基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析【毕业设计】.doc

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1、 ( 20_ _届) 本科毕业 设计 基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在电力系统的各种设备中,变压器是比较昂贵且很重要的设备之一,其安全运行 将直接影响供电的安全 。 变压器在运 输和安装过程中受到冲撞或在运行中发生突然短路等可能使绕组发生变形。变压器的抗短路能力已成为衡量变压器的重要指标 ,是保障电网中、低压系统安全运行的必要条件。 为了及时发现变压器的事故隐患、避免突发事故、提高变压器运行的安全可靠性,开展变压器绕组诊断方法的研究具有十分重要的意义。 频响分析法作为变压器绕组变

2、形检测的一种较有用的方法,已经在国内外得到了广泛运用。频响分析法在实际应用中,一般都是比较频谱曲线之间的差异,并对检测结果进行纵向或横向比较来判断绕组是否变形,却还没有固定的尺度和判据来衡量变形程度和位置。因此 ,虽然应用比较普遍,但是分析和诊断技术却发展缓慢。此论文的主要目的是研究变压器的频谱曲线,进一步分析和诊断变压器绕组匝间短路故障。 论文的第一章对目前国内外所使用的变压器绕组短路检测方法以及它们的优缺点进行了分析,然后对频响分析法的发展趋势进行了预测。 第二章讲述 频率响应分析法的原理和测量系统。 第三章讲述 绕组变形分析判断方法, 用相关系数 R判断变压器绕组变形 以及相关系数 R的

3、计算 和分析。 第四章讲述信号的频率响应分析,根据获取的正常绕组和各种匝间短路故障频率响应测试信号绘制频谱曲线,用 MATLAB 计算分析变 压器绕组的频率响应,获取相应的曲线。 第五章讲述用相关系数法定量描述曲线的相似程度,进行匝间短路故障分析。 关键词: 变压器,频响分析法,绕组变形,短路故障 II Frequency Response Analysis Method Based on Winding Transformer Fault Analysis Abstract A variety of devices in the power system, the transformer i

4、s relatively expensive and one of the devices is very important, and its power supply will directly affect the safe operation of the security. Transformer in the transport and installation process by the collision or sudden short-circuit in operation, which may make the winding deformation. Transfor

5、mer short circuit capacity has become an important indicator to measure the transformer is to protect the power grid, the low pressure system a necessary condition for safe operation. Transformer in order to detect potential causes of accidents, to avoid unexpected accidents, improve safety and reli

6、ability of transformer operation, to carry out diagnosis of transformer winding has very important significance. Frequency response analysis method for detecting transformer winding deformation of a more useful approach has been to promote the use at home and abroad. Frequency response analysis in p

7、ractical applications, are generally more differences between the spectrum curve, and the results were compared to determine the vertical and horizontal deformation of winding is, still there is no fixed scale and criteria to measure the extent and location of deformation . Thus, while the more comm

8、on applications, but the analysis and diagnosis technology has developed slowly. The main purpose of this paper is to study the spectral curve of the transformer, and further analysis and diagnosis of short circuit between the windings of the transformer. The first chapter on the current transformer

9、 windings used in domestic and short-circuit test methods and their advantages and disadvantages are analyzed, and frequency response analysis of the trend is predicted. The second chapter describes the principle of frequency response analysis and measurement system. The third chapter describes the

10、method for winding deformation analysis to determine, with the correlation coefficient R of transformer winding deformation and determine the correlation coefficient R, calculated and analyzed. The fourth chapter describes the signal frequency response analysis, according to III the normal winding a

11、nd access to a variety of inter-turn short circuit fault test signal to draw the frequency response spectrum curves calculated and analyzed using MATLAB frequency response of transformer winding to obtain the corresponding curve. The fifth chapter describes quantitatively described with a correlatio

12、n coefficient of the similarity of the curve, the turn to turn short circuit fault analysis. Keywords: Transformer, Sweep frequency response analysis (SFRA), Winding deformation, Short-circuit fault IV 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 5 1.1变压器绕组变形检测的意义 . 5 1.2变压器绕组变形的检测方法 . 5 1.2.1 短路阻抗法 . 6 1.2.2 低压

13、脉冲法 . 6 1.2.3 频响分析法 . 7 1.3国内外频响分析法检测变压器绕组变形的发展 . 8 1.3.1 国内外的发展现状 . 8 1.3.2 频响分析法检测变压器绕 组变形的难点 . 9 1.4课题研究的主要内容和目的 . 10 2频率响应分析法的原理和测量系统 . 11 2.1频率响应分析法的原理 . 11 2.2频率响应的测量系统 . 11 3绕组变形分析判断方法 . 13 3.1频谱曲线的分析判断方法 . 13 3.1.1 纵向比较法 . 13 3.1.2 横向比较法 . 14 3.2用相关系数 R判断变压器绕组变形 . 14 3.2.1 相关系数 R的计算 . 14 3.2

