1、学校代号10731学号072080804001分类号TM93密级公开硕士学位论文变压器绕组变形检测装置研究与设计学位申请人姓名培养单位电信工程与信息工程学院导师姓名及职称教授学科专业电力电子与电力传动研究方向智能仪器仪表论文提交日期2010年5月11日学校代号10731学号072080804001密级公开兰州理工大学硕士学位论文变压器绕组变形检测装置研究与设计学位申请人姓名导师姓名及职称教授培养单位电气工程与信息工程学院专业名称电力电子与电力传动论文提交日期2010年5月11日论文答辩日期2010年5月16日答辩委员会主席董海鹰教授INVESTIGATETOIDENTIFYWINDINGDEF
2、ORMATIONOFTRANSFORMERANDDESIGNTHEEQUIPMENTMIAOLIJIAOBELANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2005ATHESISSUBMITTEDINPARTIALSATISFACTIONOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEOFMASTEROFENGINEERINGINDETECTIONTECHNOLOGYANDAUTOMATICEQUIPMENTINTHEGRADUATESCHOOLOFLANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGYSUPERVISORPROFESSORYANGXINHUAMAY,2
3、010兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、
4、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名日期年月日导师签名日期年月日硕士学位论文I目录摘要IABSTRACTII插图索引III附表索引V第1章绪论111引言112设计变压器绕组变形检测装置的意义113国内外研究现状214研究的内容3第2章变压器绕组变形的测试方法521引言522国内外测量方法5221低压脉冲法5222短路阻抗法7223频率响应分析法823课题选用的测量方法924频率响应法的辅佐性判断方法1025本章小结11第3章变压器绕组变形检测装置硬件设计1231引言1232研
5、究内容12321测试指标12322系统设计123221DDS扫频信号发生电路133222调理电路的设计153223高速A/D转换电路的设计173224A/D采样转换控制信号产生183225FIFO模块的设计203226USB接口电路设计203227蓝牙模块23变压器绕组变形检测装置研究与设计II33本章小结26第4章变压器绕组变形检测装置软件设计2741引言2742下位机程序的开发27421固件程序27422下位机主控程序3143动态链接库31431前言31432设备访问函数33433驱动程序的设计344331查找设备354332获得设备信息集364333识别接口信息364334读写设备374
6、34动态链接库（DLL）的编写384341打开设备子函数384342关闭设备子函数394343读设备子函数394344写设备子函数414345对DLL的编译4244上位机应用程序的开发43441前言43442动态链接库函数的调用过程44443上位机数据处理的算法45444基于LABVIEW编程语言的数据采集程序50445基于LABVIEW编程语言的数据处理程序5145本章小结52第5章实验结果与分析5351前言53521KHZ100KHZ频段的特征5353100KHZ600KHZ频段的特征5354频段600KHZ的特征5455本章小结55硕士学位论文III结论56参考文献57致谢60附录A攻读
7、学位期间所发表的学术论文目录61硕士学位论文I摘要变压器是电力系统中的重要设备之一，它运行的稳定性对电力系统的安全运行至关重要。电力变压器绕组变形是指在电动力和机械力的作用下，绕组的尺寸或形状发生不可逆的变化。它包括轴向和径向尺寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等，严重威胁着电力系统的安全运行。如果及时发现变压器的事故隐患，能避免事故的发生，最大程度的减少损失。所以对变压器绕组变形检测的研究，有着非常重要的意义。本文在比较深入的研究国内外变压器绕组变形检测基本理论和检测方法的基础上，基于频率响应法，研究和设计了变压器绕组变形检测仪。论文首先研究了国内外目前在电力变压器绕组变形测试中三
