配電變壓器繞組變形故障的在線監(jiān)測(cè)新方法研究

程大輝++王康++于海

摘 要：在整個(gè)電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，配電變壓器具有非常重要的作用。但是，這種電氣設(shè)備在實(shí)際工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如當(dāng)電路中出現(xiàn)短路等問(wèn)題時(shí)，變壓器繞組很可能會(huì)受到一定負(fù)面影響，最后導(dǎo)致形變的發(fā)生。本文對(duì)配電變壓器的繞組變形方面故障進(jìn)行分析，針對(duì)這些問(wèn)題提出一些在線監(jiān)測(cè)的新方法，希望可以對(duì)解決變壓器故障等問(wèn)題有所幫助，同時(shí)也可以使配電變壓器能夠在電力系統(tǒng)中發(fā)揮其應(yīng)有作用。

關(guān)鍵詞：配電變壓器；繞組；變形故障；在線監(jiān)測(cè)；新方法

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

配電變壓器在電力系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用廣泛，為了使電力系統(tǒng)可以安全可靠地進(jìn)行工作，需要確保這種電氣設(shè)備繞組不會(huì)出現(xiàn)變形等故障。若想實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需要相關(guān)的研究人員及技術(shù)人員等在變壓器故障監(jiān)測(cè)方面做出很多努力，使用各種新的在線監(jiān)測(cè)方法對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保故障不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行造成障礙。以往的故障在線監(jiān)測(cè)方法可能在很多方面存在局限性，本文將對(duì)在線監(jiān)測(cè)的新方法進(jìn)行研究，希望可以在故障發(fā)生的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而能夠在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)其作出反應(yīng)，將損失降至最低。

一、在線監(jiān)測(cè)的新方法

（一）短路電抗法

研究人員將傳統(tǒng)配電變壓器的繞組變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行延伸，得出一種新型在線監(jiān)測(cè)方法，即短路電抗法。這種方法在很多方面具有其特有的優(yōu)越性，例如，不必進(jìn)行空載調(diào)零相關(guān)操作、運(yùn)行過(guò)程中對(duì)激磁電流方面沒(méi)有過(guò)多要求等。通常情況下，人們將短路電抗法應(yīng)用在與電網(wǎng)電壓同樣發(fā)生變化的輸入端電壓的變壓器上，而且這種方法可以很簡(jiǎn)單地得出短路電抗，具體來(lái)講便是通過(guò)改變負(fù)荷，對(duì)輸入端及輸出端的I、U值進(jìn)行在線測(cè)量，進(jìn)而得到所需結(jié)果。配電變壓器繞組變形與否可以通過(guò)短路電抗的取值看出，而且這種方法的得出結(jié)果具有較高的可信性，可以將誤差方面控制到-0.11%～0.32%以內(nèi)。以上結(jié)果皆為通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)得出的，通過(guò)對(duì)各類不同配電變壓器進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果具有代表性意義。

短路電抗法原理：通過(guò)這種在線監(jiān)測(cè)新方法對(duì)單相雙繞組的電氣設(shè)備（配電變壓器）進(jìn)行分析，用Z1和Z12對(duì)輸入端阻抗及輸出端阻抗在輸入端歸算結(jié)果；變壓器空載時(shí)的等效阻抗為Am；在輸入端一側(cè)，將電流和電壓用I1、U1進(jìn)行表示，而在輸出端一側(cè)，電流和電壓分別用I12及U12表示輸出端在輸入端歸算結(jié)果。根據(jù)以上等數(shù)據(jù)進(jìn)行等效電路等各類計(jì)算，通過(guò)不同的負(fù)載對(duì)電流及電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到短路電抗值。

