基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，屬于電力設(shè)備在線檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。所述檢測裝置包括全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器、信號注入及保護電路單元、變壓器信號傳感器單元、電流傳感器單元、高通濾波單元、信號采集單元和信號處理單元。本裝置實現(xiàn)了繞組變形的非侵入式在線檢測，在檢測過程中，不用改變電力系統(tǒng)原有的接線，較為安全；采用高壓納秒脈沖信號激勵繞組，避開了工頻和部分干擾信號，提高了抗電磁干擾的能力，且由于高壓納秒脈沖信號包含豐富的頻譜分量，能夠在僅輸入幾個脈沖的情況下，實現(xiàn)快速檢測，提高檢測的速度和效率，同時大大簡化了所需裝置的體積和數(shù)量且降低了制作成本。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力設(shè)備在線檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于脈沖在線注入的變壓器繞 組變形檢測裝置。 基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 電力變壓器作為變電站內(nèi)設(shè)備的核心，承載著電壓變換的作用，一旦發(fā)生災(zāi)難性 故障導致停電，將帶來不可預(yù)料的損失。而且由于變壓器結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境的復雜性，嚴重性 事故發(fā)生之后的修復時間往往過長，成本過高，將進一步降低變壓器的經(jīng)濟與社會效益。變 壓器所有故障之中，機械性故障最為常見，而繞組變形又是機械性故障中較為常見的。繞組 在運輸、運行、地震等過程中可能會發(fā)生變形，特別是變壓器在外部短路的情況下，繞組中 短路電流形成巨大的電磁力使得繞組產(chǎn)生較為嚴重的變形進而導致變壓器的異常運行。
[0003] 目前國內(nèi)外許多研究者對繞組變形檢測開展了大量的研究工作，也得到了一些方 法和標準，有的也運用于電力公司的檢測項目中。主要包括短路阻抗法、低壓脈沖法和頻率 響應(yīng)分析法等電測法，超聲測量法和振動響應(yīng)法等非電測法。其中頻率響應(yīng)分析法是一種 準確、經(jīng)濟、可靠、快速和無損的方法，發(fā)展?jié)摿^大，應(yīng)用較為廣泛，受到許多研究者的青 睞。但頻率響應(yīng)法需要變壓器停運，僅能進行離線測試，而例行試驗周期較長，使得這一方 法難以準確及時獲取繞組的變形狀態(tài)，診斷出繞組的輕微變形。近年來，在線監(jiān)測要求用盡 可能少的資源對電力設(shè)備進行實時狀態(tài)的評估，對變壓器繞組輕微變形的連續(xù)在線監(jiān)測， 是可以阻止其誘發(fā)變壓器嚴重損毀和停運，對潛伏性故障具有較好的辨識作用。
[0004] 現(xiàn)有變壓器繞組故障的診斷方法大多采用頻率響應(yīng)分析法，該方法的主要缺點 是：①需要變壓器停運，在離線情況下對變壓器的繞組狀態(tài)信息進行測量，不能實時掌握繞 組的機械和絕緣狀態(tài)，難以抵御突發(fā)性故障；②每次對變壓器繞組響應(yīng)信號進行采集，均需 要現(xiàn)場重新接線，極大的增加了工作量與現(xiàn)場試驗的不確定性，增大了安全隱患；③頻率響 應(yīng)法采用的波形為掃頻信號，導致系統(tǒng)檢測時間過長。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測 裝置，該檢測裝置采用非侵入式檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器繞組的快速無損在線檢測。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，包括全固態(tài)高壓納秒方波脈 沖發(fā)生器、信號注入及保護電路單元、變壓器信號傳感器單元、電流傳感器單元、高通濾波 單元、信號采集單元和信號處理單元；
