基于阻抗法的变压器绕组变形在线监测系统

梁 艺 马文辉

(1. 钦州供电局, 广西 钦州 535000； 2. 杭州国洲电力科技有限公司, 杭州 310000)

基于阻抗法的变压器绕组变形在线监测系统

梁 艺1马文辉2

(1. 钦州供电局, 广西 钦州 535000； 2. 杭州国洲电力科技有限公司, 杭州 310000)

电力变压器的短路电抗是运行过程中表征变压器本体抗短路电流冲击能力的重要参数。根据变压器的短路电抗可判断变压器绕组是否发生变形，研制了一套变压器绕组变形的在线监测系统。经实际测试与分析，该系统能够在线监测变压器短路电抗，可对变压器绕组变形进行长时间监测。

变压器； 绕组； 变形； 在线监测

变压器是电力系统中非常重要的设备，其能否正常运行直接影响着电力系统的稳定和安全。变压器的各类故障中绕组变形是发生较多的故障之一。电力变压器在运行时经常会受到由各种故障引起的短路电流的冲击，造成其绕组发生不同程度的变形。此时就需要对电力变压器的绕组进行检测，通过测量数据判断变压器可否继续运行。变压器绕组是否变形的一个重要指标是变压器短路电抗的变化[1]。

变压器短路电抗是指当变压器负载阻抗为零、负载电流为额定值时，变压器内部等效阻抗的电抗分量，也称为变压器的漏电抗。变压器绕组发生变形后，内部绕组的几何尺寸和位置都将发生变化，其短路电抗值也会随之发生变化，所以将测量的短路电抗值和正常情况下的短路电抗值进行比较，在一定程度上可判断变压器绕组的变化情况。

绕组变形测量方法主要有短路电抗法、低压脉冲法和频率响应法。

上述测量方法适用于变压器离线操作，对电力系统的运行有一定影响，且不能及时发现变压器绕组存在的故障。带电监测变压器短路电抗法能够实时监测变压器短路电抗的变化，对变压器的运行影响很小，比离线的测量方法更具实效性和经济性[2]。基于此，研究并设计了一套基于阻抗法的变压器绕组变形在线监测系统。

1 变压器绕组变形监测系统的原理

以单相双绕组变压器为研究对象，其等效电路如图1所示。

I1— 一次侧入端电流；I10— 励磁电流；I12— 二次侧出端电流在一次侧的归算值；U1— 一次侧入端电压；U12— 二次侧出端电压在一次侧的归算值；R1、X1、Z1— 分别为一次侧的电阻、电抗、阻抗；R10、X10、Z10— 分别为励磁电阻、电抗、阻抗；R12、X12、Z12— 分别为二次侧电阻、电抗、阻抗在一次侧的归算值

图1单相双绕组变压器等效电路图

短路电抗Xs=X1+X12

令 ΔU=U1-U12

则 ΔU=U1-U12=Z1×I1+Z12×I12=Z1×I10+(Z1+Z12)×I12

运行中，变压器的激磁电流不变，在电流互感器和电压互感器的误差不变的情况下，设∂为I10和I12的夹角,则电压差ΔU中垂直于I12的分量ΔUq可表示为： ΔUq=(X1+X12)×I12+(X1×cos ∂-R1×sin ∂)×I10

(1)

由于式(1)中后一项的存在，短路电抗Xs=X1+X12不能直接由ΔUq和I12相除得到。设调节系数为KTJ，目的是补偿激磁电流I10在一次侧阻抗上的压降。采集一次与二次侧电压、电流信号，可计算变压器在工作状态下的短路电抗值。如果负载大小或功率因数发生变化，I12会随之变化，但只要一次侧电压U1保持不变，式(1)依然成立[3]。

2 变压器绕组变形监测系统的设计

基于阻抗法的变压器绕组变形在线监测系统包含电压采集模块、电流采集模块、数据处理模块及上位机软件。

2.1数据采集模块

对于整个在线监测系统而言，前端信号采集部分是非常重要的，电压采集模块和电流采集模块的工作流程分别如图2和图3所示。

图2 电压采集模块工作流程

图3 电流采集模块工作流程

电压采集流程中变压器的电压信号是从变压器高压、中压PT处取样，低压信号从变压器低压柜中的PT处取样。电流采集流程中高压、中压电流信号从变压器套管CT中取样，低压电流信号从变压器低压母线CT中取样。

采集模块提供4个采集通道。每个通道都设计了独立的取样、滤波、放大电路。取样和滤波用运算放大器OP2227。用±12 V电源供电，信号输入的电压范围在±10 V。信号取样电路如图4所示。

采集模块的每个通道都提供二阶低通滤波器，滤波频率为200 Hz，可较好地滤掉信号中的高频干扰信号，对于信号基本没有衰减。信号滤波电路如图5所示。

信号放大用可编程增益仪表放大器AD8253。其能够提供10 MHz的信号带宽和1、10、100、1 000倍的可编程增益，CPU可以直接控制放大倍数。

信号模数转换使用高性能ADC芯片ADS8556，拥有6路16位的高精度采集通道，可以进行高速多路信号同时采集，采样率可达500 KSPS。

采集模块用意法半导体的STM32F407作为模块的CPU，控制信号的放大、AD芯片的采集及信号的处理。通过CAN总线和数据处理模块通信。

采集模块采集220 V交流电压信号作为同步信号。采集模块将220 V的交流信号通过衰减、滤波、放大、采样获取同步信号。其他信号都和同步信号进行计算，最后计算出变压器的阻抗值。