14、.2 相关 系数 R的分析 . 15 3.3 频谱曲线频段划分和分析 . 15 4实验 频率响应信号的测量和频谱图的绘制 . 16 4.1根据获取的 正常绕组频率响应测试信号绘制频谱曲线 . 16 4.2根据获取的 两个匝间短路故障的绕组频率响应测试信号绘制频谱曲线 16 4.3 MATLAB计算分析变压器绕组的频率响应,获取相应的曲线 . 18 5 实验绕组匝间短路故障分析 . 20 5.1相关系数法分析 . 20 5.2信号时域分析 . 21 5.3频谱图分析 . 23 结论 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 错误 !未定义书签。 基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 5

15、1 绪论 1.1 变压器绕组变形检测的意义 在电力系统的各种设备中,变压器是比较昂贵且很重要的设备之一,其安全运行 将直接影响供电的安全 。有关变压器的历年统计资料均表明,其绕组是发生故障较多的部件之一,变 压器内部短路故障占现代电力系统故障的 70% 80%。 从解体检查情况看,绝大部分是由绕组变形引起的 1。 变压器在运 输、安装过程中受到冲撞或在运行中发生突然短路等可能使绕组发生变形。在其遭受过电压或再次遭受冲击时将破坏、影响电力系统的安全运行 。 随着电网容量的日益增大,短路容量亦随之增大,短路故障造成的变压器损坏事故呈上升趋势。短路故障发生后 ,故障绕组会产生很大的短路电流 ,发热量

16、等各种损耗加大 ,反过来破坏绝缘 ,引起变压器损坏。 变压器在运行过程中难免会受到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的附近,绕组将承受巨大的不均匀的轴向和径向电动力的作用,严重时甚至会导致突发性损坏事故 ,国内许多大型变压器事故都是由于 变压器低压侧短路造成的 5。变压器的抗短路能力已成为衡量变压器的重要指标 ,是保障电网中、低压系统安全运行的必要条件。目前进行变压器绕组变形检测到受国内外广泛关注,己经成为变压器安全运行的重大研究课题。 为了及时发现变压器的事故隐患、避免突发事故、提高变压器运行的安全可靠性,开展变压器绕组诊断方法的研究具有十分重要的意义 4。 1.2 变压器

17、绕组变形的检测方法 对于新安装的和故障后的变压器,一般需要进行绕组的变形检测。目前,我国通常采取出厂前检验、现场安装后检验、运行期间进行常规检测和故障后的全面检测等方式 。变 压器绕组变形的检测方法主要有低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法 。每一种方法都有各自的优点和缺点。而 短路阻抗法与频率响应法在实际中运用普遍 , 特别是频率响应法在电力系统中已经应用了多年 , 积累了不少经验 ,技术上渐渐成熟。但在实际使用中仍存在许多不稳定因素 , 解决上述问题需要设备研究人员不断提高技术水平和总结经验 , 才能提高频响法对变压器绕组变形分析判断力。 目前,各种绕组变形检测方法都没有通用的状态量对绕组的

18、状态进行描述和判断,都是依据各自的测量理论基础,使用相应的经验和判断的标准来进行最后的绕组变形程度和变 形位置的判断。国内外对变压器绕组变形的检测进行了大量的研究,并逐步形成了以下几种比较成熟的检测方法。 基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 6 1.2.1 短路阻抗法 变压器的短路阻抗是指变压器的负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗,反映了绕组之间或绕组和油箱之间漏磁通形成的感应磁势。 变压器绕组通过电流时 , 磁路中会产生漏磁通 , 从而产生漏电势 。 漏电势的大小主要由绕组尺寸 、 匝数 、 额定相电流 、 频率 、 每匝电势等决定 , 而漏电抗的大小则取决于漏电势的大小 。

19、因此 , 绕组发生变形后 , 其几何尺寸的变化引起漏电抗的变化 ,从而引起漏电势的变化 。 又因为变压器绕组电阻的压降很 小 , 电抗压降即可认为就是阻抗电压 , 故便可以通过测量阻抗电压的变化来判定变压器绕组的变形程度 。 短路阻抗法最早由苏联提出,该方法的基本思想就是基于测试变压器绕组中漏感的变化,其原理接线如图 1-1 所示。其中 A 为电流表, V 为功率表,绕组的高压侧接到工频交流电源上,低压 侧短接。利用测得的电流和电压值即可计算出绕组的短路阻抗 (漏抗 )值。通过比较变压器绕组变形前后的短路阻抗值,即可判断绕组是否发生变形或位移。 图 1-1 短路阻抗法测试绕组变形接线图 这种方

