基于LabVIEW 的10 kV 配電變壓器繞組變形測試系統研究

楊海生，劉 玲，楊孟卓，王彥波

(1．山西電網公司 晉中供電公司，山西 晉中030600;2．華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引言

隨著計算機技術的發展，使得現代儀器技術與計算機技術有機地結合起來，從而產生功能強大、多變的虛擬儀器［1］。虛擬儀器是以計算機強大的硬件支持作為基礎，一般再輔以數據采集設備、電壓或者電流傳感器以及一些濾波設備等，利用計算機各種輸入、輸出接口進行信號的采集，測量和調理，然后利用軟件對所獲得的信號進行處理。

LabVIEW 是這類軟件中的代表產品。在它的驅動程序中，有支持各種測試測量功能的底層程序供用戶使用，用戶只需根據自身實際的需要在此基礎上進行修改即可。它更提供了強大的數據處理功能以及一些用于工業控制、測量方面的實用功能等。利用軟件用戶可以在計算機上模擬各種實際的設備［2］，實現以及修改它的各種功能，這也正是虛擬一詞的由來。然后再對所獲得的數據進行各種運算、分析及處理［3］。

目前，國內外針對變壓器繞組變形的檢測方法主要有低壓脈沖法、短路阻抗法和頻率響應法［4］。但這些方法大都是離線檢測法，因此，發展一種不影響變壓器運行狀態的在線監測與診斷技術是非常重要的。頻響法是實現這一技術的典型方法，它的原理如下:當變壓器在高頻電壓的作用下，可以將它的繞組等效為由電阻、電感、電容等分布參數組成的二端口網絡，并用傳遞函數來描述這一網絡特性［5］。當繞組發生局部變形，會導致網絡中電氣參數的改變，從而引起傳遞函數的變化。應用頻響法來判斷變壓器的繞組變形，主要是通過測量變壓器每相繞組的頻響曲線，再通過縱向或者橫向比較的方式來得到結果［6，7］。

1 系統硬件介紹

總體硬件電路結構如圖1 所示。利用信號發生器向系統注入高頻脈沖信號，信號經保護電路、電容分壓器進入變壓器的低壓繞組［8］，在中性線處利用高頻電流傳感器測量響應信號。該響應信號經信號調理單元、數據采集卡進入工控機。本系統所使用的主要硬件設備如下:脈沖信號發生器、保護電路、電容分壓器、電流傳感器、高速數據采集卡、工控機。

圖1 總體硬件結構示意圖

利用LabVIEW 軟件對采集到的信號進行處理，得到變壓器繞組的頻響曲線，從而判斷變壓器的繞組變形。

2 軟件介紹

文中測試系統的軟件部分主要包括以下內容:用戶登錄、數據采集、數據分析及處理、歷史數據查詢。

2.1 用戶登錄

用戶登錄模塊主要是防止非授權用戶的非法進入，只有合法的用戶方可進入測試系統進行操作。這增加了系統和測試數據的安全性。該模塊提供了一個良好的人機交互界面，用戶需要輸入指定的用戶名及密碼方可使用該系統。后臺程序提供了增加登錄用戶、密碼修改等功能。

2.2 數據采集

本文的數據采集模塊的編程原則是采用生產者－消費者模型編寫［9］。它將多個并行循環分為生產數據和消費數據的兩類循環，循環間采用隊列的方式進行通訊。這樣當產生數據的速度比處理數據的速度快時，隊列的緩沖作用保證數據不會丟失。新采集到的數據直接放入隊列中，這一簡單過程耗時很少。程序的另一部分則不停地從隊列中取出數據，對其進行處理［10］。如果需要，還可以把這個模型中的數據顯示和數據保存部分也放到另一單獨的循環中去運行。模型中，上半部分的循環是產生(采集)數據的，而下半部分的循環是消費(處理)數據的。

采集程序是采用差分方式下的連續的數據采集方式。利用兩個通道，分別采集了電壓信號和電流信號，前面板中所顯示的是一個全頻域的脈沖波形。系統采用將采集到的脈沖信號以波形數據的方式保存在磁盤中，之后通過數據處理單元對信號進行處理。歷史數據查詢模塊也可以對這一數據進行查詢。

