基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法与流程

本发明涉及电力变压器绕组短路故障在线检测领域，具体涉及一种基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法。

背景技术：

变压器作为电力系统的核心设备，其高效、可靠、无故障的运行是是可靠供电的重要前提。然而电力变压器在复杂的现场运行环境中存在各种故障因素，绕组变形故障便是可能导致变压器损毁的重要原因之一。绕组变形故障具有累积效应，随着故障严重程度的不断发展，可能会造成变压器发生突发灾难性事故或设备停运，这会给国民经济造成巨大的损失，同时给人们的生产生活带来不便。为此，国内外学者应用各种方法开展了绕组变形故障检测的研究工作。

为解决在不安装任何额外监测设备的条件下，就能对变压器绕组故障状态进行实时检测的问题，澳大利亚学者dr.abu等人于2012年首次提出了利用变压器一二次侧的电压差和一次侧输入电流，来构建△v-i1二维曲线轨迹图形的方法检测变压器内部故障。由于该方法能够有效的实现在线实时监测，且不需要专业人员对其结果进行分析，为变压器绕组变形故障的在线检测提供了一个新方向。而绕组短路故障作为一种常见类型，其在变压器绕组内部故障中的占比极高。通过△v-△i二维曲线分析虽然能够对绕组短路故障的进行在线检测和严重程度识别，却难以对绕组故障发生的位置进行有效评估，这显然不利于工作人员及时找到并排除故障隐患。

对于一个单相变压器而言，通过已有测量设备可测量的量共有4个，即基于△v-i1曲线轨迹分析的变压器内部故障在线检测方法只用到三个量，即和和虽然在数值和相位上差别十分小，但是由于励磁支路的存在，两者并不会完全相等。忽略可能会造成一些重要故障特征信息的丢失，这对准确判断故障的类型和位置可能会造成不利的影响。因此，在轨迹曲线中考虑到二次侧电流或许对绕组短路故障的定位有积极的作用。

技术实现要素：

本发明提供一种基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，该方法与原有的△v-i1二维轨迹曲线分析法相比，本发明提出的方法包含更多的故障特征信息，能够在变压器不停运的状态下，检测出变压器绕组是否发生了短路故障及故障的严重程度，同时也能够实现绕组短路故障的位置判别，为工作人员及时找到并排除故障隐患提供一个参考。

本发明采取的技术方案为：

基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，通过一次侧、二次侧电压差一次侧电流和一次侧、二次侧电流差所代表的正弦量构建△v-i1-△i空间三维曲线轨迹，来实现变压器绕组匝间短路故障的在线检测以及定位；通过对比分析空间三维曲线轨迹在不同投影面的椭圆轨迹差异，来实现绕组短路故障的在线检测及故障位置判断。

基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1：首先测取变压器绕组正常时的电压电流数据，变压器一次侧的电压和电流分别为和变压器二次侧的电压和电流为分别和计算变压器二次侧归算到一次侧的电压电流为和计算变压器一次侧、二次侧的电压之差计算变压器一次侧、二次侧的电流之差

步骤2：用步骤1所得到的和所代表的正弦量，构建△v-i1-△i空间三维曲线，并以此作为指纹轨迹。

步骤3：在变压器运行一定周期后，在相同的测试条件下，测量此时的电压电流数据，测得的变压器一、二次侧电压值和电流值，分别为和计算变压器二次侧归算到一次侧的电压值、电流值分别为和计算变压器一次侧、二次侧的电压之差计算变压器一次侧、二次侧的电流之差用所得到得和所代表的正弦量构建新的△v-i1-△i空间三维曲线。

步骤4：将步骤3所构建的新的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹，与步骤2所构建的指纹轨迹作对比分析，若步骤3所构建的新的△v-i1-△i空间三维曲线出现以下故障特征时：

①、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴变长；

②、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴沿顺时针旋转一定的角度；

③、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的离心率有所减小；

则判定变压器绕组可能发生了短路故障。

步骤5：在新的△v-i1-△i空间三维曲线的△v-△i的投影面中,根据不同的椭圆轨迹特征差异分析，实现绕组短路故障位置的判断。

本发明一种基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，技术效果如下：

1)、该方法在原有△v-i1二维曲线轨迹分析的基础上，考虑了绕组短路故障对二次侧电流的影响，构建了△v-i1-△i空间三维曲线。从△v-i1-△i空间三维曲线中能够提取到绕组短路故障所在位置的特征信息，通过对空间曲线轨迹变化的对比分析来在线评估变压器绕组的健康状况。