[0008] 全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生激勵脈沖信號和實現(xiàn)脈沖參數(shù)的靈活 調(diào)節(jié)，能夠產(chǎn)生脈沖幅值為〇?10kv、脈沖寬度為100?1000ns、脈沖頻率為1?1000Hz， 下降沿為30?40ns的高壓納秒方波脈沖信號；
[0009] 信號注入及保護電路單元用于對全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出的脈沖實 現(xiàn)無損傳輸至變壓器信號傳感器單元，同時限制因加裝變壓器信號傳感器而耦合的高壓套 管導桿上的高壓信號，保護所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器；
[0010] 變壓器信號傳感器單元用于將信號注入及保護電路單元輸出的脈沖耦合至高壓 套管內(nèi)部的導桿，作為繞組首端的激勵信號；
[0011] 電流傳感器單元主要由羅氏線圈構(gòu)成，用于非侵入式測量繞組末端的響應(yīng)電流信 號，其頻帶下限不大于ΙΚΗζ，頻帶上限不小于10MHz，安裝在被測繞組末端中性點接地導線 上；
[0012] 高通濾波單元采用高通濾波器，用于濾除變壓器繞組中性點接地線上的工頻電流 信號，要求濾除后的工頻信號幅值在信號采集單元承受范圍內(nèi)，同時保證繞組的高頻響應(yīng) 信號不受影響；
[0013] 信號采集單元用于采集全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出的脈沖電壓作為分 析繞組故障的激勵電壓信號，同時采集所述的電流傳感器單元測量的脈沖電流作為分析繞 組故障的響應(yīng)信號；
[0014] 信號處理單元用于處理繞組的激勵信號和響應(yīng)信號，包括信號預(yù)處理，數(shù)據(jù)運算 和后處理。
[0015] 進一步，所述信號注入及保護電路單元包括一個信號注入及保護電路和用于屏蔽 外部干擾的屏蔽盒；信號注入及保護電路包括一個匹配電阻、一個壓敏電阻、一個氣體放電 管及一個電容，匹配電阻與電容進行串聯(lián)實現(xiàn)濾波功能，壓敏電阻和氣體放電管進行并聯(lián) 實現(xiàn)保護功能；信號注入及保護電路固定安裝在屏蔽盒中并通過標準BNC接口與外部進行 連接。
[0016] 進一步，所述變壓器信號傳感器單元包括插頭座、插頭外殼、固定夾件、銅帶、方形 卡槽和熱縮管。
[0017] 進一步，所述信號采集單元的通道數(shù)不少于2個，采樣率不低于100MS/S，采樣位 數(shù)不少于10位。
[0018] 進一步，信號處理單元用于處理繞組的激勵信號和響應(yīng)信號，包括信號預(yù)處理，數(shù) 據(jù)運算和后處理，其中，信號預(yù)處理主要是去除隨機干擾，采取在同一種狀態(tài)下多次測量求 平均值的方式實現(xiàn)隨機噪聲的濾除；數(shù)據(jù)運算主要是繪制頻率響應(yīng)圖譜，將經(jīng)過信號預(yù)處 理后的激勵信號和響應(yīng)信號分別進行快速傅里葉變換，以此求取繞組網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，得 到繞組網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)圖譜；后處理主要是繞組變形狀態(tài)的評判，以電力行業(yè)標準為參考 依據(jù)，對比獲取時間不同的同一變壓器的頻率響應(yīng)圖譜，判斷繞組變形的程度，獲取繞組的 狀態(tài)，實現(xiàn)繞組變形的在線檢測。
[0019] 本發(fā)明的有益效果在于：1、本發(fā)明采用變壓器信號傳感器，從而真正意義上實現(xiàn) 了繞組變形的非侵入式在線檢測。該傳感器體積小，質(zhì)量輕，不改變電力系統(tǒng)原有的接線， 較為安全。2、本發(fā)明采用高壓納秒脈沖信號激勵繞組，由于其頻帶較高，避開了工頻和部分 干擾信號，提高了抗電磁干擾的能力。3、本發(fā)明采用高壓納秒脈沖信號，由于其包含豐富的 頻譜分量，能夠在僅輸入幾個脈沖的情況下，實現(xiàn)快速檢測，提高檢測的速度和效率。4、本 發(fā)明采用高壓納秒脈沖信號，由于其產(chǎn)生電路簡單多樣，大大簡化了方法所需的裝置體積 和數(shù)量且降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行 說明：
