基于低壓脈沖法的變壓器繞組變形探測(cè)技術(shù)

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局 覃智賢 廖英懷 羅傳勝 周 闖 孫全才

作為電力系統(tǒng)重要設(shè)備，變壓器直接影響著電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性與可靠性。隨著近年來(lái)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大容量、自動(dòng)化電力系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，在為生產(chǎn)及生活提供便利的同時(shí)也導(dǎo)致短路故障的增多。在具體運(yùn)輸過(guò)程中，變壓器容易出現(xiàn)相對(duì)位移，當(dāng)出現(xiàn)短路或發(fā)生故障，受電磁拉力影響會(huì)引起線圈變形，使得變壓器繞組的分布參數(shù)產(chǎn)生改變，影響變壓器正常使用。電力關(guān)乎眾多人的日常生活，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵，電力企業(yè)要結(jié)合變壓器繞組變形測(cè)試儀等一些設(shè)備提前發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題，進(jìn)行有針對(duì)性的分析與討論，維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)建可靠平穩(wěn)的用電環(huán)境[1]。

變壓器繞組變形影響因素復(fù)雜多樣，但常規(guī)繞組變形短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明顯的變壓器故障，仍會(huì)以內(nèi)部繞組畸形的狀態(tài)進(jìn)行工作，長(zhǎng)此以往會(huì)加重變形嚴(yán)重程度，導(dǎo)致徹底故障、損毀，甚至引起重大電力事故的發(fā)生。采用變壓器修理繞組變形耗時(shí)長(zhǎng)且需要較高費(fèi)用，因此及時(shí)檢出繞組變形、在完全損毀之前予以維修處理，對(duì)于提升變壓器穩(wěn)定性、延長(zhǎng)變壓器使用壽命尤為重要。低壓脈沖法是檢測(cè)變壓器繞組變形的常見(jiàn)方法，能夠明確變壓器是否存在短路，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、數(shù)字測(cè)量的發(fā)展，低壓脈沖法得以優(yōu)化改進(jìn)，此次研究提出了納秒級(jí)低壓脈沖，探究了其在變壓器繞組變形探測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于低壓脈沖法的變壓器繞組變形探測(cè)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 低壓脈沖法原理分析

變壓器的頻率＞1kHz，可將其每個(gè)繞組看作線性電阻、電感及電容等各參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)，一旦出現(xiàn)機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)出現(xiàn)改變，改變繞組對(duì)低壓脈沖的響應(yīng)，通過(guò)對(duì)比繞組對(duì)低壓脈沖的響應(yīng)波形，掌握其變形情況，這是低壓脈沖法的基本原理（圖1）。以往低壓脈沖在響應(yīng)過(guò)程中多采用模擬示波器進(jìn)行記錄，依據(jù)時(shí)域響應(yīng)波形變化對(duì)變壓器繞組變形情況予以判斷，隨著現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)及存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，濾波、頻譜等分析技術(shù)被引入變壓器繞組變形探測(cè)中，能夠提供更為準(zhǔn)確、豐富的信息信號(hào)，為信號(hào)畸變?cè)蚍治鎏峁┛煽康膮⒖糩2]。

圖1 低壓脈沖法原理框圖

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)低壓脈沖法在探測(cè)變壓器繞組時(shí)，若間隔時(shí)間長(zhǎng)重復(fù)性會(huì)受到一定的影響，測(cè)試首端故障靈敏度不佳，測(cè)量不同位置端口靈敏度差異性大，因此考慮將電力電子期間與傳統(tǒng)變壓器相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于低壓脈沖的納秒級(jí)低壓脈沖源，為提升測(cè)量準(zhǔn)確性、保障重復(fù)性，將設(shè)備測(cè)量通路與變壓器相匹配，擴(kuò)展測(cè)試脈沖頻譜，得到了更高的精確度與重復(fù)性。