2)、该方法通过对△v-i1-△i空间曲线轨迹变化的对比与分析，能够在线、可靠和的判别变压器绕组是否发生了短路故障，并对短路故障的严重程度进行预估。

3)、该方法通过对空间曲线△v-i1投影面中指纹轨迹和短路故障状态下椭圆轨迹的长轴变化量、长轴旋转方向及角度、离心率变化量这三种特征的分析，可以有效的区分变压器绕组的正常状态和短路故障状态。

4)、该方法通过对空间曲线△v-△i投影面中不同的椭圆轨迹特征差异分析，可以有效的判定短路故障的发生位置，为工作人员及时找到并排除故障隐患提供一个参考。

5)、本发明方法能够在不停电的状态下，有效检测出变压器绕组是否发生了匝间短路故障及实现绕组故障位置的判断，为变压器的停电检修与维护提供了一个可参考的依据。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为绕组正常时原有△v-i1二维曲线轨迹图。

图3(a)为绕组正常时本发明所提出的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹图。

图3(b)为绕组正常时本发明所提出的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△v-i1投影面的曲线轨迹图。

图3(c)为绕组正常时本发明所提出的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△v-△i投影面的曲线轨迹图。

图3(d)为绕组正常时本发明所提出的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△i-i1投影面的曲线轨迹图。

图4为绕组不同位置发生短路故障时的△v-i1二维曲线轨迹图。

图5(a)为绕组不同位置发生短路故障时的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹图。

图5(b)为绕组不同位置发生短路故障时，△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△v-i1投影面的曲线轨迹图。

图5(c)为绕组不同位置发生短路故障时，△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△v-△i投影面的曲线轨迹图。

图5(d)为绕组不同位置发生短路故障时，△v-i1-△i空间三维曲线轨迹在△i-i1投影面的曲线轨迹图。

具体实施方式

基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，通过一次侧、二次侧电压差一次侧电流和一次侧、二次侧电流差所代表的正弦量构建△v-i1-△i空间三维曲线轨迹，来实现变压器绕组匝间短路故障的在线检测以及定位；通过对比分析空间三维曲线轨迹在不同投影面的椭圆轨迹差异，来实现绕组短路故障的在线检测及故障位置判断。

基于空间三维曲线分析的变压器绕组短路故障在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1：首先测取变压器绕组正常时的电压电流数据，变压器一次侧的电压和电流分别为和变压器二次侧的电压和电流为分别和计算变压器二次侧归算到一次侧的电压电流为和计算变压器一次侧、二次侧的电压之差计算变压器一次侧、二次侧的电流之差

步骤2：用步骤1所得到的和所代表的正弦量，构建△v-i1-△i空间三维曲线，并以此作为指纹轨迹。

步骤3：在变压器运行一定周期后，在相同的测试条件下，测量此时的电压电流数据，测得的变压器一、二次侧电压值和电流值，分别为和计算变压器二次侧归算到一次侧的电压值、电流值分别为和计算变压器一次侧、二次侧的电压之差计算变压器一次侧、二次侧的电流之差用所得到得和所代表的正弦量构建新的△v-i1-△i空间三维曲线。

步骤4：将步骤3所构建的新的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹，与步骤2所构建的指纹轨迹作对比分析，若步骤3所构建的新的△v-i1-△i空间三维曲线出现以下故障特征时：

④、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴变长；

⑤、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴沿顺时针旋转一定的角度；

⑥、在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的离心率有所减小；

则判定变压器绕组可能发生了短路故障。

步骤5：在新的△v-i1-△i空间三维曲线的△v-δi的投影面中,根据不同的椭圆轨迹特征差异分析，实现绕组短路故障位置的判断。

步骤1中，和为变压器绕组正常时的电压电流数据，和为变压器二次侧归算到一次侧的电压和电流；若为单向变压器，则其中，k为变压器的变比；若为三相变压器，则根据不同的联结组标号，计算归算后的电压电流的幅值和相位即可。

步骤2中，所述δv-i1-δi空间三维曲线，是在消除正弦量时间参数ωt后，以所表示的正弦量为x轴、以所表示的正弦量为y轴、以所表示的正弦量为z轴，构建的空间三维曲线。

步骤3中，在相同的测试条件下，是指步骤3中变压器一次侧所加电压与步骤1中一次侧所加电压大小相同、步骤3中变压器二次侧所接负载与步骤1中变压器二次侧所接负载大小相同。