[0021] 圖1為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明的信號注入及保護電路圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明信號注入及保護電路的正向幅頻特性圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明信號注入及保護電路的反向幅頻特性圖；
[0025] 圖5為本發(fā)明變壓器信號傳感器單元的安裝位置圖；
[0026] 圖6為本發(fā)明變壓器信號傳感器單元的原理圖；
[0027] 圖7為本發(fā)明所述方法運用于一臺大修后的110kV/10. 5kV三相變壓器高壓側(cè)的 頻率響應(yīng)曲線。

【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0029] 圖1為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本發(fā)明所述的變壓器繞組變形 檢測裝置，包括全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器、信號注入及保護電路單元、變壓器信號傳 感器單元、電流傳感器單元、高通濾波單元、信號采集單元和信號處理單元。
[0030] 在本實施例中，全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生脈沖幅值為0?10kV、 脈沖寬度為1〇〇?1000ns、脈沖頻率為1?1000Hz，下降沿為30?40ns的高壓納秒方波 脈沖信號，現(xiàn)場應(yīng)用檢測繞組變形時可實現(xiàn)脈沖參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。
[0031] 信號注入及保護電路單元，用于對所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出的 脈沖實現(xiàn)無損傳輸至所述的變壓器信號傳感器單元，同時限制因加裝變壓器信號傳感器而 耦合的高壓套管導桿上的高壓信號，保護所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器。如圖2 所示，所述的信號注入及保護電路單元包括一個信號注入及保護電路和用于屏蔽外部干擾 的屏蔽盒；所述信號注入及保護電路包括一個匹配電阻、一個壓敏電阻、一個氣體放電管及 一個電容，匹配電阻與電容進行串聯(lián)實現(xiàn)濾波功能，壓敏電阻和氣體放電管進行并聯(lián)實現(xiàn) 保護功能；信號注入及保護電路固定安裝在屏蔽盒中并通過標準BNC接口與外部進行連 接。信號注入及保護電路中，R為濾波電路的一個元件且為電纜末端匹配電阻，電容C為濾 波電路的元件，G為氣體放電管，K為壓敏電阻。R、C起著濾波的作用，K、G起著兩層保護的 作用。此電路正向?qū)崿F(xiàn)了全通功能；電路反向?qū)崿F(xiàn)了濾除50Hz工頻和中低頻過電壓信號的 功能。圖3為信號注入及保護電路的正向幅頻特性圖，圖4為信號注入及保護電路的反向 幅頻特性圖。此電路被置于屏蔽盒中進行外部干擾屏蔽，電路通過標準BNC接口與外部的 全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器和變壓器信號傳感器單元進行連接。所述的屏蔽盒外殼通 過引線與地相連，屏蔽盒采用錯合金材料制作，屏蔽盒的尺寸采用：115mmX87_X54. 5_， 通過將信號注入及保護電路固定安裝于鋁合金屏蔽盒中，避免其工作過程中受到外部信號 的干擾。
[0032] 變壓器信號傳感器單元用于將所述的信號注入及保護電路單元輸出的脈沖耦合 至高壓套管內(nèi)部的導桿用作繞組首端的激勵信號。所述的變壓器信號傳感器單元包括插頭 座、插頭外殼、固定夾件、銅帶、方形卡槽和熱縮管。如圖5和圖6所示，所述的插頭座由不 銹鋼或錯制成，由一塊（30?120)mmX (15?30)mmX (1?5)mm的立方體薄板和一個直徑 8?20mm，高度20?40mm的圓柱體焊接而成，圓柱體底部圓面焊接在立方體薄板（30? 120)mmX (15?30)mm -面的正中心，頂部圓面至圓柱體內(nèi)部開一個直徑3?5mm，高度3? 