研究人員通過(guò)Mazatlan等軟件對(duì)這種在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行仿真，可以比較方便快捷地得出短路電抗，并且其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，可以被人們推廣使用；經(jīng)過(guò)研究人員大量實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)繞組電抗維持在6%～9%左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有研究?jī)r(jià)值，可以反映出電力系統(tǒng)內(nèi)配電變壓器繞組形變方面的問(wèn)題；實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值若大于11%，研究人員可以得出繞組變形情況較為嚴(yán)重，其耐受短路方面的性能已經(jīng)無(wú)法滿足電力系統(tǒng)正常運(yùn)行要求；由于各種實(shí)際情況的制約，離線測(cè)量結(jié)果無(wú)法反映電力系統(tǒng)配電變壓器繞組形變方面實(shí)際情況，人們只能將其當(dāng)作參考值，只有在線測(cè)量的短路電抗波動(dòng)情況可以成為判斷繞組形變情況的標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員對(duì)短路電抗這種在線監(jiān)測(cè)新方法進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其在交流量方面與電氣設(shè)備后備保護(hù)方面可以保持一致，因此能夠?qū)⑦@種方法應(yīng)用在后備保護(hù)中；這種短路電抗法在變電自動(dòng)化的系統(tǒng)中也可以進(jìn)行廣泛應(yīng)用；此模塊需要具備兩方面的功能：對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及對(duì)得到的內(nèi)容進(jìn)行整理和分析，以上功能可以通過(guò)labview完成，最終將結(jié)果向人們展現(xiàn)；通常情況下，人們使用上述軟件可以在顯示頁(yè)面上看到圖表等形式的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，通過(guò)和以往信息進(jìn)行比較，根據(jù)其變化情況便可以得知配電變壓器繞組變形故障方面的情況。

通過(guò)短路電抗法這種配電變壓器繞組變形故障在線監(jiān)測(cè)新方法對(duì)繞組健康狀況進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控時(shí)，通過(guò)改變負(fù)載得到I、U方面數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)計(jì)算便可以得出短路電抗結(jié)果，這種方法精度比較高，同時(shí)操作比較簡(jiǎn)單，因此具有推廣和研究?jī)r(jià)值；使用這種新的在線監(jiān)測(cè)方法不必對(duì)空載方面進(jìn)行還原，激磁電流方面的波動(dòng)情況也無(wú)法使其工作情況產(chǎn)生太多作用，在一般情況下都可以進(jìn)行穩(wěn)定工作；這種新的在線監(jiān)測(cè)方法可以在第一時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到繞組形變方面情況，并將形變問(wèn)題控制在合理范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)不會(huì)因繞組變形方面故障出現(xiàn)問(wèn)題，因此這種方法具有很大的推廣及研究?jī)r(jià)值。

（二）頻響法

如今研究人員對(duì)配電變壓器繞組變形故障方面的研究大致有兩個(gè)方向，上文提到短路電抗法可以被歸類于參數(shù)檢測(cè)，這是研究人員的研究方向之一，而另外一種則是網(wǎng)絡(luò)分析。網(wǎng)絡(luò)分析這種方法對(duì)傳統(tǒng)短路阻抗方面的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，在時(shí)間及設(shè)備方面都有了很大提高，通常情況下研究人員將其分成兩種，即頻響及低壓脈沖。后者雖然在靈敏度方面有很大提高，但是其本身不具備很好的穩(wěn)定性，電磁方面的情況會(huì)使其測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大浮動(dòng)，無(wú)法被人們?cè)陔娏ο到y(tǒng)內(nèi)廣泛應(yīng)用；前者不但具有很好的靈敏性，其他各方面性能都比較出色，因此被繞組變形故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