步骤4中，所述将步骤3所构建的新的δv-i1-△i空间三维曲线轨迹与步骤2所构建的指纹轨迹作对比分析，情况分为三种：

一是变压器绕组正常；

二是变压器绕组在某个位置发生了短路故障；

三是变压器绕组发生了其他类型的故障；

若变压器绕组正常，则步骤3所构建的新的△v-i1-△i空间三维曲线与步骤2所构建的指纹轨迹会完全重合在一起，不会表现出任何的轨迹差异；

若变压器绕组发生了短路故障，则由于变压器等效电路模型结构上的改变，使得步骤3所构建的新的△v-i1-δi空间三维曲线轨迹发生相应的改变，在空间曲线的△v-i1投影面中，与绕组正常时的指纹轨迹相比，椭圆轨迹的长轴变长；长轴沿顺时针旋转一定角度；同时，椭圆轨迹的离心率，即椭圆扁平程度有所减小，能够有效的判断变压器绕组是否发生了短路故障；

若变压器绕组发生了其他类型的故障，则在新的△v-i1-△i空间三维曲线△v-i1投影面中的椭圆轨迹会表现出区别于上述判断短路故障的特征差异。本发明仅针对发生绕组短路故障时的情况，故这里对其他类型故障的情况不做详细讨论。

步骤5中，新的△v-i1-△i空间三维曲线的δv-△i投影面中，根据不同的椭圆轨迹特征差异分析，实现绕组短路故障位置的判断是指：

在△v-△i投影面中，不同短路位置的椭圆轨迹表现出了不同的特征差异，针对某一特定变压器绕组而言，若在出厂时进行了变压器短路故障试验，并构建了相应的△v-i1-△i空间曲线，则根据对△v-△i投影面中椭圆轨迹的面积、旋转角度等轨迹特征的分析，能够判断绕组短路故障的发生位置。

为进一步对正常绕组与短路故障时的△v-i1-△i空间曲线轨迹定性分析，针对某一特定绕组，在仿真软件pspice中建立了其分布式参数模型，其中绕组饼数n＝7。分别对绕组正常和不同位置发生2饼绕组短路时的情况进行了模拟，并对其构建的△v-i1-△i空间三维曲线轨迹进行了对比分析。

对比图2、图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)可知，三维△v-i1-△i空间曲线具有更多的特征信息，可以从不同的投影面观察到不同的曲线轨迹，能够从中提取到更多的故障信息。

对比图4、图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)可知，当变压器发生短路故障时，原有的△v-i1曲线轨迹和△v-i1-△i空间三维曲线轨迹均显示出了与指纹轨迹不同的故障差异，根据这些轨迹差异能够实现短路故障的判别。但在原有的二维△v-i1曲线轨迹中，不同短路位置的故障曲线几乎重合在一起，很难对绕组的短路故障位置进行判别。而在△v-i1-△i空间曲线轨迹的△v-△i投影面和△i-i1投影面中，绕组不同短路故障位置的曲线轨迹显示出了明显的轨迹差异，根据这些特征差异，很容易的实现对绕组短路位置的判断。针对所模拟的特定绕组，变压器绕组发生短路故障时，△v-i1-△i空间曲线轨迹特征如下：

a:在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴变长了20.53％；

b：在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆轨迹的长轴沿顺时针方向旋转了20.64％

c:在空间曲线的△v-i1投影面中，椭圆离心率(椭圆的扁圆程度)几乎没有发生变化，进一步计算得知离心率减小了0.01％；

d:在空间曲线的△v-△i投影面中，根据椭圆轨迹的面积大小很容易判别绕组短路故障的发生位置，如图5(c)所示，当短路故障发生在首端时，椭圆轨迹的面积最大，当短路故障发生在末端时，椭圆轨迹的面积最小，且故障位置越靠近末端，椭圆轨迹的面积越小。由此可以推断短路故障的位置。

通过上述四种△v-i1-△i空间三维曲线在不同投影面的轨迹特征，可以实现该变压器绕组短路故障的在线检测及故障位置定位。

同时，空间曲线△v-i1投影面中的故障轨迹特征会随着短路故障严重程度的增加而变大，若在出厂前预先对同一批次和同一型号的变压器绕组进行短路故障试验测试，构建该型号变压器绕组短路1％时的△v-i1-△i空间曲线轨迹图形数据库，当运行中的变压器绕组发生短路故障时，则可根据△v-i1投影面中椭圆轨迹长轴变化的大小及顺时针旋转角度大小以及对短路故障的严重程度进行预估。