納秒脈沖響應(yīng)法的變壓器繞組檢測(cè)技術(shù)研究

陳乃川,孫 波,李宏達(dá),2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159;2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,北京 100084)

電力發(fā)展對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要,作為電力傳輸過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)備,電力變壓器的傳輸容量、電壓等級(jí)在不斷提高,變壓器發(fā)生故障的概率越來(lái)越高,因此電力變壓器的正常工作與否對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重大意義[1-3]。隨著配電網(wǎng)容量的日益增大,變壓器發(fā)生近區(qū)短路后所承受的短路電流在不斷增加,變壓器發(fā)生繞組變形的可能性也在不斷增加,所以對(duì)變壓器進(jìn)行精確繞組變形、絕緣老化等微小局部損傷的測(cè)試十分必要。傳統(tǒng)檢測(cè)儀器很難適應(yīng)日益增長(zhǎng)的電力系統(tǒng)短路容量問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的診斷方法有低壓脈沖法LVI(Low Voltage Impulse)、短路阻抗法SCI(Short-Circuit Impedance)、頻率響應(yīng)分析法FRA(Frequency Response Analysis)[4-6]。常規(guī)手段受各種技術(shù)瓶頸,因而不能對(duì)變壓器繞組變形及時(shí)檢測(cè),繞組變形可能造成繞組絕緣微小的局部受損,進(jìn)而導(dǎo)致局部放電,甚至加劇絕緣老化,造成電力變壓器的損壞或火災(zāi)[7-9]。本文對(duì)納秒脈沖法的變壓器繞組檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)研究，該方法是基于納秒級(jí)探測(cè)脈沖的響應(yīng)波形,通過(guò)波形對(duì)比來(lái)判斷繞組情況，得出基于納秒級(jí)脈沖在檢測(cè)變壓器繞組上可獲取準(zhǔn)確明顯的信號(hào)波形。

1 納秒級(jí)方波脈沖理論

1.1 方波脈沖理論分析

目前方波脈沖在很多高新技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。正弦信號(hào)的激勵(lì)源易被電磁信號(hào)掩蓋。相比于正弦掃頻信號(hào),方波脈沖頻譜寬、幅值易提高且不易受電磁干擾。此外納秒方波脈沖發(fā)生器內(nèi)部電容值大,受到負(fù)載阻值響應(yīng)小。因此選擇方波脈沖作為檢測(cè)信號(hào)[10-11]。

在實(shí)際應(yīng)用中,方波的上升時(shí)間不可能為零,實(shí)際的方波脈沖時(shí)域與頻域的波形如圖1和圖2所示。

圖1 方波脈沖時(shí)域波形

方波時(shí)域波形的表達(dá)式為

(1)

圖2 方波脈沖頻域波形

方波脈沖的頻譜表達(dá)式為

H(ω)=

(2)

設(shè)脈沖寬度為T(mén),脈沖前沿上升時(shí)間為m,可得式(3)

τ-τ1=2mτ+τ1=2(T+m)

(3)

1.2 納秒脈沖響應(yīng)的故障檢測(cè)方法

納秒級(jí)脈沖信號(hào)作用于變壓器繞組的過(guò)程與電力系統(tǒng)中的特快速暫態(tài)波在繞組中的傳播類(lèi)似,主頻為數(shù)十兆赫茲的脈沖電壓可能激起繞組的電磁振蕩[12]。在高頻狀態(tài)下,變壓器可等效成由一個(gè)電阻、電容和電感組成的二端口網(wǎng)絡(luò),在一端施加激勵(lì)信號(hào),在二端口的另一端就會(huì)得到響應(yīng)信號(hào)。納秒級(jí)脈沖響應(yīng)分析法的等效電路模型如圖3所示。