20、法测试程 序简单 , 经多年应用 , 已经有了公认的定量判据 , 重复性很好 , 可靠性高 , 但是该方法灵敏度太低,且需动用沉重的试验设备和大容量的试验电源,试验时间较长,难以推广使用,误判率较高。 另外当绕组变形较小时 ,阻抗电压变化不大 , 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 。 1.2.2 低压脉冲法 变压器绕组在高频率的电压作用下,其铁芯的磁导率很小,绕组可以看作是一个由线性电阻、电容、电感等组成的无源线性分布参数网络,其等效电路如图 1-2所示。其中, L为饼间电感, K为纵向电容, C为对地电容。 调压器 测 试 电 源 HV LV 变压器试

21、品 基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 7 图 1-2 变压器绕组的等效电路 低压脉冲法最早由由波兰提出。该方法的原理是在变压器绕组的一端使用稳定的低压脉冲信号,并且同时记录该端子和其它端子的电压波形,通过将时域中的激励与响应做比较,可对绕组的状态做出比较正确的判断。当变压器的绕组发生变形时,相应部分的电容、电感等参数都会发生改变。 低压脉冲法能灵敏 、 准确地反映绕组轴向和径向的变形故障,具有测量灵敏度高 ,仪器操作简单 ,数据直观, 携带方便的特点 。 但目前现场低压短路测量的设备,电流太小,再加上现场干扰等问题,导致 设备测试结果不确定度较高。 可重复性较差,且对绕组首端位置

22、的故障响应不灵敏,较难判断绕组变形位置 1.2.3 频响分析法 频响分析法最早是由加拿大的 E.P.Dick 和 C.C.Erven提出并使用的。其工作原理为, 在较高频率的电压作用下 , 变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻 、 电容 、 电感 、 互感等分布参数构成的无源线性双口网络 (电阻很小,可忽略不计 ),其等效电路如图 1-2所示。 其内部特性可通过传递函数 H(jw)描述。变压器结构一定时,变压器绕组的参数和函数曲线也就随之确定,当变压器内部发生变化时,其绕组的分布参 数就会发生改变,相应的函数曲线也会随之改变。 用频率响应分析法检测变压器绕组变形 , 是通过检查变压器各个绕组

23、的幅频响应特性 , 并对检测结果进行纵向比较或横向比较 , 根据幅频响应特性的差异 , 判断变压器可能发生的绕组变形 ,此外还可以 根据相关系数确定绕组变形的程度 。 频率响应分析法法目前被现场广泛用于变压器绕组变形 , 可以较为直观地分析频率响应曲线, 该方法测量灵敏度高 , 可重复性好 , 仪器操作简单 , 携带方便 ( 只有一个测试箱 ), 能够反映绕组变形的累积效应。 目前该方法己在国内外变压器运行和生产部门得到推广应用,并取得了成效。但由 于测试结果受很多不确定性因素的影响,如 存在无法定量判断的缺陷 , 其诊断结果尚具有某种不稳定性。 1U C K C K C 2U C C K L

24、 L L 基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 8 1.3 国内外频响分析法检测变压器绕组变形的发展 1.3.1 国内外的发展现状 频响分析法在国内外都受到了广泛的关注。丹麦的 B.B.Jesen 博士和澳大利亚的 Ialam 博士等在这方面的研究非常突出。另外还有荷兰的 vaessen.P.T等、法国的 Moreau.o 等、英国的 Meoowell.Gw 等在这方面也都做了很多的工作。目前频响分析法在欧洲各国得到了广泛的应用,成为检测变压器绕组变形的主要方法。 就频响分析法所采用 的测试设备而言,国外,主要采用的是网络分析仪(Network Analyzer)和扫频响应分析仪 (

25、Sweep Frequency Response Analyzer),但由于其价格昂贵,很难在国内推广使用。 我国在变压器绕组变形诊断技术方面的研究起步较晚,自 1990年以来,由北京电力科学研究院、武汉高压研究所、西安交通大学对频率响应法进行了尝试,取得了一定的成效。 目前,武汉高压研究所、电力科学研究院 和华北电科院都研制了变压器绕组变形测试设备,并在电力系统得到广泛应用,取得了很好的效果。 在国外, 荷兰 Vaessen用数字化仪记录时域信号 ,提高了频谱在幅值和相位上的分辨率 10。德国的 Feser 和 Christian等人对此法作了大量研究。脉冲响应法的测量时间比扫频法要短 ,但

