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 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500; 2.中國南方電網(wǎng) 云南電網(wǎng)電力科學研究院，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 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500; 2.中國南方電網(wǎng) 云南電網(wǎng)電力科學研究院，云南 昆明 650217)

針對變壓器成套的電壓電流傳感器測量輸出值均較大、不便測量的缺陷，使用應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傳感器微系統(tǒng)，可實現(xiàn)將PT與CT測量值精確轉(zhuǎn)換為適于處理的較小值。此微型系統(tǒng)測量精度高，額定工作頻率、電壓和電流可與變壓器成套PT和CT相配合，便于采集卡對數(shù)據(jù)進行采集。

李薩如分析法； 電力變壓器;繞組故障檢測； 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)中最重要的一次設備之一，對于確保電網(wǎng)運行具有重要意義。其組變形會引起局部放電，加速絕緣老化，隨著情況的加劇，會引起繞組匝間短路，嚴重損壞變壓器，可能造成變壓器損壞和停運，導致大面積停電[1～3]。深入研究如何在線準確獲取變壓器繞組故障模式識別與繞組故障位置及對變壓器繞組故障預警是未來變壓器繞組故障監(jiān)測中最具前景和最活躍的發(fā)展方向[4,5]。

對于變壓器繞組故障檢測，國內(nèi)外專家做了大量研究，2002年,李娟、蔡暉運用模糊理論及專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)對電力變壓器的絕緣狀態(tài)進行跟蹤監(jiān)測[6]；崔東君用加權(quán)小波神經(jīng)網(wǎng)絡檢測油浸式電力變壓器故障，構(gòu)造出加權(quán)小波神經(jīng)網(wǎng)絡處理變壓器故障[7]；張?zhí)旌?、王陽陽用多傳感器組合檢測的環(huán)面蝸桿誤差儀，用多傳感器理論對誤差進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[9～11]與在線檢測。

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

1 李薩如在繞組變形檢測中應用可行性分析

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:當繞組變形時，李薩如圖形也相應發(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,從仿真角度驗證了基于電壓電流的李薩如分析法可以用于檢測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裝置研發(fā)

2.1 硬件設計

微型傳感器系統(tǒng)基于PT和CT的變壓器工頻信號測量模塊與信號預處理模塊，為了提高變壓器工頻信號的采集精度，采用引針式電壓互感器，精度為0.1級，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，變比5 A∶2.5 mA，二次側(cè)額定負載20 Ω。

微型傳感器采集變壓器PT和CT輸出信號后，需要經(jīng)過濾波、放大等電路實現(xiàn)信號的預處理。信號預處理原理圖如圖4所示，測量電路整體原理如圖5所示。

圖4 信號預處理原理圖

圖5 測量電路原理圖

為了驗證測量電路檢測精度，用工頻信號采集系統(tǒng)裝置對PT進行了實驗，根據(jù)變比輸電電壓應為0.5 V，此時測量電路的輸出電壓幅值應為1.77 V，輸出電壓幅值為1.9 V，與理論計算值基本一致。同理，在相同實驗環(huán)境下對CT進行實驗，測量微型傳感器轉(zhuǎn)換輸出電壓幅值為60 mV，與理論計算的轉(zhuǎn)換電壓值62 mV基本一致。測量整套裝置輸出電壓幅值為2.1 V，與理論計算的輸出信號幅值2.2 V基本一致。

2.2 軟件設計

短路阻抗法可以認為當短路阻抗值變化3 %時，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)有以下關系

ΔU=I×Zk

(3)

(4)

(5)

將式(3)帶入式(4)與式(5)可得以下關系

(6)

(7)

(8)

當Zk變化3 %時，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軟件設計開發(fā)了一種繞組狀態(tài)監(jiān)測程序，采用RS—232協(xié)議進行通信,可以在線顯示李薩如圖形并進行數(shù)據(jù)存儲。

3 繞組變形檢測實驗

為驗證檢測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展實驗。

設置正常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。被測變壓器高壓側(cè)采取的接線方式為中性點接地；用探頭和皮爾森線圈測量輸入電壓、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載，變壓器負載容量有限，所以在高壓側(cè)采用1kV的電源加壓的狀態(tài)下進行實驗。最終的繞組檢測結(jié)果曲線圖在系統(tǒng)界面上顯示。

圖6 實驗原理

實驗平臺中分別對同一型號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行實驗，高壓側(cè)三相繞組和低壓側(cè)三相繞組基本相同，在中性點接地運行方式，使用設計的微傳感器系統(tǒng)測量裝置測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可以得到兩點結(jié)論：1)正常繞組與故障繞組的李薩如圖差異明顯，說明本裝置可以較為靈敏地對電力變壓器繞組進行檢測。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，這是因為三相繞組存在細微差異，進一步驗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)是一種在線檢測電力變壓器繞組故障的裝置，解決了在使用李薩如特性進行電力變壓器繞組故障檢測時，電力變壓器配套的電壓與電流傳感器輸出值較大，不易測量與不方便處理的問題。首先介紹了李薩如特性在電力變壓器繞組故障檢測中的原理，然后采用Matlab仿真驗證了該方法的可行性，進而研發(fā)出測量裝置，最后使用該裝置對真實變壓器在正常與故障狀態(tài)下進行的實驗，驗證了該裝置可較好的對電力變壓器繞組故障進行檢測。

[1] 姚森敬．橫向比較法在變壓器繞組變形測試中的應用[J].廣東電力，2000，13(4)：11-14．

[2] 王 鈺．變壓器繞組變形檢測中的故障判定[J]．高電壓技術(shù)，1997，23(3)：23-26．

[3] 朱建新．電力變壓器繞組變形故障的測量分析與判斷[J]．變壓器，2000，37(6)：21-24．

[4] 楊繼先.李薩如圖形的性質(zhì)研究[J].西華大學學報，2008,27(6):98-100.

[5] Almas S.Modeling of a power transformer winding for deformation detection based on frequence response analysis[C]//中國控制會議,2007：506-510.

[6] 李 娟.電力變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測和故障診斷的新方法[J]．電力自動化設備，2002,22(12):60-63.

[7] 崔東君.基于加權(quán)小波神經(jīng)網(wǎng)絡的油浸式電力變壓器故障檢測[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2010,38(18):19-23.

[8] 張?zhí)旌?王陽陽,武 亮,等.基于多傳感器組合的環(huán)面蝸桿誤差檢測儀設計[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(10):66-69.

[9] 吳國躍．電力變壓器繞組變形實測中的影響因素[J]．高電壓技術(shù)，2001，27(3)：81-84．

[10] 陳志勇．頻率響應法對變壓器繞組變形的分析[J]．河北電力技術(shù)，2002，21(4)：45-49．

[11] 何文林，陳金法，應高亮，等．頻響分析法測試變壓器繞組變形的研究[J].中國電力,2000,33(12):39-42．

[12] 謝宇風，劉 溟．變壓器繞組變形頻響法分頻點研究[J]．華中電力，2005，18(2):39-42.

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

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器、測試計量等。

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