一种变压器铁心多点接地故障模拟装置及评估方法与流程

1.本发明提供了一种变压器铁心多点接地故障模拟装置及评估方法，属于变压器铁心多点接地故障模拟技术领域。


背景技术：

2.变压器是电力系统最重要的设备之一，其运行状态直接关系到电力系统的安全稳定。变压器铁心必须单点接地否则会产生悬浮电位，一旦变压器铁心发生多点接地，便会形成环路，在主漏磁电磁感应下，产生环流，运行时易导致变压器损坏，引发停电事件，造成重大经济损失。
3.变压器铁心不同位置发生多点接地故障时，环流路径不同，主漏磁电磁感应产生的环流大小也不同，环流越大，产生的热量越大，对变压器的损害也就越大。目前还没有针对不同位置铁心多点接地对变压器产生损害程度的研究，缺少一种变压器铁心多点接地故障模拟装置及评估方法。
4.中国专利cn106771816b公开了一种卷铁心多点接地故障下铁心损耗试验平台及试验方法，通过在铁心30%和70%硅钢片级引出接地线，通过监测功率分析仪监测铁心损耗，实现变压器铁心多点接地与铁心损耗之间的关联性研究。但单片硅钢片较薄直接引出易造成硅钢片片间短路，此装置并未在此方面做更多考虑。对于由于多点接地造成的变压器油温升、油中溶解气体变化以及接地电流方面并未做过多探究。
5.中国专利cn106526394b公开了一种卷铁心片间短路故障下铁心局部温升试验系统及方法，通过计算机控制实现变压器铁心上30片硅钢片同时片间短路故障，且在片间短路区域布置温度探头，探究了铁心硅钢片片间短路故障与铁心局部温升的关联性。但此装置考虑的是铁心硅钢片片间短路与本发明的铁心多点接地有所不同，且只考虑了温升一方面，对于由于多点接地造成的变压器油温升、油中溶解气体变化以及接地电流方面并未做过多探究，无法对变压器状态做全面评估。


技术实现要素：

6.本发明为了解决变压器铁心不同位置多点接地故障无法精确模拟的问题，提出了一种变压器铁心多点接地故障模拟装置及评估方法，探究变压器铁心不同位置多点接地与接地电流、油温以及油中溶解气体关联性且实现了变压器铁心不同位置多点接地状态评估。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种变压器铁心多点接地故障模拟装置，包括变压器外壳，所述变压器外壳内部设置有变压器上铁轭、变压器下铁轭、高压线圈、低压线圈和变压器油，从变压器上铁轭引出铁心单点接地点，所述高压线圈和低压线圈分别固定在变压器外壳内的左右芯柱上，所述变压器外壳上还通过管道连接滤油模块，所述变压器外壳上还设置有取油口，所述取油口通过管道连接油色谱检测模块；所述变压器上铁轭表面安装有上铁轭故障模拟装置，所述变压器下铁轭表面安装
有下铁轭故障模拟装置，所述上铁轭故障模拟装置、下铁轭故障模拟装置的两侧分别设置有温度检测模块，所述上铁轭故障模拟装置、下铁轭故障模拟装置通过导线相连后均接入开关控制模块上，所述开关控制模块连接电源模块；所述铁心单点接地点通过导线连接电流检测模块、数据传输模块后接入后台计算机。
8.所述上铁轭故障模拟装置、下铁轭故障模拟装置的结构相同，均包括5套故障发生装置，其中5套故障发生装置分别分布在变压器上铁轭和变压器下铁轭的第一级硅钢片位置、30%硅钢片级数位置、50%硅钢片级数位置、80%硅钢片级数位置和100%硅钢片级数位置上；每一套故障发生装置包括1组绝缘导向板、1片单片硅钢片、1片木板、1片铜片、1根弹簧、1对电子型牵引电磁铁、1对牵引绳，其中上铁轭故障模拟装置、下铁轭故障模拟装置的5套故障发生装置的绝缘导向板分别固定在变压器上铁轭和变压器下铁轭相应级数的硅钢片表面，单片硅钢片的一端插在绝缘导向板中间，单片硅钢片的另一端固定在表面贴有铜片的木板上并与铜片连通，铜片通过导线与地相连，木板另一面与弹簧相连，弹簧另一端固定在故障发生装置顶部，1对电子型牵引电磁铁分布在弹簧两侧并固定在故障发生装置顶部，1对电子型牵引电磁铁通过牵引绳与木板两端相连，使弹簧处于压缩状态；其中电子型牵引电磁铁的电源输入作为故障发生装置控制端，对应的5套变压器上铁轭安装的故障发生装置控制端和5套变压器下铁轭安装的故障发生装置控制端接入开关控制模块并通过10个第一常闭电磁继电器与电源模块相连，开关控制模块表面分布10个控制按钮，对应控制10个第一常闭电磁继电器的通断。
