基于電流偏差系數法的變壓器繞組變形在線監測仿真

摘 要： 為實現更加堅強的電網目標，對變壓器繞組變形進行在線監測顯得越發重要。介紹了應用電流偏差系數法在線監測變壓器繞組變形的基本原理，并在Simulink仿真平臺進行仿真。經套管末屏向繞組中注入頻率為600 kHz～1.2 MHz之間某一單一頻率正弦信號，并測量繞組首端和中性點接地線上的高頻電流，通過計算繞組首末兩端電流的變化及電流偏差系數以確定繞組變形的程度、類型和位置。通過仿真，該方法不僅能夠判斷繞組是否發生變形，而且能夠判斷繞組變形的類型、程度和位置。該方法用于變壓器繞組變形在線監測簡單、有效。

關鍵詞： 繞組變形； 在線監測； 電流偏差系數； Simulink

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0155?04

0 引 言

大型變壓器在運行過程中不可避免地要遭受到各種短路故障的沖擊，特別是變壓器出口或近距離短路故障[1]；此外在長途運輸或者安裝過程中，可能會發生意外的碰撞或震動，這些都可能導致繞組發生變形。變壓器繞組發生輕微變形后會給變壓器的安全運行帶來隱患，減少變壓器的壽命；繞組發生重大變形則導致變壓器直接退出運行。

目前，離線檢測變壓器繞組的方法有：通過試驗測量變壓器短路阻抗并和歷史數據比較的短路試驗法；在繞組一側施加低壓脈沖并比較脈沖響應的低壓脈沖法[2]；測量變壓器頻率響應并橫向、縱向比較其變化的頻率響應法[3]；通過提取變壓器的振動信號來判別繞組變形的變壓器振動檢測法[4]等。上述方法均要求變壓器退出運行，屬于離線檢測方法，不能實時監測變壓器繞組的狀況并及時發現早期故障，更不能實現狀態維修。

P.M. Joshi和S.V. Kulkarni 提出的電流偏差系數（Current Deviation Coefficient，CDC）法[5]，不僅能夠實現在線監測變壓器繞組健康狀況，而且能夠通過電流偏差系數確定繞組變形的類型和程度以及變形的位置。本文介紹了電流偏差系數法的基本原理，并通過Simulink計算機仿真平臺進行仿真。

1 電流偏差系數法

變壓器繞組可以用一個集中參數電路進行等效，在一定的頻率范圍內，它可由有限的部分構成，每一部分由串、并聯電容[Cs]，[Cg]和串、并聯電感[Lii]，[Lij]構成的[π]型電路組成[6]，如圖1所示。

在600 kHz～1.2 MHz范圍內的某一單一頻率信號下，變壓器的繞組呈容性，并且可由串聯電容和并聯電容組成的梯形網絡構成[7]。對于繞組微小變形，串聯電容和并聯電容的容值變化能夠直接反映出繞組軸向和徑向變形的程度[8]。圖1中，如果將2端短路并接地，在1端施加一個正弦高頻穩壓源，則該圖可簡化為如圖2所示。

其中，[I1H]和[I2H] 分別是繞組健康狀態時施加高頻信號后的首末兩端的電流；[I1H′]和[I2H′] 分別是繞組變形后施加高頻信號后的首末兩端的電流。

由以上可知，CDC值與串聯電容或并聯電容的改變量無關，只和電容所處的位置有關，因而能夠根據CDC值進行繞組變形故障定位。此外，軸向位移導致串聯電容變化，此時CDC值總是正的；徑向變形導致并聯電容變化，此時CDC值總是負的。所以根據CDC值亦可以判斷繞組變形的類型。

2 仿真電路

在Simulink 平臺上搭建好電流偏差系數法在線監測變壓器繞組變形的總體電路，主要有高頻、工頻及諧波信號部分，信號耦合部分，數字濾波及有效值測量部分以及變壓器繞組的容性等效模型電路部分組成。