8、种基本方法低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法,对其优缺点进行比较，确立频率响应法作为本课题变压器绕组检测的基本方法，在此基础上，基于DDS技术、USB技术、蓝牙技术,EDA技术、LABVIEW技术设计了变压器绕组变形测试仪。在扫频信号的产生上，采用DDS技术，扫频信号频率控制方便，精度高；在上位机和下位机的通讯中，采用USB技术，实现电压幅值/频率信号数据的高速传输；作为辅助通讯方式，采用蓝牙技术实现上下位机数据的无线传输；采用EDA技术及PLL技术，实现高速采样控制信号的产生；采用高速ADC实现幅值电压信号的高速A/D转换；采用LABVIEW技术，实现变压器幅频特性的图形化显示。论文基于设计
9、的硬件系统，编写了上位机和下位机应用软件，并且重点对动态链接库的编写、FFT算法这几个关键部分作了详细说明。论文完成的变压器绕组变形仪图形分析方便，易于升级和扩展，模拟实验表明，能够满足设计要求。关键词变压器；绕组变形；频率响应；FFT；USB；LABVIEW变压器绕组变形检测装置研究与设计IIABSTRACTPOWERTRANSFORMERISONEOFTHEIMPORTANTEQUIPMENTTHESTABILITYOFTHESAFEOPERATIONOFPOWERSYSTEMSISESSENTIALPOWERTRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONMEANSTHATTH
10、EWINDINGOFTHESIZEORSHAPEOFIRREVERSIBLECHANGESUNDERTHEELECTRICPOWERANDTHEROLEOFMECHANICALFORCEITINCLUDESAXIALANDRADIALSIZECHANGESTHESEREASONSAREASERIOUSTHREATTOTHESAFEOPERATIONOFTHEELECTRICPOWERSYSTEMIFYOUDISCOVERHIDDENDANGERSOFACCIDENTSTRANSFORMEREARLY,ITWILLTOAVOIDACCIDENTS,THEGREATESTDEGREEOFREDUC
11、TIONOFLOSSESSOTHEDETECTIONOFTRANSFORMERWINDINGDEFORMATION,HASAVERYIMPORTANTSIGNIFICANCERESEARCHINGINDOMESTICANDINTERNATIONALBASICTHEORYOFDETECTINGTRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONANDTHEDETECTIONMETHOD,THENBASINGONTHEFREQUENCYRESPONSEMETHODRESEARCHEDANDDESIGNEDTHETRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONAPPARATUSINT
12、HEPAPER,FIRSTLYREASERCHEDCURRENTLYTHREEBASICTESTINGMETHODSABOUTDOMESTICANDINTERNATIONALPOWERTRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONITINCLUDESLOWVOLTAGEIMPULSEMETHOD,SHORTCIRCUITIMPEDANCEANDFREQUENCYRESPONSEMETHODCOMPAREDADVANTAGESANDDISADVANTAGESANDTHENCHOOSINGTHEFREQUENCYRESPONSEMETHODFORDETECTINGTRANSFORMER
13、WINDINGINTHISBASIS,BASEDONDDSTECHNOLOGY,USBTECHNOLOGY,BLUETOOTHTECHNOLOGY,EDATECHNOLOGY,LABVIEWTECHNOLOGYDESIGNEDTRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONAPPARATUSINTHESWEEPSIGNALGENERATION,USINGDDSTECHNOLOGYANDSWEEPFREQUENCYCONTROLSIGNALMADETHEPRECISIONMOREHIGHINTHECOMMUNICATIONS,THEUSEOFUSBTECHNOLOGY,ACHIEVED