6_的圓柱形孔，用以連接所述的信號注入及保護電路單元的出線電纜的香蕉接頭，圓柱體 外側(cè)面具有螺紋，用于與所述的插頭外殼連接。立方體薄板上具有2?8個通孔，用于將所 述的插頭座固定在所述的固定夾件上。所述的插頭外殼與所述的插頭座通過螺紋進行連 接，所述的插頭外殼由不銹鋼或鋁制成，其形狀為2?3個圓柱體按直徑大小依次連接，圓 柱體直徑10?22mm，高度25?70mm，內(nèi)部掏空，壁厚1?4mm，內(nèi)壁具有螺紋，所述的插頭外 殼與所述的插頭座對接后，能對所述的信號注入及保護電路單元的出線電纜的香蕉接頭進 行防雨防塵。所述的固定夾件由塑料制成，由兩個半工字型的組件拼接而成，起到固定連接 所述的插頭座和所述的銅帶的作用。半工字型組件壁厚3?12mm，堅直方向高20?80mm， 水平方向一端（15?60)mmX (15?30)mm，此面開有1?4個通孔以與所述的插頭座通孔匹 配連接，半工字型組件的水平方向另一端呈弧形狀，弧度與所要安裝的變壓器套管的直徑 相匹配，弧長15?80_。兩個半工字型組件拼接成所述的固定夾件，并將銅帶的兩端置于 所述的固定夾件的內(nèi)側(cè)面。所述的銅帶材料為紫銅，形狀為長方形，長度依據(jù)變壓器套管的 周長而定，寬度10?40_，厚1?5_，所述的銅帶纏繞于變壓器套管靠近接地法蘭附近的 外絕緣層上，銅帶兩端分別與所述的固定夾件以及所述的插頭座連接，其兩個端部分別沿 著半工字型組件的內(nèi)側(cè)面固定，并在所述的固定夾件的半工字型組件水平一側(cè)交匯后并置 于半工字型組件之上，所示的插頭座又置于銅帶之上，通過螺絲將所述的插頭座、銅帶和固 定夾件固定在一起，以保證所述的插頭座與所述的銅帶的良好接觸；所述的固定夾件的半 工字型組件呈弧形一側(cè)固定于套管外絕緣層上的銅帶之上，以保證固定夾件牢固地固定于 變壓器套管外絕緣層上。所述的方形卡槽由固定部分和支撐部分組成，固定部分由三塊長 方形塑料板構(gòu)成一個楔形部件，其內(nèi)部尺寸與固定夾件堅直部分相匹配，其壁厚2?10_ ; 支撐部分是一塊與固定部分底部面積相同的長方形塑料，通過螺絲與固定部分連接。所述 的方形卡槽安裝于固定夾件的堅直部分，以保證兩個半工字型組件拼接牢固。所述的熱縮 管為市購材料，由PVC組成，用于將所述的銅帶置于熱縮管內(nèi)部，起到防塵防雨和防止套管 沿面閃絡(luò)的作用。
[0033] 電流傳感器單元主要由羅氏線圈構(gòu)成，為市購元件，用以非侵入式測量繞組末端 的響應(yīng)電流信號，要求頻帶下限不大于ΙΚΗζ，頻帶上限不小于10MHz，安裝在被測繞組末端 套管出線導桿上或者接地導線上，具體視變壓器的運行方式而定。
[0034] 高通濾波單元為常規(guī)的RC高通濾波器，用以濾除變壓器繞組中性點接地線上的 工頻電流信號，要求濾除后的工頻信號幅值在信號采集單元承受范圍內(nèi)，同時保證繞組的 高頻響應(yīng)信號不受影響。
[0035] 信號采集單元為市購元件，用以采集所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出 的脈沖電壓作為分析繞組故障的激勵電壓信號，同時采集所述的電流傳感器單元測量的脈 沖電流作為分析繞組故障的響應(yīng)信號。要求所述的信號采集單元的通道數(shù)不少于2個，采 樣率不低于100MS/S，采樣位數(shù)不少于10位。
[0036] 信號處理單元主要由電腦作為硬件支撐，用以處理繞組的激勵信號和響應(yīng)信號， 包括信號預(yù)處理，數(shù)據(jù)運算，后處理等。所述的信號預(yù)處理主要是去除隨機干擾，采取在同 一種狀態(tài)下多次測量求平均值的方式實現(xiàn)隨機噪聲的濾除。所述的數(shù)據(jù)運算主要是繪制頻 率響應(yīng)圖譜，將經(jīng)過信號預(yù)處理后的激勵信號和響應(yīng)信號分別進行快速傅里葉變換，以此 求取繞組網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，得到繞組網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)圖譜。所述的后處理主要是繞組變形 狀態(tài)的評判，以電力行業(yè)標準為參考依據(jù)，對比獲取時間不同的同一變壓器的頻率響應(yīng)圖 譜，判斷繞組變形的程度，獲取繞組的狀態(tài)，實現(xiàn)繞組變形的在線檢測。