9.所述电流检测模块包括电流传感器、过电流保护单元、第一控制器、第一数据传输单元，所述铁心单点接地点的引线与电流传感器一次绕组连接，电流传感器一次绕组另一端与过电流保护单元串接后接地，电流传感器二次绕组与第一控制器相连，所述第一控制器通过第一数据传输单元与后台计算机通信。
10.所述温度检测模块包括依次分布于变压器上铁轭、变压器下铁轭对应级数位置硅钢片表面两侧的20个温度传感器、第二控制器、第二数据传输单元，所述温度传感器将变压器上铁轭和变压器下铁轭的温度监测数据发送至第二控制器，所述第二控制器通过第二数据传输单元与后台计算机通信。
11.所述油色谱检测模块包括油色谱气相色谱仪、第三控制器、第三控制单元，所述油色谱气相色谱仪与取油口连接，将检测结果发送至第三控制器，第三控制器将数据处理后经第三数据传输单元传送至后台计算机。
12.所述过电流保护单元包括并接的第二常闭电磁继电器和限流阻抗。
13.一种变压器铁心多点接地故障评估方法，采用变压器铁心多点接地故障模拟装置，包括如下步骤：s1：调节变压器高压、低压侧绕组负荷，使变压器处于满载运行状态；s2：在变压器单点接地正常运行时，通过电流传感器记录铁心单点接地电流初始值i1并传输至第一控制器，将20个温度传感器监测值（t1,t2,
……
,t
20
）传输至第二控制器，根据公式
计算得到变压器上铁轭和变压器下铁轭多级硅钢片位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度（）；其中t1、t2分别为变压器上铁轭第一级硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t3、t4分别为变压器上铁轭30%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t5、t6分别为变压器上铁轭50%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t7、t8分别为变压器上铁轭80%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t9、t
10
分别为变压器上铁轭100%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t
11
、t
12
分别为变压器下铁轭第一级硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t
13
、t
14
分别为变压器下铁轭30%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t
15
、t
16
分别为变压器下铁轭50%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t
17
、t
18
分别为变压器下铁轭80%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，t
19
、t
20