1.2 納秒級(jí)低壓脈沖源阻抗匹配

研究采用納秒級(jí)低壓脈沖法或頻率響應(yīng)法對(duì)電力變壓器繞組狀態(tài)進(jìn)行診斷，以判斷繞組是否存在缺陷，通常大功率電力變壓器輸電效率≥99%，短路電壓為Ush=40Un。其中Ush表示的是變壓器短路電壓，Un是變壓器工作電壓，電抗計(jì)算公式：XL=2πfL=100UnUsh%/s，其中工作頻率用f 表示，為50Hz，L、Ush分別表示變壓器等效電感與短路電壓，變壓器功率用S 表示。利用一條導(dǎo)線等效替代變壓器輸入及輸出繞組，雙絞線有特定電阻，連接雙絞線、待測(cè)變壓器及示波器等，并與測(cè)量設(shè)備連接，其能與不同變壓器產(chǎn)生阻抗匹配，達(dá)到相應(yīng)的傳輸效果。

變壓器的總輸入電容采用Cin表示，其中C 為0.6nF，Z 為120±12%Ω。通常變壓器端子能夠匹配測(cè)量裝置可選擇雙絞線電纜、屏蔽與非屏蔽均可，其能夠幫助變壓器與診斷設(shè)備的連接，較傳統(tǒng)的探針?lè)▋r(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單。bnc 線纜若經(jīng)過(guò)反復(fù)的使用會(huì)增加彎折頻率，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響且價(jià)格高，研究發(fā)現(xiàn)雙絞線重新設(shè)計(jì)所花費(fèi)的成本僅為bnc 線纜的90%，卻能夠達(dá)到與bnc 線纜相當(dāng)?shù)男Ч?dǎo)線的直徑、絕緣厚度及捻度是影響雙絞線阻抗的主要指標(biāo)，其會(huì)對(duì)導(dǎo)線參數(shù)產(chǎn)生一定的改變作用，實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配。

1.3 納秒級(jí)低壓脈沖源輸出端設(shè)計(jì)

利用探測(cè)設(shè)備將矩形脈沖輸入到變壓器繞組端子，并在同一繞組其他端子或其他繞組端子對(duì)電流及電壓情況予以觀察，即低壓脈沖[3]。此次研究對(duì)繞組對(duì)脈沖沖擊所產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)程予以分析，在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，將電壓參數(shù)調(diào)整為100～2000V，持續(xù)200ns～1us、40～200us。由于在對(duì)變壓器特性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不同技術(shù)可能會(huì)對(duì)脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻產(chǎn)生一定的影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電阻的自動(dòng)測(cè)量，提高輸出開(kāi)關(guān)利用率，可選擇脈沖發(fā)生器輸出端。反相信號(hào)對(duì)電流利用率輸出開(kāi)關(guān)的信號(hào)控制，開(kāi)關(guān)V2、V3對(duì)應(yīng)負(fù)載電阻控制信號(hào)U2、U3，注意的是當(dāng)V2、V3控制電壓為0時(shí)應(yīng)避免應(yīng)用負(fù)載電阻。

有學(xué)者在研究中提出，脈沖法可能僅能對(duì)正常質(zhì)量結(jié)果予以評(píng)估，利用脈沖法獲得的測(cè)量結(jié)果在對(duì)繞組內(nèi)部情況進(jìn)行判斷時(shí)準(zhǔn)確性可能會(huì)受到一定的影響。頻率響應(yīng)法則能實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈中殘余變形的量化評(píng)估，不容易受到外部環(huán)境因素的影響。此次研究采用納秒級(jí)低壓秒沖對(duì)裝置測(cè)試變壓器進(jìn)行測(cè)量，其準(zhǔn)確性及重復(fù)性均得到了較高的提升。在應(yīng)用脈沖持續(xù)時(shí)間前10ns 時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行探測(cè)，能夠擴(kuò)展頻譜，當(dāng)振幅自100～600V 增壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出低重復(fù)頻率，約為1/100Hz 為宜，其能夠?qū)⒚}沖頻譜延長(zhǎng)至20/40MHz[4]。對(duì)比傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，該方法能促進(jìn)探測(cè)變壓器對(duì)繞組缺陷敏感性的提升，觸發(fā)電源主體部位包括輸入電壓調(diào)節(jié)、脈沖形成升壓、MOS 管集成部分、電源轉(zhuǎn)換、控制部件及控制隔離部件。