14、VOLTAGEAMPLITUDE/HIGHFREQUENCYSIGNALDATATRANSMISSIONINAHIGHSPEEDASANAUXILIARYMEANSOFCOMMUNICATIONWITHBLUETOOTHTECHNOLOGYFORWIRELESSTRANSMISSIONUSINGEDATECHNOLOGYANDPLLTECHNOLOGYTOACHIEVEHIGHSPEEDSAMPLINGCONTROLSIGNALGENERATIONUSINGLABVIEWTECHNOLOGY,DISPLAYAMPLITUDEANDFREQUENCYCHARACTERISTICSOFTRANSF
15、ORMERINGRAPHICSINTHISPAPER,BASEDONTHEDESIGNOFTHEHARDWARESYSTEM,PROGRAMEDAPPLICATIONSOFTWARE,ANDDESCRIBEDTHEDYNAMICLINKLIBRARY,FFTALGORITHM,LABVIEWPLATFORMDATAPROCESSINGINDETAILTHEAPPARATUSOFTRANSFORMERWINDINGDEFORMATIONHASREASONABLESTRUCTURE,ISCONVENIENTTOANALYSEBYGRAPHICSANDEASYTOUPGRADEANDEXPANDSI
16、MULATIONRESULTSSHOWTHATMEETTHEDESIGNREQUIREMENTSKEYWORDSTRANSFORMERDEFORMATIONOFWINDINGFREQUENCYRESPONSEANALYSISFFTUSBLABVIEW硕士学位论文III插图索引图21单相变压器绕组的简化等值电路5图22低压脉冲法6图23差分原理接线图6图24低压脉冲发测试原理框图7图25变压器绕组变形监测装置主接线图8图26事故前9图27事故后9图31系统的组成及原理方框图13图32AD9850内部原理图14图33AD9850的并行接口电路图15图34电压放大电路15图35滤波电路16图36带宽
17、放大器模块16图37功率放大模块17图38AD9226外围电路18图39A/D采样转换控制信号产生电路19图310采样转换控制信号的波形仿真19图311FIFO模块20图312FIFO时序图20图313CY7C68013内部结构21图314USB接口电路23图315蓝牙系统的基本功能单元25图316BTM4504C1H原理图25图41固件程序流程图28图42USB芯片的程序流程图31图43驱动程序的设计流程图35变压器绕组变形检测装置研究与设计IV图44调用库函数节点44图45调用MYDLLDLL44图46OPENDEVICE子函数模块45图47CY7C680_CLOSEDEVICE子函数模块
18、45图48CY7C680_READ子函数模块45图49蝶形运算符48图410N点DFT的一次时域抽取分解图48图411将N/2点DFT分解成两个N/4点DFT的蝶形运算图49图412数据采集系统的组成结构51图413数据采集VI51图414频率响应VI52图51单相绕组匝间短路时测得的频率响应特性曲线53图52单相绕组线圈鼓包后测得的幅频响应特性曲线54图53遭受突发性短路电流冲击前后测得的频率响应特性曲线54硕士学位论文V附表索引表21相关系数的参考数据11表41常用的分发例程35表42直接计算DFT和FFT算法运算量的比较50硕士学位论文1第1章绪论11引言电力变压器在运行过程中不可避免地
19、要遭受各种故障短路电流的冲击。一旦短路故障发生在变压器出口附近，如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等变形现象，严重时甚至导致突发性损坏事故。变压器在遭受短路故降电流冲击后，绕组发生局部变形，即使没有立即损坏，也有可能留下严重的故障隐患1绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，导致发生局部放电。当遇到雷电过电压作用时，便有可能发生匝间、饼间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用而发生绝缘击穿事故。2绕组机械性能下降。当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生损坏事故。因此，开展变压器绕组变形测试工作，及时发现有问题的变压器，对防