高頻低壓信號源由于耐壓有限，在通過電容C_coup耦合到變壓器的套管末屏之后，還必須要并聯一個分壓電容C_div，其大小計算如下：

[2UUsin=C_divCb] （4）

則：

[C_div=2UCbUsin] （5）

式中：[U]為系統額定電壓；[Cb]為套管電容；[Usin]為高頻信號源的耐壓值；[C_div]為分壓電容。

通過變壓器套管的末屏，高頻信號被施加信號到繞組上，示意圖如圖3所示，C1為套管電容，C2為套管末屏對地電容。

3 仿真結果

3.1 同一性質電容單一變化

首先對每一部分的串聯電容[Cs]依次改變容值，變動幅度為-0.37%～0.37%，并聯電容值保持不變。結果如圖4所示。其次，保持串聯電容值不變，依次改變并聯對地電容[Cg]的容值，結果如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，改變每一部分的串聯電容[Cs]或者并聯電容[Cg]的容值并保持其他部分電容值不變，且不論電容的改變量是增大或減小，每一部分的電流偏差系數CDC的數值變化非常小，并且不同部分的CDC值相差較大，因此參數電流偏差系數可以作為判斷繞組變形位置的依據；此外，可以看出串聯電容變化的CDC數值均是正值，而并聯電容變化的CDC數值均是負值，因此該值能夠作為判斷繞組變形類型的依據。

3.2 同一性質電容同時變化

選取串聯電容第三、第四、第五部分作為觀察對象，依次同時改變第三和第四部分的串聯電容值；然后依次同時改變第四和第五部分串聯電容值；最后同時依次改變第三、第四和第五部分串聯電容的值，得到的結果如圖6所示。

類似的，如果繞組多個部分的并聯電容值發生變化，其電流偏差系數值變化情況如圖7所示。

由圖6和7可以看出，電流偏差系數不會隨著多部分同一性質（串聯或者并聯）電容同時發生變化而發生劇烈變化，其值基本在一個較小的范圍內變化，并且串聯電容同時變化時數值為正，并聯電容同時變化時為負值。

3.3 不同性質電容同時變化

選取串、并聯電容第三和第四部分作為觀察對象，依次改變它們容值的大小，其結果如圖8所示。

由圖8可以看出，電流偏差系數的數值會沿著一種趨勢進行變化，并且可能出現正負值交替變化，這主要取決于是串聯電容的變化起主要作用還是并聯電容的變化起主要作用，也就是說，是軸向變形較大還是徑向變形較大。由仿真可以看出，在串、并聯電容值都減小的情況下，串聯電容的變化起主要作用，電流偏差系數為正值，且隨著變形的減小，該值具有逐漸的增大的趨勢；在串、并聯電容值都增大的情況下，并聯電容的變化起主要作用，電流偏差系數為負值，且隨著變形的增大，該值具有逐漸的增大的趨勢。

3.4 繞組變形判定

在判斷變壓器繞組是否變形以及變形的程度時，首先是通過比較實時監測到的變壓器上首末兩端的高頻小電流與繞組呈健康狀態時的變壓器的首末兩端電流是否發生變化，即ΔI1和從圖9和圖10中可以看出，當串聯電容Cs變化由小逐漸增大時，每一部分的末端電流I2的數值都是呈現增大的趨勢；而當并聯電容Cg的變化由小逐漸增大時，每一部分的末端電流I2的數值都是呈現減小的趨勢。但對這兩種情況而言，總的趨勢是繞組變形越大，ΔI2的絕對值越大，因此可以依據該值來判斷繞組變形的程度。

4 結 語

變壓器繞組變形在線監測是構建一個堅強智能電網的必要準備。本文主要對電流偏差系數法在線監測變壓器繞組變形進行了仿真。通過仿真，在變壓器繞組首端注入一個高頻低壓正弦信號，同時測量繞組首末兩端的高頻低壓電流信號，應用電流偏差系數法能夠對變壓器繞組的微小變形做出快速準確的判斷，并且能夠對故障類型和位置進行辨識，很好的實現了變壓器繞組變形的在線監測。

參考文獻

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