研究對(duì)比了電流測(cè)量與變壓器正態(tài)的測(cè)量結(jié)果，上述數(shù)據(jù)無(wú)法直接對(duì)內(nèi)部繞組的實(shí)際情況尤其是變形情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。在對(duì)比同一類(lèi)型變壓器測(cè)量結(jié)果時(shí)可選擇某一對(duì)象作為參照。如三個(gè)繞組所發(fā)生的缺陷均不相同，以變壓器某一部位作為變壓器機(jī)械損傷。基于這一原理，可通過(guò)對(duì)不同部位變壓器的測(cè)量評(píng)估其故障情況。利用對(duì)變壓器的檢測(cè)數(shù)據(jù)可設(shè)計(jì)針對(duì)繞組狀態(tài)的新的分析法，便于對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且未能定期維護(hù)變壓器的高效檢測(cè)。

1.4 納秒級(jí)低壓脈沖測(cè)量數(shù)值譜分析法

研究所用與頻率響應(yīng)分析法能夠?qū)Σ煌叫盘?hào)進(jìn)行記錄，可促進(jìn)信噪比的提升，在過(guò)濾雜波的作用下，納秒級(jí)低壓脈沖的準(zhǔn)確度及靈敏性均能夠得到相應(yīng)的提升，此時(shí)探測(cè)脈沖電壓控制在10～50V，能夠使得設(shè)備脈沖抖動(dòng)現(xiàn)象明顯緩解，測(cè)量的精度也得到了相應(yīng)的提升。

研究采用離散傅里葉變換數(shù)值譜分析了構(gòu)造變壓器繞組頻率響應(yīng)情況，譜函數(shù)為，其中頻率用f 表示，接受信號(hào)波形對(duì)應(yīng)函數(shù)采用F（t）表示。其中n=0,1,2，…n-1，2N 表示的是樣本采樣的間隔，采樣時(shí)間用T 表示。頻譜系數(shù)p(f)=|S(f)|=。

利用上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非同步干擾的有效過(guò)濾，保障測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。經(jīng)臨床試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)大部分情況下脈沖振幅≤50V，使得脈沖發(fā)生器參數(shù)得以提高，促進(jìn)測(cè)量精度的提升，不僅如此還能為設(shè)備部件節(jié)省成本。在器件與算法的相互配合下能夠促進(jìn)頻譜的擴(kuò)展，因此可對(duì)頻譜進(jìn)行脈沖測(cè)試后適當(dāng)擴(kuò)展，以20～40MHz 為宜，與數(shù)字噪聲濾波法相比納秒級(jí)低壓脈沖對(duì)各類(lèi)缺陷的敏感性更好。

2 變壓器繞組變形探測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

此次研究采用電力變壓器進(jìn)行測(cè)量以驗(yàn)證試驗(yàn)假設(shè)的可行性，變壓器電壓參數(shù)分別為10000V/400V、1000MVA，未能開(kāi)放變壓器，未知缺陷。圖2展示的是設(shè)備與高壓繞組A、B、C 連接的情況，測(cè)試變壓器設(shè)備圖設(shè)置探針13與14電壓為10～600V，將其與降壓繞組相連接，變壓器外殼為a、b、c、n的共同電極，連接示波器的輸入與輸出電極。