20、止变压器事故的发生有重要的作用。12设计变压器绕组变形检测装置的意义变压器绕组变形后，有的会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度和部位。显然，这种变压器是带“病”运行，具有故障隐患。这是因为1绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生。当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用，绝缘损伤部位逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故1。例如，某台180MVA、220KV的电力变压器，低压侧短路后，用常规试验方法没有发现问题，投入运行4个月后突然发生损坏事故。2绕组机
21、械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。例如，某台250MVA、500KV的电力变压器，低压侧遭短路冲击后，常规实验没有发现任何现象，投入运行后1年，在一次短路事故中损坏。3累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。例如，某台315MVA、110KV的电力变压器，在运行的7年中，10KV侧曾遭受多次冲击，经吊罩检查发现其内部绕组已存在严重变形现象。若不是及时发现绕组变形，很难说这台变压器在什么时候发生事故。变压器绕组变形检测装置研究与设计2再如，某电厂的一台63000/110升压变压器，发生短路后速断保护跳
22、开三侧断路器，经预防性试验合格再投运1个月后，油中特征气体增长。停运检修发现35KV绕组已整体变形，包括10KV绕组多处有露铜，导线有烧融现象。因此，对于绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以，在有的所谓“雷击”或“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形的故障因素。我国电力部门制定的反事故措施中也明确规定，变压器出口短路或近区短路后，应该进行绕组变形试验。一定要防止电力变压器在经历出口短路或近区短路后，未经任何试验和检查就试投。我国部分省市的电力
23、公司也要求110KV及以上变压器在交接时应该进行绕组变形试验以判断变压器在运输及吊装过程中，有无造成绕组的移位和变形。及时发现那些变形较严重但却仍在运行着的变压器，并有计划地进行吊罩检查和检修，对于防止变压器损坏事故的发生，有重要的作用。为此目前世界上许多国家都在积极开展变压器绕组变形的诊断工作，有些国家如意大利甚至把绕组变形的诊断，当成了变压器预防性试验项目。当制造厂没有提供有关绕组变形的原始图谱时，交接时测量所得数据也可以当作被测绕组的原始资料。所以研究并设计变压器绕组变形检测装置，测量这些数据有着非常重要的实际意义。方便在以后的运行过程中，发生故障时，作为绕组有无变形及其变形程度如何的判
24、断依据。13国内外研究现状目前变压器绕组变形测试仪在电力系统应用广泛。国内市场有相关的产品供应，进口产品以瑞典PAX公司为代表，其频率范围达到1HZ10MHZ、动态检测范围达到120DB20DB且测量精度小于05DB。目前国产变压器绕组变形测试仪有三种型号，分别是武汉高压电器研究所、华北电力科学研究院华北中试所、北京电力科学研究院三家生产的。每套价格2527万元左右，而进口每套需45万元。目前用的较多的是北京电力科学研究院生产的TDT型变压器绕组变形测试仪，其扫描频率范围达到1KHZ2MHZ、动态检测范围达到100DB20DB且测量精度为1DB。其他一些公司例如武汉市国力电气设备有限公司的GL
25、RZBX变压器绕组变形测试仪、上海国试电力科技有限公司的GBR1000型变压器绕组变形测试仪、保定市金威电力仪器有限公司的JW3000型变压器绕组变形测试仪、武汉恒威国电电力设备有限公司的HWBR绕组变形测试仪、国电西高的GDRBII绕组变形测试仪、中国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的BRZ1800变压器绕组变形测试仪均硕士学位论文3能达到以下标准扫描方式采用线性分布的扫频测量方式；扫频测量频点1K2MHZ可选，测量点数1000点；扫描频率精度信号源输出正弦信号的频率精度不大于001；测量精度1DB；信号输出为标准正弦波，幅度软件自动调节，最大幅度10V，输出阻抗为50；采集通道，采集激励
