研究分析，所涉及的测量及计算方法如下：

根据法拉第电磁感应定律，将瞬态电压数据对时间进行积分计算，得到测量线圈包绕铁心内瞬态交链磁通的波形，取其最大值，得到磁通最大值，除以该线圈内包含铁心的有效截面积，得到相应位置平均磁通密度的最大值B_m。

磁通不能直接测量，因为磁通随时间在不断变化。实际上，根据电磁感应定律，测得的是一个磁通对时间的变化率，作为感应电动势：

在测量的每一周波(20ms)分为200个时步，同一时刻采集瞬时的感应电压和激励电流，采集的电压对时间积分。例如，在第i个是时步对于的时刻t_i有：

完成200个时步的积分后，从200个积分结果B_t得到最大值B_m，及感应磁通的最大值。进而可得通过测量线圈所在位置的截面S的平均磁通密度为