圖2 變壓器電路示意圖

研究對(duì)比頻率響應(yīng)分析法進(jìn)行試驗(yàn)需確保良好的重復(fù)性，以便提升測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，可發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的低壓脈沖法重復(fù)性在24h 內(nèi)尚具有一定的保障，24h 后重復(fù)性受到明顯影響，檢測(cè)結(jié)果不理想。采用頻率響應(yīng)法則具有較好的檢測(cè)重復(fù)性，但當(dāng)處于高頻段狀態(tài)下位置會(huì)出現(xiàn)一定的偏移。以往的低壓脈沖測(cè)試存在高頻率成分屬于激勵(lì)信號(hào)，測(cè)試結(jié)果會(huì)受到變壓器端口至示波器接線長(zhǎng)度的影響。

通常電纜線路中的阻抗不匹配點(diǎn)，除了導(dǎo)體斷線(開(kāi)路)、短路和接地故障外，在電纜接頭和電纜穿過(guò)金屬管道等處也都是阻抗不均勻點(diǎn)，同樣會(huì)產(chǎn)生波的反射，測(cè)試時(shí)必須仔細(xì)辨別。尤其是當(dāng)接地電阻值大于電纜波阻抗的2～3倍以上時(shí)反射波幅值很小，更難以辨別故障點(diǎn)。脈沖法最適用于測(cè)尋斷線故障，同時(shí)也適用于測(cè)尋接地電阻小于100Ω 的電纜故障。研究設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)，按照相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)6組數(shù)據(jù)下電壓脈沖信號(hào)情況，對(duì)參數(shù)K、C、L 大小作出相應(yīng)的調(diào)整，產(chǎn)生明顯變化脈沖諧振點(diǎn)如表1所示。

表1 不同脈沖寬度取值諧振點(diǎn)變化情況

研究將納秒級(jí)低壓脈沖源分別接入變壓器端子A、B、C，探測(cè)了每一個(gè)端子對(duì)脈沖的發(fā)射情況，對(duì)回波情況進(jìn)行常規(guī)接收處理，分別在n、na、nb及nc 位置發(fā)生響應(yīng)，在該位置進(jìn)行測(cè)量，可發(fā)現(xiàn)信號(hào)加載至繞組A、B、C 時(shí)為10V，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)處于10V 脈沖下，A 端與C 端兩者回波差異不大，此時(shí)B 端口回波在A 端及C 端均呈現(xiàn)出明顯的相位變化，利用上述方式進(jìn)行測(cè)量，可發(fā)現(xiàn)B 繞組內(nèi)部與A、C 繞組內(nèi)部可見(jiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性改變。電力針對(duì)35kV 各種電壓等級(jí)的動(dòng)力電纜、通信同軸電纜、市話電纜、控制電纜、礦用電纜和海底電纜等發(fā)生的低阻、短路、斷路、高阻泄漏故障和閃絡(luò)性故障而研制的多脈沖電纜故障測(cè)試儀。

綜上，研究針對(duì)變壓器繞組變形情況采用納秒級(jí)低壓脈沖法，可發(fā)現(xiàn)將設(shè)備測(cè)量通道匹配負(fù)載變壓器能夠提升測(cè)量的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，滿足內(nèi)部繞組缺陷檢驗(yàn)需求，將脈沖持續(xù)時(shí)間控制為100～2000ns 之間，上升沿控制為8～10ns，測(cè)試脈沖頻譜進(jìn)行擴(kuò)展處理以20～40MHz 為宜，能夠得到較頻率響應(yīng)分析法敏感性更高的效果，納秒脈沖的優(yōu)勢(shì)有利于設(shè)備抗干擾能力的提升。

針對(duì)非同步噪聲的干擾可采用特殊算法予以干預(yù)，能夠促進(jìn)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的提升，保持振幅與脈沖在50V 以下能夠促進(jìn)脈沖發(fā)生器參數(shù)及測(cè)量精度的提升，減少設(shè)備的成本。納秒級(jí)低壓脈沖應(yīng)用的是原始電路及結(jié)構(gòu)等，為設(shè)備改進(jìn)、應(yīng)用提供了便利，具有廣泛的適用性。通過(guò)對(duì)變壓器端子間的橫向與縱向比較，與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比能精準(zhǔn)掌握繞組變形情況，具有較高價(jià)值。