26、信号，采集相应信号；测量动态范围宽100DB20DB；采集通道输入阻抗1M；量化精度12位；扫描测量范围1KHZ2MHZ；其中武汉市国力电气设备有限公司和武汉恒威国电电力设备有限公司生产的绕组变形测试仪其测量精度能达到01DB，但是这两个公司的通道最大存储容量不足，致使数据传输时间变长。上海国试电力科技有限公司和保定市金威电力仪器有限公司的变压器绕组变形测试仪的测量点数不到2000点，致使测量结果不精确。国电西高的绕组变形测试仪测试精度不高，通道最大存储量也不足。中国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的变压器绕组变形测试仪也存在精度不高的问题。精度高，测量点数多，必然会出现数据传输时间长、上位
27、机数据处理时间长的问题。以上公司生产的变压器绕组变形测试仪，对一台高、中、低绕组的电力变压器进行绕组变形测量，总需时间大都在10分钟以上。综合看来，进口产品稳定性和重复性好，但价格昂贵且精度不高。而国产产品，可重复性差、抗干扰能力差，导致现场测量的结果不准确，达不到国外水平，因此其总体性能还有待提高。基于此种情况，本课题在深入研究国内外在变压器绕组变形测试方面的相关理论和测量技术的基础上设计出一种新型的变压器绕组变形检测装置。力图达到测试系统精度高、速度快、运行可靠，且成本低的目的。14研究的内容针对目前国内外的情况，研究目前变压器绕组变形检测仪的存在的缺点。对这些缺点改进后，设计了一种新型的
28、变压器绕组变形检测装置，基于此需要做的工作有以下几点（1）研究导致变压器绕组变形的原因，分析在不同形变的情况下在不同的变压器绕组变形检测装置研究与设计4频率段其绕组表现出的等效电阻、等效电感、等效电容，并研究该频段下其频响曲线的变化情况。（2）研究国内外测量变压器绕组变形的方法，然后比较这些方法的优缺点并研究这些方法的可行性。最终确定本课题选用的测量方法并对该方法进行深入研究。（3）以已选用的测量方法为理论基础设计绕组变形检测装置的硬件系统框架，根据测试指标设计并优化配置硬件系统中的各个电路模块，然后对各个模块进行模拟实验验证其可靠性及准确性，最后通过联调确定整个电路系统。（4）编写下位机与上
29、位机通讯的接口程序（动态链接库DLL）。在LABVIEW软件平台下通过调用该动态链接库,就可以实现LABVIEW软件与USB设备通讯。首先需要的是编写USB驱动程序，然后结合WIN32函数利用VISUALC软件编译生成LABVIEW可调用的动态链接库。（5）动态链接库程序编写好后，在LABVIEW平台下编写上位机数据采集程序并调用该动态链接库就可以把数据从USB设备中取出。把取出的数据送到上位机数据处理程序，由此程序计算在不同频率点的幅频值然后绘制整条幅频曲线。（6）实验中，用已知故障情况下的变压器做样本，检测此变压器的幅频曲线，比较其投入使用前的幅频曲线和其故障后的幅频曲线，分析数据结果并验
30、证变压器绕组变形检测装置的测试速度及准确性。硕士学位论文5第2章变压器绕组变形的测试方法21引言国电发20003598号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中，明确把绕组变形检测实验列入变压器出厂、交接、和发生短路事故后的必试项目。因此对变压器绕组变形检测方法展开研究是设计本课题的前提2。22国内外测量方法目前，世界各国都在积极开展电力变压器绕组变形的诊断工作，有些国家如意大利甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置。我国在电力设备预防性规程中推荐了变压器出口短路后测试绕组变形的方法。目前，电力变压器绕组变形的诊断方法如下低压脉冲法、短路阻抗法、频率响应法。221低压脉冲法当频率超
31、过1KHZ时，变压器铁芯基本上不起作用，每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感和电容等分布参数组成的无源线性二端口网络，如图21所示。低压脉冲法就是利用等值电路中各个小单元内分布参数的微小变化造成波形上的变化来反映绕组结构匝间、饼间相对位置上的变化34。当外施脉冲波具有足够的陡度并使用有足够频率响应的示波器，就能把这些变化清楚地反映出来。测试时，可采用持续时间很短的脉冲波形，如01/5、03/15、01/10US，重复脉冲发生器输出501250V脉冲电压，重复频率为1000次/S或更高一些。将脉冲电压施加于电力变压器高压低压绕组，低压高压绕组三相并联在一起经一个电阻1750接地，用电子示波器进行