圖3 變壓器繞組的等效電路模型

圖3中R為寄生電阻;L為寄生電感;C為繞組間電容;e(t)為激勵(lì)信號(hào)源;Ri為信號(hào)源阻抗;Ro為匹配阻抗。

在納秒級(jí)、大功率脈沖信號(hào)作用下，繞組等效電路會(huì)產(chǎn)生“寄生效應(yīng)”和電磁耦合。繞組的任何變化均會(huì)改變?cè)撾娐纺Ｐ椭械膮?shù)大小,進(jìn)而使繞組的脈沖響應(yīng)發(fā)生變化。變壓器繞組在大功率納秒級(jí)脈沖信號(hào)作用下可測(cè)得其N(xiāo)s個(gè)點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)Ui(n)和響應(yīng)信號(hào)Uo(n)，并通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)變成幅頻特性曲線(xiàn)Ui(k)和Uo(k)。(n=0,1,…,NS-1;0≤k≤NS-1;NS為信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù))。

幅頻特性曲線(xiàn)表達(dá)式為輸入U(xiǎn)i(k)和輸出Uo(k)，如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

由式(6)計(jì)算出變壓器繞組脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)H(k)

(6)

圖4為納秒脈沖響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組的方法流程圖。

圖4 檢測(cè)變壓器繞組流程框圖

2 便攜式檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)納秒脈沖響應(yīng)法檢測(cè)變壓器繞組變形的原理及設(shè)備要求,本文設(shè)計(jì)的便攜式檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 便攜式裝置整體結(jié)構(gòu)圖

圖5中1為可充電電池、2為12V電源、3為5V電源、4為控制和記錄單元、5為600V電源、6為脈沖發(fā)生器、7為平板電腦、8為10V探頭的輸入分配器、9為600V探頭的輸入分配器、10為控制繼電器、11為模數(shù)轉(zhuǎn)換器、12為處理器、13為10V電壓探頭、14為600V電壓探頭、15為測(cè)試脈沖輸入電纜。

脈沖電源是檢測(cè)儀器重要構(gòu)成,為了得到穩(wěn)定、高重復(fù)頻率和納秒級(jí)快上升沿的脈沖,研究結(jié)合電力電子技術(shù)與脈沖功率技術(shù),提出了一種設(shè)計(jì)高壓和穩(wěn)定重復(fù)頻率的納秒級(jí)脈沖發(fā)生器,設(shè)計(jì)的脈沖電源實(shí)物如圖6所示。

圖6 脈沖電源實(shí)物圖

運(yùn)用脈沖功率技術(shù),通過(guò)電容器的磁開(kāi)關(guān)等組成的脈沖電路對(duì)高頻電壓波形整形改形,最后輸出方波電壓為10～600V,上升沿為5～10ns,頻譜范圍達(dá)10Hz～30MHz納秒級(jí)上升前沿的高重復(fù)頻率納秒脈沖。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)便攜式檢測(cè)儀器的控制與觀(guān)測(cè)。選用LabVIEW作為操控界面,將輸出響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行濾波處理。上方曲線(xiàn)為時(shí)域波形,下方曲線(xiàn)為頻域波形。檢測(cè)裝置響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。在軟件界面上可滑動(dòng)調(diào)控觸發(fā)頻率及上升沿時(shí)間,軟件界面如圖8所示。

圖7 檢測(cè)裝置響應(yīng)曲線(xiàn)

研制的便攜式測(cè)試儀,儀器上端有可觸摸式的平板電腦,下端為脈沖電源、信號(hào)采集與處理電路及電路保護(hù)模塊(裝置實(shí)物如圖8所示)。

圖8 檢測(cè)裝置實(shí)物圖

3 檢測(cè)變壓器繞組測(cè)試分析

為驗(yàn)證高壓三相變壓器在實(shí)際環(huán)境下檢測(cè)信號(hào)采集的有效性,本文的測(cè)試在東北電網(wǎng)變電檢測(cè)中心進(jìn)行。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試接線(xiàn)圖如圖9所示。

圖9 測(cè)試接線(xiàn)圖

實(shí)驗(yàn)變壓器的主要參數(shù)如下:功率為160kVA;高壓繞組電壓為10kV;低壓繞組電壓為0.4kV;繞組連接類(lèi)型為星型,絕緣體為變壓器油。