以往對(duì)電力系統(tǒng)配電變壓器變形故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，未能將在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行廣泛使用，其檢測(cè)結(jié)果可能無(wú)法滿足人們需求，而使用脈沖信號(hào)注入的方法可以改善以上情況，對(duì)變形故障方面的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；這種方法的監(jiān)測(cè)原理：繞組在U值較大的條件下，可以被看作線性無(wú)源的雙口網(wǎng)絡(luò)，其中包括線性電感等一系列參數(shù)；傳遞函數(shù)在不同點(diǎn)分布情況受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的影響；一旦配電變壓器發(fā)生變形，各方面參數(shù)也會(huì)受到影響產(chǎn)生波動(dòng)，傳遞函數(shù)同樣如此。在信號(hào)源方面，這種方法將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行替換，通過(guò)頻域信號(hào)在第一時(shí)間知曉繞組頻響方面的特點(diǎn)；這種方法在成本、結(jié)構(gòu)等方面具有更多優(yōu)越性。

使用這種方法時(shí)，脈沖信號(hào)正確與否對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很重要的影響，研究人員需要對(duì)強(qiáng)度及方式等方面內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。若信號(hào)強(qiáng)度不足時(shí)，研究人員可能無(wú)法輕松獲取信號(hào)，噪聲方面會(huì)對(duì)其造成很大負(fù)面影響，而與之相反的情況下，電網(wǎng)可能無(wú)法正常進(jìn)行工作，針對(duì)這些方面的情況，研究人員需要對(duì)脈寬及幅值方面進(jìn)行更多關(guān)注，并將條件適宜的脈沖信號(hào)注入。

以上內(nèi)容可以被認(rèn)為是配電變壓器繞組變形故障在線監(jiān)測(cè)方法中的主要內(nèi)容，高壓母線方面的原因?qū)е略诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連入工作具有很大難度，需要在其中投入較多人力、財(cái)力、物力，同時(shí)操作也會(huì)非常繁瑣，面對(duì)這些問(wèn)題，研究人員將測(cè)試信號(hào)添加至低壓臂，得出其中的數(shù)據(jù)，最終完成其在線監(jiān)測(cè)工作。當(dāng)人們將這種技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，需要在繞組端口添加脈沖信號(hào)，在同一時(shí)間完成相關(guān)的記錄工作，通過(guò)FFT讓響應(yīng)與激勵(lì)信號(hào)完成向圖形曲線的轉(zhuǎn)換工作，最終通過(guò)計(jì)算得到 f 響應(yīng)曲線，具體來(lái)講使用式（1）即可得到曲線。

在系統(tǒng)軟件部分和第一點(diǎn)所提到的方法具有相似之處，同樣需要labview完成相應(yīng)的模塊設(shè)計(jì)工作，具體來(lái)講需要具備檢索、收集和分析數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)研究人員進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的相關(guān)工作時(shí)，需要使用相應(yīng)的模塊完成，而對(duì)這部分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員將PCI-9812功能進(jìn)行豐富，制作出更符合要求的數(shù)據(jù)收集模塊，這種模塊在性能方面較為突出，可以在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)四路信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的操作，使系統(tǒng)可以在最短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的讀取工作；在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上使用FFT方法對(duì)I、U信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的操作，最終獲取人們需要的曲線；配電變壓器繞組變形故障的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備檢索歷史數(shù)據(jù)功能，使系統(tǒng)操作人員可以輕松的完成一系列的增添、檢索數(shù)據(jù)等工作，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)人們可以隨時(shí)獲取所需的監(jiān)測(cè)信息，用戶在獲取這些特定信息后可以完成后續(xù)操作，對(duì)繞組變形方面的問(wèn)題進(jìn)行控制。

研究人員將這種新的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，選擇D9-10/10型號(hào)的10kV設(shè)備完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)；使用此種在線監(jiān)測(cè)新方法獲取相應(yīng)參數(shù)，對(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的曲線和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出結(jié)果曲線進(jìn)行觀察，分析兩者的異同點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)兩種曲線在整體上沒(méi)有太大出入，最終由此可以得出此種在線監(jiān)測(cè)新方法在結(jié)果方面具有較高的可信度；使用這種方法時(shí)需要注意，因脈沖方面的特性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)隨環(huán)境方面的一些因素變化而發(fā)生波動(dòng)，對(duì)這種方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，人們無(wú)法將條件控制的和實(shí)驗(yàn)室相同，所以人們需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用才能獲知這種方法效果究竟如何。

