基于李薩如分析法的微型傳感器系統(tǒng)*

谷紅霞， 于 虹, 趙振剛， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500; 2.中國(guó)南方電網(wǎng) 云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

基于李薩如分析法的微型傳感器系統(tǒng)*

谷紅霞1， 于 虹2, 趙振剛1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500; 2.中國(guó)南方電網(wǎng) 云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

針對(duì)變壓器成套的電壓電流傳感器測(cè)量輸出值均較大、不便測(cè)量的缺陷，使用應(yīng)用于三相智能電表中微型電壓傳感器與微型電流傳感器構(gòu)建李薩茹圖分析法的工頻信號(hào)傳感器微系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)將PT與CT測(cè)量值精確轉(zhuǎn)換為適于處理的較小值。此微型系統(tǒng)測(cè)量精度高，額定工作頻率、電壓和電流可與變壓器成套PT和CT相配合，便于采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

李薩如分析法； 電力變壓器;繞組故障檢測(cè)； 電壓傳感器； 電流傳感器； 傳感器系統(tǒng)

0 引 言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的一次設(shè)備之一，對(duì)于確保電網(wǎng)運(yùn)行具有重要意義。其組變形會(huì)引起局部放電，加速絕緣老化，隨著情況的加劇，會(huì)引起繞組匝間短路，嚴(yán)重?fù)p壞變壓器，可能造成變壓器損壞和停運(yùn)，導(dǎo)致大面積停電[1～3]。深入研究如何在線準(zhǔn)確獲取變壓器繞組故障模式識(shí)別與繞組故障位置及對(duì)變壓器繞組故障預(yù)警是未來(lái)變壓器繞組故障監(jiān)測(cè)中最具前景和最活躍的發(fā)展方向[4,5]。

對(duì)于變壓器繞組故障檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家做了大量研究，2002年,李娟、蔡暉運(yùn)用模糊理論及專(zhuān)家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)對(duì)電力變壓器的絕緣狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)[6]；崔東君用加權(quán)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)油浸式電力變壓器故障，構(gòu)造出加權(quán)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理變壓器故障[7]；張?zhí)旌?、王?yáng)陽(yáng)用多傳感器組合檢測(cè)的環(huán)面蝸桿誤差儀，用多傳感器理論對(duì)誤差進(jìn)行了分析和精確值的處理[8]。這些研究可大體歸納為離線檢測(cè)[9～11]與在線檢測(cè)。

結(jié)合變壓器運(yùn)行的工頻特性，提出了基于電壓電流的李薩如特性的圖形檢測(cè)方法[12]。針對(duì)李薩如特性所需在線檢測(cè)的電壓電流過(guò)大的弊端，利用微型電壓及電流傳感器研制了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，同時(shí)利用LabVIEW研制了繞組檢測(cè)軟件界面，二者共同實(shí)現(xiàn)了利用李薩如特性在變壓器繞組變形方面的檢測(cè)。

1 李薩如在繞組變形檢測(cè)中應(yīng)用可行性分析

1.1 李薩如分析法基本原理

李薩如分析法的基本原理表示

(1)

當(dāng)式(1)消去參數(shù)t可得

(2)

圖1 變壓器繞組等效模型

1.2 李薩如法仿真分析

圖2 Simulink仿真模型

圖3 仿真結(jié)果分析

圖3可以看出:當(dāng)繞組變形時(shí)，李薩如圖形也相應(yīng)發(fā)生改變；表1為正常與故障情況下李薩如橢圓參數(shù)比較，從表中可以明顯看出:在故障情況下繞組的變化較大。因此,從仿真角度驗(yàn)證了基于電壓電流的李薩如分析法可以用于檢測(cè)電力變壓器繞組故障。

表1 正常與不同故障情況下李薩如橢圓參數(shù)比較

2 微型傳感器繞組變形檢測(cè)裝置研發(fā)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

微型傳感器系統(tǒng)基于PT和CT的變壓器工頻信號(hào)測(cè)量模塊與信號(hào)預(yù)處理模塊，為了提高變壓器工頻信號(hào)的采集精度，采用引針式電壓互感器，精度為0.1級(jí)，額定工作電壓為100 V，額定工作頻率為50～400 Hz，變比100 V∶0.5 V，電流傳感器采用引針式電流傳感器，精度為0.1級(jí)，變比5 A∶2.5 mA，二次側(cè)額定負(fù)載20 Ω。

微型傳感器采集變壓器PT和CT輸出信號(hào)后，需要經(jīng)過(guò)濾波、放大等電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的預(yù)處理。信號(hào)預(yù)處理原理圖如圖4所示，測(cè)量電路整體原理如圖5所示。