2.2数据处理模块

数据处理模块使用三星S3C2440A作为主CPU，主频达到400 MHz，具有很强的数据处理和计算能力。模块设计了256 M的Flash，可以存储上万条数据信息。数据处理模块接收到采集模块上传的数据信息并校验、整理之后通过算法将计算出变压器的绕阻值，再上传给上位机软件。其工作流程如图6所示。

图4 信号取样电路

图5 信号滤波电路

图6 数据处理模块的工作流程

系统设计了定时采集功能，上位机发送定时采集命令，数据处理模块会控制采集模块定时完成数据采集任务，将采集到的数据存入Flash当中。数据处理模块设计了多种通讯接口，包括CAN总线、RS485总线、GPRS接口、网络接口。距离较近时上位机通过CAN总线、网络、485总线和数据处理模块通信。距离较远时需要远程通信，GPRS通讯方式能够稳定地传输数据，使系统达到远程监控，无人值守的状态。

2.3上位机软件

该系统的上位机软件主要是通过分析变压器绕组的变化趋势作为判断依据并发出预警。软件提供的数据库可上传变压器的测量数据，也可将提取数据与历史数据进行对比，足量的数据可以对测试算法的优化提供依据。软件可以对模块的数据采集进行控制，可设置定时采集，还可以获得模块自身的状态，不仅可对变压器绕组变形进行报警，也可对仪器自身的异常进行报警。

3 实验分析

在实验室利用模型进行模拟实验。模型变压器为三相双绕组，B相的原边有20个抽头(编号1 — 20)。通过短接抽头来模拟绕组不同部位的故障引起的短路电抗的变化。在线测量了4种工作状态下的短路阻抗情况，并和仪器离线测量值进行比较。离线测量短路电抗为L1；cosφ=0.8时在线测量的短路电抗为L2；cosφ=0.9时测量的短路电抗为L3；cosφ=0.8，负载减半时测量的短路电抗为L4；cosφ=0.8，持续测量150 h的短路电抗为L5。比较结果见表1。

表1 模拟变压器短路电抗的离线和在线测量结果

分析表1中数据可知：

(1) 该在线监测系统可以测量出0.5%左右的电抗变化，精度较高。

(2) 在线测量结果和离线测量结果显示绕组变化趋势一致。例如，额定分接时两者相差(-1.57%～-1.42%)，略去系统误差后偏差小于-0.20%。

(3) 负载和功率因数的改变(L2和L4对比)对系统的准确度和精度无影响。

(4) 系统运行150 h后系统的重复性和稳定性较好，可满足现场长期检测的需要。

4 结 语

研究设计了一套基于阻抗法的变压器绕组变形的在线监测系统。通过对在线监测的原理、算法的研究，对离线、在线方法进行对比实验后认为，在线监测变压器短路电抗的方法是可行的。测量数据的精度、准确度、重复性和稳定性都较高，且负载和功率因数的改变对测量结果的影响很小。该系统能够对变压器绕组变形进行长时间监测。

[1] 黄幼茹，费翊群，刘华，等.220kV及以上变压器运行可靠性分析[J].变压器,1997,34(4):3-5.

[2] ARR E，CARTA A，MOCCI F，et al. Diagnosis of the State of Power Transformer Windings by On-line Measurement of Stray Reactance [J]. IEEE Trans Instrum Meas,1993,42(2):372-376.

[3] 徐大可,汲胜昌,李彦明.变压器短路电抗在线监测的理论研究[J].高压电技术,2000,26(3):16-18.

Abstract:The short-circuit reactance is an important parameter to characterize the transformer ability to resist the attack of short-circuit current in the design in the operation process. This paper expounds whether the transformer winding deformation exists can be judged by the measuring of the transformer short-circuit reactance. Therefore, a set of on-line monitoring system of transformer winding deformation is developed. Through the actual test and analysis, it is proved that the system can monitor the transformer short-circuit reactance and facilitate the long time monitoring of transformer winding deformation.

Keywords:transformer; winding; deformation; on-line monitoring

OnlineMonitoringSystemofWindingDeformationofPowerTransformerBasedontheImpedanceMethod

LIANG Yi1MA Wenhui2

(1.Qinzhou Power Supply Company, Qinzhou Guangxi 535000, China;2.Hangzhou Guozhou Power Technology Company Limited, Hangzhou Zhejiang 310000, China)

TM411.2

A

1673-1980(2017)05-0079-05

2017-05-04

中央高校基本科研业务费项目“电力电缆接头状态非接触式检测原理及方法研究”(CDJXY150008)

梁艺(1984 — )，女，工程师，研究方向为电力系统自动化。