如今我國(guó)繞組變形故障在線監(jiān)測(cè)方面的研究還不夠完善，需要研究人員對(duì)這方面內(nèi)容繼續(xù)進(jìn)行研究創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)提前獲知變形故障等問(wèn)題，對(duì)配電變壓器進(jìn)行維修，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

除此之外，相關(guān)研究人員進(jìn)行了一些其他仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)變形故障還可以通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)的分析進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，具體來(lái)講，一旦配電變壓器繞組變形故障出現(xiàn)，繞組結(jié)構(gòu)必然已經(jīng)出現(xiàn)改變，這時(shí)相應(yīng)的電感等參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，人們可以從傳遞函數(shù)方面的波動(dòng)對(duì)其進(jìn)行觀察；與之相反，若未發(fā)生故障，傳遞函數(shù)并不會(huì)產(chǎn)生明顯波動(dòng)，前后傳遞函數(shù)具有較高的相似度。因此，研究人員對(duì)傳遞函數(shù)方面進(jìn)行研究分析，觀察其在不同時(shí)刻的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)波動(dòng)起伏，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形故障方面的監(jiān)測(cè)。研究人員對(duì)傳遞函數(shù)方面的情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)不同時(shí)刻其不同曲線進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)兩時(shí)刻的曲線出現(xiàn)過(guò)大差異，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形故障的在線監(jiān)測(cè)。

上述在線監(jiān)測(cè)方法能夠完成兩種不同條件下的變形故障在線監(jiān)測(cè)：

其一，對(duì)傳遞函數(shù)已知的情況。在此情況下，相關(guān)研究人員只需對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行采集，并與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)比對(duì)結(jié)果便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形故障在線監(jiān)測(cè)。

其二，未能獲知原來(lái)的傳遞函數(shù)相關(guān)信息。這種情況下，其他同型號(hào)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)能夠作為研究人員的參考，或者對(duì)三相繞組方面的傳遞函數(shù)方面進(jìn)行在線收集，一旦其中一相在前后不同時(shí)刻出現(xiàn)明顯波動(dòng)，研究人員便可以得出繞組發(fā)生變形故障的肯定結(jié)果。在此在線監(jiān)測(cè)方法對(duì)變形故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，可以利用對(duì)電流方面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)變形故障進(jìn)行初步判斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常便可以讓系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，由此可見(jiàn)此方法具備判斷力。

結(jié)語(yǔ)

在配電系統(tǒng)中，配電變壓器非常常見(jiàn)，這種設(shè)備能否很好地工作在很大程度上影響著整個(gè)電力系統(tǒng)功能。隨著電壓及系統(tǒng)容量方面的變化，配電變壓器在電力系統(tǒng)中承受的壓力越來(lái)越大，其繞組變形故障情況也發(fā)生得越來(lái)越頻繁。較一般變壓器而言，本文的研究對(duì)象發(fā)生繞組變形故障的可能性很高，而變壓器出現(xiàn)問(wèn)題的原因大概有1/4左右是繞組變形故障，面對(duì)以上情況，研究人員需要對(duì)其在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行不斷創(chuàng)新研究，將變形故障方面的問(wèn)題進(jìn)行控制，使電力系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]劉興平，陳民鈾.一種配電變壓器繞組變形故障的在線監(jiān)測(cè)新方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（12）：20-26.

[2]劉月琴，陳濤，董月.基于脈沖信號(hào)注入法的配電變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)研究[J].電力科學(xué)與工程，2014，30（4）：24-27.

[3]劉興平.配電變壓器健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法研究[D].重慶大學(xué)，2013.

[4]尹磊.變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[5]沈明，尹毅，吳建東，等.變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（11）：184-190.