分别为变压器下铁轭100%硅钢片位置两侧温度传感器监测值，、分别表示变压器上铁轭、变压器下铁轭的第一级硅钢片位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度，、分别表示变压器上铁轭、变压器下铁轭的30%硅钢片级数位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度，、分别表示变压器上铁轭、变压器下铁轭的50%硅钢片级数位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度，、分别表示变压器上铁轭、变压器下铁轭的80%硅钢片级数位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度，、分别表示变压器上铁轭、变压器下铁轭的100%硅钢片级数位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度；通过油色谱气相色谱仪检测铁心单点接地初始油中各气体组分含量（）并传输至第三控制器；s3：通过控制开关控制模块的控制按钮，设置不同的变压器铁心多点接地故障，通过电流传感器记录铁心多点接地电流值i2并传输至第一控制器，通过第一控制器处理得到特征量a，其中a的表达式如下：；记录20个温度传感器监测的变压器上铁轭和变压器下铁轭多级硅钢片位置硅钢片表面铁心多点接地温度（）并传输至第二控制器，通过第二控制器处理得到特征量b，其中b的表达式如下：
；上式中：t
*
表示硅钢片表面铁心多点接地故障时的温度，t表示硅钢片表面铁心单点接地初始温度；通过油色谱气相色谱仪监测铁心多点接地油中各气体组分含量（）并传输至第三控制器，依据三比值法原理得到特征量c，其中c的表达式如下：；s4：将特征量a、b、c经数据传输模块发至后台计算机，计算得到故障系数d，其中；s5：将变压器油经过滤油模块滤油后，更换多点接地故障位置，重复步骤s1-s4，得到变压器铁心不同位置多点接地下变压器缺陷严重程度。
14.以故障系数d判断变压器不同位置多点接地的缺陷等级，判断公式如下：。
15.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的一种变压器铁心多点接地故障模拟装置及评估方法可以准确模拟变压器铁心在不同多点接地故障下接地电流、油中温升以及油中溶解气体含量等状态量变化情况，实现了变压器铁心在不同多点接地故障下运行状态综合评估，对变压器铁心多点接地现场故障诊断及治理具有重要指导意义
附图说明
16.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明装置的整体结构示意图；图2为本发明变压器上铁轭故障模拟装置、下铁轭故障模拟装置的结构示意图；图3为本发明开关控制模块的结构示意图；图4为本发明开关控制模块上控制按钮的结构示意图；图5为本发明电流检测模块的结构示意图；图6为本发明温度检测模块的结构示意图；图7为本发明油色谱检测模块的结构示意图；图中：1为后台计算机、2为变压器外壳、3为变压器上铁轭、4为变压器下铁轭、5为高压线圈、6为低压线圈、7为变压器油、8为上铁轭故障模拟装置、9为下铁轭故障模拟装置、10为数据传输模块、11为电流检测模块、12为温度检测模块、13为油色谱检测模块、14为取油口、15为滤油模块、16为开关控制模块、17为电源模块、18为铁心单点接地点；20为绝缘导向板、21为单片硅钢片、22为木板、23为铜片、24为弹簧、25为电子型牵引电磁铁、26为牵引绳、27为第一常闭电磁继电器、28为控制按钮、29为电流传感器、30为过电流保护单元、31为第一控制器、32为第一数据传输单元、33为第二常闭电磁继电器、34为限流阻抗、35为温度传感器、36为第二控制器、37为第二数据传输单元、38为油色谱气相色谱仪、39为第三控制器、40为第三数据传输单元。
具体实施方式
17.本发明提供了一种变压器铁心多点接地故障模拟装置，其结构如图1所示，包括后台计算机1、变压器外壳2、变压器上铁轭3、变压器下铁轭4、高压线圈5、低压线圈6、变压器油7、上铁轭故障模拟装置8、下铁轭故障模拟装置9、数据传输模块10、电流检测模块11、温度检测模块12、油色谱检测模块13、取油口14、滤油模块15、开关控制模块16、电源模块17，铁心单点接地点18由变压器上铁轭3的中部引出，开关控制模块16一端与上铁故障模拟装置8、下铁轭故障模拟装置9连接，另一端与电源模块17连接，2台故障模拟装置安装于变压器上铁轭3、变压器下铁轭4表面，取油口14与油色谱检测模块13相连接，温度检测模块12分布在上铁轭故障模拟装置8、下铁轭故障模拟装置9两侧，在每次故障模拟结束后变压器油7都要经过滤油模块15进行滤油。