32、测量。其原理接线图如图22所示。L0L0L0L0L0L0K0K0K0K0K0K0C0C0C0C0C0C0U0图21单相变压器绕组的简化等值电路L0单位长度电感；K0长度纵向电容；C0单位长度对地电容测量接线有电压接线法、电流接线法和差分接线法等。其中差分接线法具有更高的灵敏度，其原理接线图如图23所示。变压器绕组变形检测装置研究与设计6ABCABC旁侧低压侧测量仪器重复脉冲发生器R图22低压脉冲法2050A重复脉冲放大器5050SBM10型脉冲示波器差分放大器A重复脉冲放大器5050SBM10型脉冲示波器差分放大器BCBC（A（B图23差分原理接线图低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的
33、变形故障。但要求测试仪器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，还要保持测量的可重复性。低压脉冲法是波兰的W李奇LECH和L塔米斯基TYMINSKI于1966年提出的，后来英国和美国又对其改进，主要用于确定变压器是否通过短路试验，现已被列入IEC及许多国家的电力变压器短路试验导则和测试标准中。随着计算机技术及数字存储技术的发展，将时域信号以数字形式记录，并传输给计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。例如对数字形式的信号可进行平滑、滤波、频谱分析、相关分析及传递函数分析等。这些手段的引入较之单纯的时域分析能更有效地提取信号特征，更准确地对信号畸变的原因给出判断。基于上述
34、思想，西安交通大学等单位对传统的低压脉冲法进行了改进，组成了以计算机为中心的低压脉冲法绕组变形测试系统，其测试原理框图如图24所示。其中低压脉冲源产生幅值800V、前沿025US、半幅宽25US的单极性脉冲电压信号。数据采集单元为两通道、8位、20M/S采样宰的数据采集板，直接插在PC机扩展槽内，对施加在变压器绕组上的低压脉冲信号及响应信号进行记录，并将数据传输给计算机。计算机软件对采集到的输入、输出信号进行处理、分析，并将信号曲线进行显示或以硬拷贝形式输出。硕士学位论文7低压脉冲源数据采集单元PC机变压器UIUO图24低压脉冲发测试原理框图222短路阻抗法短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，
35、它主要是测量电力变压器绕组的短路阻抗，与原始阻抗值进行比较，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度。前苏联曾用此法检验出几十台330KV及以下电力变压器绕组变形缺陷。我国镇江供电局曾用此法检查出一台发生过出口短路接地的OSFPSZ7120000/230型主变压器的绕组变形。测试时以单相工频低电压来测量各相对绕组间的漏抗。5个绕组自铁芯向外排列为三角形连接的稳定绕组；385KV星形连接的低压侧绕组；121KV星形连接的中压侧绕组；230KV高压侧串联绕组带调压抽头中一个通电流，一个短路，其余均开路稳定绕组为三角形连接无法断开。测试结果表明，
36、B、C两相与中压绕组成对的绕组间的阻抗电压UX都有了明显的变化，由测试结果进一步分析确定为B相与C相中压绕组产生了压缩变形。若以A相各对绕组的UK为基准，与B、C两相对应的各对绕组的UK作比较，中压绕组与串联绕组间包括调压绕组UK值B相增加了4，C相增加了8；与低压绕组B相减少了972，C相减少了17；与稳定绕组间UX值B相减少了7，C相减少了108。可见B相与C相中压绕组产生了压缩变形，致使它与外侧的高压串联绕组问的油隙增加，而与内侧的低压绕组与稳定绕组间的油隙减小。低压绕组与高压串联绕组之间及稳定绕组之间的UK的数值无变化，可以判断为这三相绕组未发生变形。这种方法的优点是（1）测试程序简单
37、，并经多年实用，也得出了公认的定量判据，已被列入标准GBL0945或IEC765中。多年来，意大利还把漏抗试验用MAKWELL电桥作为例行预防性试验，每3年做一次。（2）重复性很好，对变形的评估可靠性甚高。绕组无变形的变压器，1020年的测试结果相差不到02；当差别达到25时，需缩短测试周期并作绝缘检查；当相差超过5时，立即停运，做绝缘检查。此方法的缺点是，当绕组变形较小时，短路阻抗变化不大，难以确认，此时应采用多种方法测试，进行综合分析比较，以正确判断。除上述方法外，电力设备项防性试验规程还推荐油中溶解气体分析、测量绕组直流电阻、测量空载电流和损耗等方法。变压器绕组变形检测装置研究与设计82