2.3 數據分析

本模塊是對數據采集部分的波形數據進行拆分，單獨對數組進行操作，這包括數據截斷、濾波以及曲線的擬合。其中濾波是采用LabVIEW 自帶的快速虛擬儀器程序，利用的是3 階巴特沃茲濾波器。而曲線擬合經多次試驗后選擇0.7 是比較合適的。所采集到的波形數據經這一程序運行后就會得到變壓器的頻響曲線。圖2 是數據分析模塊的前面板。

圖2 數據分析模塊前面板

2.4 歷史數據查詢

該模塊是方便用戶對變壓器歷史數據的查詢。用戶只需輸入要查詢的時間段，點擊查詢按鈕后，數據將以波形圖的形式顯示在屏幕上，用戶也可以單獨對查詢到的歷史數據進行數據分析。

3 實驗驗證

以下是對兩臺10 kV 變壓器進行測試的結果。分析方法是采用縱向及橫向比較兩種方式來判斷變壓器繞組變形的情況。

圖3 所示是實驗室某10 kV 變壓器A 相繞組縱向比較后的結果。我國電力行業標準《電力變壓器繞組變形頻率響應分析法》采用求取相關系數的方法量化分析頻響曲線的變形程度。設有兩個長度為N的傳遞函數幅度序列X(k)，Y(k)，k=0，1，…，N－ 1。采用以下公式計算相關系數。

式中:Cxy是序列X與Y的協方差;Dx，Dy是標準方差。若(1 －Cxy/) ＜10－10，Rxy則取10。軟件程序通過計算兩條頻響曲線的相關系數給出了繞組變形程度—輕微變形。

圖3 試驗變壓器低壓繞組幅頻響應曲線

圖3 中在350 ～800 kHz 的頻段內出現了諧振頻率偏移，而在約750 kHz 處最為明顯，說明變壓器繞組發生了變形。經過在實驗室打開后發現，繞組有鼓包、斷股等局部輕微變形。

圖4 試驗變壓器低壓繞組幅頻響應曲線

圖4 所示是實驗室另一臺10 kV 變壓器通過橫向比較后的結果。從圖中可見，在整個頻段內A，B 相曲線相關性很好，而在440 kHz 以后，C相曲線與A，B 相曲線明顯不同。說明C 相繞組發生了變形。軟件程序同樣根據公式(1)給出了C 相繞組發生了明顯變形。后經打開后發現C相繞組有不同程度的扭曲及鼓包現象發生。

4 結論

本文論述了基于LabVIEW 的10 kV 變壓器繞組變形測試系統的研究開發。重點闡述了軟件系統的組成、各個模塊的功能、運行機制及開發原理。利用該系統對多臺10 kV 變壓器進行了測試，結果表明該系統可以準確、有效地檢測出變壓器繞組變形情況。進一步的工作是加強軟件系統數據處理部分的靈活性。

［1］朱光偉．基于LabVIEW 的電力變壓器在線振動監測系統的設計及研究［D］．成都:西華大學，2009．

［2］徐志鈕，律方成，趙立剛，等．基于LabVIEW 的變壓器油色譜分析故障診斷系統［J］．電力科學與工程，2005，(4):37-40．

［3］文家昌．基于LABVIEW 機器視覺的產品檢測平臺設計與應用［D］．廣州:華南理工大學，2012．

［4］諸兵，曾雪梅，黃曉艷．變壓器繞組變形監測的研究現狀綜述［J］．廣東輸電與變電技術，2009，11(3):48-53．

［5］DL/T 911-2004．電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法［S］．

［6］何平，文習山．變壓器繞組變形的頻率響應分析法綜述［J］．高電壓技術，2006，32 (5):37-41．

［7］徐虎，侯勇，徐凱川．電力變壓器繞組變形現場測試影響因素與對策［J］．電力科學與工程，2009，25(10):47-49．

［8］De Rybel T，Singh A，Vandermaar J A，et al．Apparatus for online power transformer winding monitoring using bushing tap injection ［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，2009，24 (3):996-1003．

［9］雷振山，魏麗，趙晨光，等．LabVIEW 高級編程與虛擬儀器工程應用［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［10］阮奇楨．我和LabVIEW:一個NI 工程師的十年編程經驗［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2012．