18.本发明提出的上铁轭故障模拟装置8、下铁轭故障模拟装置9的结构如图2所示，上铁轭故障模拟装置8分为5套故障发生装置，下铁轭故障模拟装置9分为5套故障发生装置，5套故障发生装置包括5组绝缘导向板20、5片单片硅钢片21、5片木板22、5片铜片23、5根弹簧24、5对电子型牵引电磁铁25、5对牵引绳26。由于上铁轭、下铁轭硅钢片各为30级，第一套故障发生装置分布在上铁轭和下铁轭的第一级硅钢片位置（上1、下1），第二套故障发生装置分布在上铁轭和下铁轭的30%级数位置即第9级硅钢片位置（上2、下2），第三套故障发生装置分布在上铁轭和下铁轭的50%级数位置即第15级硅钢片位置（上3、下3），第四套故障发生装置分布在上铁轭和下铁轭的80%级数位置即第24级硅钢片位置（上4、下4），第五套故障发生装置分布上铁轭和下铁轭的第30级硅钢片位置（上5下5）。
19.每套故障发生装置的一组绝缘导向板20固定在相应级数硅钢片表面，用来保证相
应级数硅钢片精准接地，避免发生片间短路。单片硅钢片21一端插在绝缘导向板20中间，另一端固定在表面贴有铜片23的木板22上并与铜片23连通，铜片23通过导线与地相连，木板22另一面与弹簧24相连，弹簧24另一端固定在故障发生装置顶部，1对电子型牵引电磁铁25分布在弹簧24两侧并固定在故障发生装置顶部，1对电子型牵引电磁铁25通过牵引绳26与木板22两端相连，使弹簧24处于压缩状态。
20.本发明提出的开关控制模块的结构如图3所示，图4为开关控制模块上控制按钮的结构示意图，将电子型牵引电磁铁25的电源输入作为故障发生装置控制端，对应的5套上铁轭故障发生装置控制端和5套下铁轭故障发生装置控制端接入开关控制模块16并通过10个第一常闭电磁继电器27（包括上1、上2、上3、上4、上5、下1、下2、下3、下4、下5）与电源模块17相连，电源模块17为一路电压220v的电源用于给开关控制模块16供电。开关控制模块16表面分布10个控制按钮28（包括上1、上2、上3、上4、上5、下1、下2、下3、下4、下5），对应控制内部10个第一常闭电磁继电器27通断。在电子型牵引电磁铁25不失电情况下，弹簧24处于压缩状态，木板22下方硅钢片插入绝缘导向板20的1/2深度，当按下控制按钮28时相应电磁继电器断开，相应的电子型牵引电磁铁25在失电情况下，弹簧24由压缩状态恢复原状，使插入绝缘导向板20的硅钢片一端与变压器铁轭接触，从而实现变压器铁心多点接地，弹簧24的存在使硅钢片与上铁轭或下铁轭接触时起到一定缓冲作用。
21.本发明提出的电流检测模块的结构如图5所示，电流检测模块11具体包括电流传感器29、过电流保护单元30、第一控制器31、第一数据传输单元32，其中过电流保护单元30由第二常闭电磁继电器33和限流阻抗34并联构成。铁心单点接地点18的引线与电流传感器29一次绕组连接，电流传感器29一次绕组另一端与过电流保护单元30串接后接地，电流传感器29二次绕组与第一控制器31相连。将电流传感器29的监测数据发送至第一控制器31，通过第一控制器31处理后经第一数据传输单元32传送至后台计算机1。在铁心多点接地故障模拟过程中当第一控制器31检测到电流传感器29的数值大于20a，控制第二常闭电磁继电器33断开，将限流阻抗34串接到回路中进行过电流保护，其中限流阻抗34选取100ω。
22.本发明提出的温度检测模块的结构如图6所示，温度检测模块12具体包括20个温度传感器35、第二控制器36、第二数据传输单元37，其中20个温度传感器35依次分布在上铁轭故障模拟装置8和下铁轭故障模拟装置9两侧，即上1、上2、上3、上4、上5、下1、下2、下3、下4、下5级铁轭硅钢片表面位置，温度传感器35将温度监测数据传输至第二控制器36，经数据分析处理产生特征量b后通过第二数据传输模块37发送至后台计算机1。