已設(shè)計(jì)出一個(gè)反饋信號(hào)比較程序,能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,對(duì)獲取波形進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算帶有24個(gè)采樣點(diǎn)的脈沖反饋信號(hào)。所有形式的測(cè)試反饋信號(hào)都與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)變壓器的反饋信號(hào)測(cè)試位置相同。根據(jù)缺陷檢測(cè)規(guī)則,如果脈沖反饋與標(biāo)準(zhǔn)圖的偏差超過(guò)5%,就可診斷出線(xiàn)圈發(fā)生了幾何變化。通過(guò)檢測(cè)存在缺陷的A相高壓繞組,來(lái)確定納秒脈沖方法探測(cè)匝間短路類(lèi)型缺陷的準(zhǔn)確性。用程序計(jì)算高壓繞組的匝間短路類(lèi)型;探測(cè)脈沖應(yīng)用到A相的高壓繞組,反饋信號(hào)記錄到B相高壓繞組。比較圖如圖10所示。

圖10 A-B相繞組曲線(xiàn)比較圖

在圖10中短路曲線(xiàn)與正常曲線(xiàn)顯示差值為3.4×10-6Wb。正常曲線(xiàn)的值等于1.0114×10-5Wb。正常曲線(xiàn)和反饋曲線(xiàn)之間的差異積分為34%。

將探測(cè)脈沖接到A相高壓繞組,反饋記錄到C相高壓繞組。正常曲線(xiàn)與短路曲線(xiàn)的比較如圖11所示。

圖11 A-C相繞組曲線(xiàn)比較圖

圖11中的結(jié)果顯示了9.3243×10-6積分差值。正常曲線(xiàn)的值等于1.9740×10-6Wb。正常曲線(xiàn)和缺陷曲線(xiàn)之間的積分差異為47%。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,在B相高壓繞組區(qū)域中有一個(gè)“圈軸向移位”缺陷。將探測(cè)脈沖注入到變形繞組側(cè),對(duì)比正常繞組檢測(cè)波形曲線(xiàn),對(duì)比圖如圖12所示。

探測(cè)脈沖應(yīng)用到B相高壓繞組,反饋記錄到C相高壓繞組。圖12中正常曲線(xiàn)和反饋曲線(xiàn)的積分差值為52%。

圖12 正常繞組與軸向位移繞組曲線(xiàn)比較圖

在高壓繞組匝間短路情況下,基于納秒探測(cè)脈沖的脈沖法給出了在繞組正常情況下與缺陷繞組條件下存在34%～47%的差異。對(duì)于線(xiàn)圈存在“軸向移位”的情況,納秒脈沖法檢測(cè)出與正常曲線(xiàn)存在36%～52%的差異,這種差異取決于組合的“探測(cè)脈沖檢測(cè)位置和響應(yīng)信號(hào)記錄的位置。對(duì)于更嚴(yán)重的繞組損壞，納秒脈沖法信號(hào)的積分差值應(yīng)不小于36%,是判斷缺陷狀態(tài)產(chǎn)生的重要判據(jù)。基于納秒脈沖技術(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù),即脈沖、觸發(fā)前端、持續(xù)時(shí)間激發(fā)輪廓與高頻率,從而做出正確的診斷。所得到的結(jié)果即可以判斷繞組狀態(tài)。

為了提高繞組的診斷靈敏度,可以采用兩種持續(xù)時(shí)間不同的脈沖:長(zhǎng)脈沖可用于低頻缺陷診斷;持續(xù)時(shí)間短的脈沖(納秒范圍)可用于高頻缺陷診斷。脈沖越短,其頻譜就越寬,在信號(hào)響應(yīng)中的脈沖高頻分量效果更明顯,對(duì)噪聲有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此納秒脈沖探測(cè)脈沖技術(shù)對(duì)變壓器繞組檢測(cè)是一個(gè)很好的手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了自行研制的納秒脈沖檢測(cè)儀器的工作原理與裝置系統(tǒng)構(gòu)成。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真與測(cè)量驗(yàn)證了納秒脈沖檢測(cè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確判斷變壓器繞組內(nèi)部狀態(tài),為以后裝置的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)打下了基礎(chǔ)。