38、23频率响应分析法为了克服低压脉冲法的一些缺陷，1978年加拿大的EP迪克DICK和CC伊尔温ERVEN提出了频率响应分析FRA法，并在世界各国获得了较为广泛的应用。频率响应分析法的原理是基于变压器的等值电路可以看成是共地的二端口网络。该二端口网络的频率特性可以用传递函数HFU0F/UIF来描述5。这种用传递函数描述网络特征的方法称为频率响应分析法。由于每台变压器都对应有自己的响应特性，所以绕组变形后。其内部参数变化将导致传递函数的变化。分析和比较变压器的频率响应特性，就可以发现变压器绕组是否发生了变形。因此，绕组变形前的频率响应特性是分析和比较的基础67。图25给出了某研究院研制的变压器绕组
39、变形测试装置主接线。测量时，首先由计算机发出命令，让扫描发生器单元输出一系列频率的正弦波电压，加到被试变压器上。同时，让双通道分析单元分析、处理信号，并传送到计算机存贮起来，待试验数据采集完毕后，计算机判断被试变压器有无绕组变形，并以屏幕显示或绘制被试变压器频率响应特性曲线。便携式计算机绘图仪扫描发生器单元双通道分析单元被测变压器图25变压器绕组变形监测装置主接线图运行中的变压器在用频率响应分析法测试前，需将被试变压器隔离，并将所有套管上的母线拆开，这是为了把随变压器安装位置的不同及不平衡母线电容的影响降到最小。用适当长度的电阻为50欧姆的同轴电缆将频响仪和变压器连接起来，所有电缆都匹配到它们
40、的特性阻抗，以减少反射8。测量被试变压器高压绕组的频率响应特性时，对星形接线，频响仪的输出电压加在高压绕组中性点与箱壳接地线之间，测量任一高压绕组端子对地电压与输出电压之比得到响应。对三角形接线，则频响仪的输出电压施加在任意线端上。根据实测结果，扫频范围以10KHZLMHZ为宜。高于1MHZ时，分布网络参数主要由电容决定，进入线性范围9。该研究院已用上述测试装置对百余台电力变压器进行测试。实测表明，它能有效地检出变压器绕组变形。图26给出某台315MVA、35KV电力变压器事故前后的频率响应特性曲线。由图27可见，事故前，低压绕组三相的频率响应特性完全一致。由图27可见，近距离短路事故后，三相
41、低压绕组的频率响应特性曲线硕士学位论文9一致性很差，然而该变压器的电气试验和色谱分析结果均属正常。但为了防止发生突发性事故，决定解体检查，检查后发现低压绕组已严重变形。这种测试装置的优点是抗干扰能力强，测量重复性好，灵敏度高和操作方便。每台变压器的频率响应特性测试可在2个小时内完成。应当指出，这种方法在目前使用中，由于缺少原始试验记录，常用三相绕组的频率响应特性相互比较来做判断，因此，判据的确定需要一定的经验，也存在一定的不确定性。如普遍采用此方法后，建立原始“指纹”库，当对变压器绕组变形有怀疑时，可以与原有“指纹”比较，得到比较确切的判断。图26事故前图27事故后23课题选用的测量方法低压脉
42、冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，保持测变压器绕组变形检测装置研究与设计10量的可重复性10。短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，存在着测试精度和灵敏度不高的缺陷。频率响应分析法克服了上述两种方法的缺陷，信噪比好，在整个测量的频段上有相等或近似相等的精度1112；获得的频率范围更宽；测量需要的设备少，特别是数字信号处理技术的发展，极大地提高了测量的精度和准确度。同时借助于等效模型参数辨识进一步提高了诊断的准确性。因此针对这一具体研究，本文采用频率响应分析法手段，达到快速、准确判断绕组变形的目的。24频率响
43、应法的辅佐性判断方法变压器绕组的幅频响应特性曲线中通常包含多个明显的波峰和波谷，经验及理论分析表明，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析变压器绕组变形的重要依据1314。为了便于测量分析，将频率段分为低频段、中频段和高频段。（1）幅频响应特性曲线低频段（1KHZ100KHZ）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移动。对于绝大多数变压器，其三相绕组低频段的响应特性曲线应非常相似，如果存在差异