23.本发明提出的油色谱检测模块的结构如图7所示，油色谱检测模块13包括油色谱气相色谱仪38、第三控制器39、第三数据传输单元40。油色谱气相色谱仪38与变压器的取油口14连接，可手动控制其进行采样分析，将检测结果发送至第三控制器39，经第三控制器39处理后经第三数据传输单元40传送至后台计算机1。
24.本发明还提出了一种变压器铁心不同多点接地故障下状态评估方法，采用变压器铁心多点接地故障模拟装置的结构实现，具体步骤如下：1）调节变压器高压、低压侧绕组负荷，使变压器处于满载运行状态。
25.2）其中当开关控制模块16的控制按钮28不进行操作时，变压器铁心单点接地正常运行。在变压器单点接地正常运行时，通过电流传感器29记录铁心单点接地电流初始值i1并传输至第一控制器31；将20个温度传感器监测值（t1,t
2,
…
,t
20
）传输至第二控制器36，并
根据公式1得到铁轭硅钢片上1、上2、上3、上4、上5、下1、下2、下3、下4、下5位置硅钢片表面铁心单点接地初始温度（）；（1）；其中t1和t2为铁轭硅钢片上1位置两侧温度传感器监测值，t3和t4为铁轭硅钢片上2位置两侧温度传感器监测值，t
19
和t
20
为铁轭硅钢片下5位置两侧温度传感器监测值。
26.通过油色谱气相色谱仪38监测铁心单点接地初始油中各气体组分含量（）并传输至第三控制器39。
27.3）通过控制开关控制模块16的控制按钮28，可以模拟以下几种变压器铁心多点接地情况：
①
同一侧铁轭同一硅钢片级数发生多点接地：按下开关控制模块16的按钮上3，第一常闭电磁继电器上3打开，模拟上铁轭50%硅钢片级数发生多点接地；
②
同一侧铁轭不同硅钢片级数发生多点接地：依次按下开关控制模块16的按钮上1、上2、上4、上5，第一常闭电磁继电器上1、上2、上4、上5依次打开，分别模拟上铁轭第一级硅钢片、上铁轭30%级数硅钢片、上铁轭80%级数硅钢片和100%级数硅钢片位置发生多点接地；
③
不同侧铁轭同一硅钢片级数发生多点接地：按下开关控制模块16的按钮下3，第一常闭电磁继电器下3打开，模拟下铁轭50%硅钢片级数发生多点接地；
④
不同侧铁轭不同硅钢片级数发生多点接地：依次按下开关控制模块16的按钮下1、下2、下4、下5，第一常闭电磁继电器下1、下2、下4、下5依次打开，分别模拟下铁轭第一级硅钢片、下铁轭30%级数硅钢片、下铁轭80%级数硅钢片和下铁轭100%级数硅钢片位置发生多点接地。
28.通过电流传感器29记录铁心多点接地电流值i2并传输至第一控制器31，通过第一控制器31分析处理得到特征量a如公式2所示；（2）；记录20个温度传感器35得到上1、上2、上3、上4、上5、下1、下2、下3、下4、下5位置硅钢片表面铁心多点接地温度（）并传输至第二控制器36，通过第二控制器36处理得到特征量b如公式3所示；
（3）；通过油色谱气相色谱仪38监测铁心多点接地油中各气体组分含量（）并传输至第三控制器39，依据三比值法原理得到特征量c如公式4所示；（4）；4）将特征量a、b、c经数据传输模块10发至后台计算机1，后台计算机1依据公式5得到故障系数d；（5）；以故障系数d判断变压器不同位置多点接地的缺陷等级，判断公式6的表达式如下：（6）；5）将变压器油7经过滤油模块15滤油后，更换多点接地故障位置，重复步骤1）、2）、3）和4），得到变压器铁心不同位置多点接地下变压器缺陷严重程度。
29.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规
使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
30.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。