圖4 信號(hào)預(yù)處理原理圖

圖5 測(cè)量電路原理圖

為了驗(yàn)證測(cè)量電路檢測(cè)精度，用工頻信號(hào)采集系統(tǒng)裝置對(duì)PT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，根據(jù)變比輸電電壓應(yīng)為0.5 V，此時(shí)測(cè)量電路的輸出電壓幅值應(yīng)為1.77 V，輸出電壓幅值為1.9 V，與理論計(jì)算值基本一致。同理，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)CT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量微型傳感器轉(zhuǎn)換輸出電壓幅值為60 mV，與理論計(jì)算的轉(zhuǎn)換電壓值62 mV基本一致。測(cè)量整套裝置輸出電壓幅值為2.1 V，與理論計(jì)算的輸出信號(hào)幅值2.2 V基本一致。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

短路阻抗法可以認(rèn)為當(dāng)短路阻抗值變化3 %時(shí)，判斷繞組發(fā)生了形變，可以利用李薩如圖形法判斷繞組變形的評(píng)估判據(jù)。

利用與構(gòu)建的李薩如圖形，其橢圓參數(shù)有以下關(guān)系

ΔU=I×Zk

(3)

(4)

(5)

將式(3)帶入式(4)與式(5)可得以下關(guān)系

(6)

(7)

(8)

當(dāng)Zk變化3 %時(shí)，由式(5)～式(8)可以算得李薩如圖形參數(shù)的變化量，借助此判據(jù)，通過(guò)獲取的李薩如圖形即可判斷繞組是否發(fā)生形變。利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種繞組狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序，采用RS—232協(xié)議進(jìn)行通信,可以在線顯示李薩如圖形并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 繞組變形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證檢測(cè)裝置在電力變壓器繞組幅向變形中的適用性，采用正常變壓器與幅向故障變壓器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

設(shè)置正常110kV變壓器和故障變壓器工作頻率為50Hz，額定容量31.5MVA，額定變比110/10.5kV，高壓側(cè)繞組為星形聯(lián)接方式，低壓側(cè)繞組為三角形聯(lián)接方式。具體接線方式如圖6。被測(cè)變壓器高壓側(cè)采取的接線方式為中性點(diǎn)接地；用探頭和皮爾森線圈測(cè)量輸入電壓、輸入電流；用微型傳感器系統(tǒng)采集輸出電壓與輸出電流。由于采用大功率電阻器代替負(fù)載，變壓器負(fù)載容量有限，所以在高壓側(cè)采用1kV的電源加壓的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終的繞組檢測(cè)結(jié)果曲線圖在系統(tǒng)界面上顯示。

圖6 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中分別對(duì)同一型號(hào)檢修后高低壓繞組均正常變壓器，與未檢修高壓側(cè)繞組有幅向變形的繞組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，高壓側(cè)三相繞組和低壓側(cè)三相繞組基本相同，在中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式，使用設(shè)計(jì)的微傳感器系統(tǒng)測(cè)量裝置測(cè)量繞組各相輸入電壓與輸出電流，最終得到各相的李薩如圖，如圖7。

圖7 正常變壓器三相繞組和故障狀態(tài)下的李薩如圖

由圖7可以得到兩點(diǎn)結(jié)論：1)正常繞組與故障繞組的李薩如圖差異明顯，說(shuō)明本裝置可以較為靈敏地對(duì)電力變壓器繞組進(jìn)行檢測(cè)。2)即使正常繞組A，B，C三相的繞組李薩如圖也不完全相同，這是因?yàn)槿嗬@組存在細(xì)微差異，進(jìn)一步驗(yàn)證了本裝置靈敏度較高。

4 結(jié) 論

基于李薩如特性的微型傳感系統(tǒng)是一種在線檢測(cè)電力變壓器繞組故障的裝置，解決了在使用李薩如特性進(jìn)行電力變壓器繞組故障檢測(cè)時(shí)，電力變壓器配套的電壓與電流傳感器輸出值較大，不易測(cè)量與不方便處理的問(wèn)題。首先介紹了李薩如特性在電力變壓器繞組故障檢測(cè)中的原理，然后采用Matlab仿真驗(yàn)證了該方法的可行性，進(jìn)而研發(fā)出測(cè)量裝置，最后使用該裝置對(duì)真實(shí)變壓器在正常與故障狀態(tài)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置可較好的對(duì)電力變壓器繞組故障進(jìn)行檢測(cè)。

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A micro-sensor system based on Lissajous analysis method*

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,

Kunming 650500,China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd, Kunming 650217,China)

Aiming at defects of large output mean values and inconvenience measuring of voltage and current sensor in transformer， use micro-sensors and micro-voltage three-phase current sensors which used in smart meters to build the Lissajous diagram analysis method working frequency signal sensor micro system,which can realize accurately convert PT and CT measurement value to small value suitable for processing.This micro-system measurement precision is high,its rated operating frequency, voltage and current can match with transformers sets of PT and CT to facilitate acquisition card for data acquisition.

Lissajous analysis method; power transformer; winding fault detection; voltage sensor; current sensor; sensor system

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0080—03

TH 702

A

1000—9787(2017)06—0080—03

2016—06—21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013FZ021)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助(一等資助)項(xiàng)目(2014M552552XB)

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器、測(cè)試計(jì)量等。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究， E—mail:1625677252@qq.com。