44、则应查明原因。（2）幅频响应特性曲线中频段（100KHZ600KHZ）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。在该频率范围内的幅频响应特性曲线具有较多的波峰和波谷，能够灵敏地反映出绕组分布电感、电容的变化。（3）幅频响应特性曲线高频段（600KHZ）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的对地电容改变，可能存在线圈整体移位或引线位移等情况1516。频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主1718。依据所分的频率段，在不同的频率段上计算各段的相关系数，根据相关系数可以辅佐判断变压器绕
45、组变形的程度。设有两个长度为N的传递函数幅度序列XK、YK，K0,1，N1，且XK、YK为实数，相关系数R可按照下列公式计算。计算两个序列的标准方差硕士学位论文112110011NNXKKDXKXKNN（21）2110011NNYKKDYKYKNN（22）计算两个序列的协方差111000111NNNXYKKKDXKXKYKYKNNN（23）计算两个序列的归一化协方差系数/XYXYXYLRCDD（24）按照如下公式计算出符合工程需要的相关系数XYR10LG1XYXYLRR（25）根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准供的相关系数的参考数据，如表21所示。计算不同频率
46、段上的相关系数通过查表21，便可知变压器是否变形以及变形程度。表21相关系数的参考数据绕组变形程度相关系数R严重变形06LFR明显变形1006LFR或06MFR轻度变形2010LFR或0610MFR正常绕组20LFR和10MFR和06HFR注LFR为曲线在低频段1KHZ100KHZ内的相关系数；MFR为曲线在中频段100KHZ600KHZ内的相关系数；HFR为曲线在高频段600KHZ1000KHZ内的相关系数。25本章小结本章主要介绍了国内外测试绕组变形的几种方法，并对这几种方法进行了比较，确定了测试变压器绕组变形的最佳方案，并对这种方案进行了较为详细的分析。本章最后还介绍了一种辅佐性判断绕组
47、变形的方法。变压器绕组变形检测装置研究与设计12第3章变压器绕组变形检测装置硬件设计31引言本章基于CY7C68013设计了变压器绕组变形检测装置，并详细介绍了该系统的具体硬件实现方案以及关键部分的设计方法，并通过模拟实验验证变压器绕组变形检测装置中的各个模块是否达到测试指标19。32研究内容321测试指标根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准，结合技术条件，确定本课题实现的绕组变形测试仪的参数如下（1）测量频率范围1KHZ2MHZ；（2）扫频检测方式采用线性分布的扫频检测方式；（3）扫描频率精确度信号源输出正弦波信号的频率精确度应不大于001；（4）扫描频率间隔
48、扫描频率的间隔应小于2KHZ；（5）阻抗匹配方式检测仪器应具备一个正弦波激励信号输出端和两个独立的信号检测端。其中，正弦波信号源US的输出阻抗RS应为50，且输出端应通过同轴屏蔽电缆直接与被测变压器绕组的激励端连接；两个独立信号检测端的输入阻抗不应低于1M，且应通过同轴屏蔽电缆分别连接到被测变压器绕组的激励端和响应端，并在被测绕组的响应端连接50的匹配电阻R；（6）所使用的同轴屏蔽电缆的波阻抗应为50，电缆长度宜为15M20M；（7）检测精确度检测仪器应具备L00DB20DB的动态检测范围，且在80DB2ODB范围内的检测精确度应小于1DB；（8）选频滤波特性检测仪器应具备选频滤波功能，通频带
49、的宽度应小于选频滤波器中心频率的5；（9）数据存储格式应采用纯文本格式保存检测数据，以便数据的传递和比较；（10）输出电压10VPP（50）；（11）模拟输出通道数1；（12）模拟输入通道数2；（13）采样频率50MSPS。322系统设计硕士学位论文13根据确定的测量方法和规定的指标，系统的组成及原理方框图如图31所示。基于DDS技术的扫频信号调理电路试品A/D1FIFO1基于DDS技术的A/D控制信号调理电路A/D2FIFO2MCUUSB蓝牙PCCPLD调理电路图31系统的组成及原理方框图根据频率响应传递函数HF20LOGVOF/VIF，设计的硬件系统原理方框图如图31所示。根据信号的流向，先来介绍上路首先由系统中基于DDS技术的扫频信号电路产生正弦波扫频信号，此正弦波信号最大输出电压为15V，达不到测量指标的要求，且在5V电源供电情况下的功率为380MW。其驱动能力低，需要经过功率放大器放大才能作为变压器的输入测量信号，然后把此测量信号加到变压器的任一绕组的一个端口，再分别测量该绕组两个端口的对地电压VOF、VIF。变压器两个端口的对地电压数据分别用两片12