26、德国的 Wenzel认为时域信号很小的误差会对高频段传递函数造成很大的影响 , 另外 ,扫频法相比脉冲响应法的信噪比好 , 在整个测量的频段上有相等或近似相等的精度 ; 测量需要的设备少。因此 ,变压器绕组变形的频率响应分析法大都采用扫频法测量 11。 德国的 Gharehpetian等人通过建模及测量 ,发现在 1 10MHz范围内出现因绕组谐振引起的高频过电压 现象 12。加拿大 M. Wang在研究绕组的微小变形时发现影响频率响应测量结果的因素有 :高压套管、测量引线、变压器中性点接地方式、并联电阻。结果表明 , 并联电阻和测量引线对高频下的测量结果影响最大 ,在减小测量系统影响的条件下

27、 ,大于 1MHz频段的测量结果更能反映绕组的微小变化。 加拿大的 M.Wang提出了 HIFRA法 ,将最高频率扩展到 10MHz ,提高了频率响应分析法的灵敏度 ,能及时发现变压器绕组的变形 13。该方法的主要指导思想是尽量减小测量系统对频率响应的影响 ,将传感器放置在变压器内部。 在国内, 高朝 霞 ,马涛 ,王永儿 ,汲胜昌 对电力变压器进行短路阻抗测试时,采用三相等效测试法或单相测试法 2种方法 1。通常 ,对于三相变压器,采用三相等效测试法直接计算出三相短路阻抗的平均值,与铭牌值进行比较。如果发现需要进一步检查每相的短路阻抗,则可采用单相测试法进行相间比较。 林剑 ,马明 ,龚列谦

28、 ,夏晓波分析频率响应法原理 ,并利用 Matlab仿真变压器绕组频响曲线 ,分析频率和谐振点的关系 ,并根据测试实例分析各种因素对变压基于频率响应分析法的变压器绕组匝间短路故障分析 9 器绕组变形试验的影响 3。仿真时 ,仿真级数为 n = 7,输入扫频信号源的幅值取为 l,设置扫频起始频率为 1kHz ,终止频率为 10MHz。当绕组内部发生串联谐振 ,则在频响图上出现正尖峰 ,当绕组的内部发生了并联谐振 ,则在频响图上会出现负尖峰 ;同时绕组模型有 n 级 ,频响曲线就有 n - 1个正尖峰 ,n - 1个负尖峰。 胡冠中 , 姚缨英 ,倪光正 提出一种简单有效的建模方法用于变压器绕组内

29、部短路故障的仿真计算 4。根据变压器绕组的绕制方式和故障类型 ,建立相应的分析模型 。 通过电磁分析得到等效参数用于建立变压器系统状态方程 ,进一步利用Matlab /Simu2link求得端部电量的变化规律。 马超从现场应用出发,分析了变 形频响法和低压短路阻抗法的优缺,提出频响法结合低压短路阻抗法、电容量测试及其他试验辅助的综合诊断,对频率响应分析法的诊断结果进行了技术分析和现场实际应用要点的总结 16。 (1)频响法和低电压短路阻抗法对于反映绕组变形各有优缺点。现场用于独立判断均有其缺陷。 (2)现场诊断频响法和低电压短路阻抗法应结合电容量变化及其他一些试验结果辅助进行综合判断,特别是对

30、于绕组变形累积效应的判断,需要对各种方法的长短熟悉了解,同时也需要丰富现场经验,不断总结规律。 (3)频响法灵敏度高,易受各种因素影响,引线长短、感应电压、杂 散电容等因素影响程度较大,在现场试验时从多方面考虑,避免误判。 何平,文习山 对绕组频率响应的分析方法主要是基于幅频响应曲线的分析 ,因此从频段划分、曲线相似指数及幅频曲线特征的分析 3方面综述了幅频响应曲线的研究现状 ,介绍了频率响应分析法的原理 ,从影响测量的因素和扫频范围的选择 2方面讨论了绕组频率响应的测量 ,认为应建立原始的绕组频率响应数据库 ,在反映绕组变形程度的曲线相似指数研究方面有待于提出切实有效的量化标准17。 1.3.2 频响分析法检测变压器绕组变形的难点 用常规的比较变压器绕组频谱曲线来判断绕组是 否变形现在还没有固定的标准,需要结合实验人员的经验,因此诊断起来非常麻烦,且经常会发生误判。近几年来,通过各方面的努力,频响分析法诊断变压器绕组变形得到了更多的重视。 本课题的难点是如何使用 MATLAB计算分析变压器绕组的 频率响应, 长期以来 ,用频率响应分析法诊断变压器绕组变形还建立在比较曲线图谱的基础上 ,即同一台变压器与其原始的频率响应曲线比较 ,同一台变压器不同相间的比较 ,相同型号变压器间的频率响应的比较等 ,在目前还无明确的量化标准,缺乏深层次的诊断手段。

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