[0037] 圖7為本發(fā)明所述方法運用于一臺大修后的110kV/10. 5kV三相變壓器高壓側(cè)的 頻率響應(yīng)曲線。
[0038] 最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在 形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，其特征在于：包括全固態(tài)高壓 納秒方波脈沖發(fā)生器、信號注入及保護電路單元、變壓器信號傳感器單元、電流傳感器單 元、高通濾波單元、信號采集單元和信號處理單元； 全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生激勵脈沖信號和實現(xiàn)脈沖參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)， 能夠產(chǎn)生脈沖幅值為0?10kV、脈沖寬度為100?1000ns、脈沖頻率為1?1000Hz，下降沿 為30?40ns的高壓納秒方波脈沖信號； 信號注入及保護電路單元用于對全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出的脈沖實現(xiàn)無 損傳輸至變壓器信號傳感器單元，同時限制因加裝變壓器信號傳感器而耦合的高壓套管導 桿上的高壓信號，保護所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器； 變壓器信號傳感器單元用于將信號注入及保護電路單元輸出的脈沖耦合至高壓套管 內(nèi)部的導桿，作為繞組首端的激勵信號； 電流傳感器單元主要由羅氏線圈構(gòu)成，用于非侵入式測量繞組末端的響應(yīng)電流信號， 其頻帶下限不大于ΙΚΗζ，頻帶上限不小于10MHz，安裝在被測繞組末端中性點接地導線上； 高通濾波單元采用高通濾波器，用于濾除變壓器繞組中性點接地線上的工頻電流信 號； 信號采集單元用于采集全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器輸出的脈沖電壓作為分析繞 組故障的激勵電壓信號，同時采集所述的電流傳感器單元測量的脈沖電流作為分析繞組故 障的響應(yīng)信號； 信號處理單元用于處理繞組的激勵信號和響應(yīng)信號，包括信號預(yù)處理，數(shù)據(jù)運算和后 處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，其特征 在于：所述信號注入及保護電路單元包括一個信號注入及保護電路和用于屏蔽外部干擾的 屏蔽盒；信號注入及保護電路包括一個匹配電阻、一個壓敏電阻、一個氣體放電管及一個電 容，匹配電阻與電容進行串聯(lián)實現(xiàn)濾波功能，壓敏電阻和氣體放電管進行并聯(lián)實現(xiàn)保護功 能；信號注入及保護電路固定安裝在屏蔽盒中并通過標準BNC接口與外部進行連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，其特征 在于：所述變壓器信號傳感器單元包括插頭座、插頭外殼、固定夾件、銅帶、方形卡槽和熱縮 管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，其特征 在于：所述信號采集單元的通道數(shù)不少于2個，采樣率不低于100MS/S，采樣位數(shù)不少于10 位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖在線注入的變壓器繞組變形檢測裝置，其特征 在于：信號處理單元用于處理繞組的激勵信號和響應(yīng)信號，包括信號預(yù)處理，數(shù)據(jù)運算和后 處理，其中，信號預(yù)處理主要是去除隨機干擾，采取在同一種狀態(tài)下多次測量求平均值的方 式實現(xiàn)隨機噪聲的濾除；數(shù)據(jù)運算主要是繪制頻率響應(yīng)圖譜，將經(jīng)過信號預(yù)處理后的激勵 信號和響應(yīng)信號分別進行快速傅里葉變換，以此求取繞組網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，得到繞組網(wǎng)絡(luò) 的頻率響應(yīng)圖譜；后處理主要是繞組變形狀態(tài)的評判，以電力行業(yè)標準為參考依據(jù)，對比獲 取時間不同的同一變壓器的頻率響應(yīng)圖譜，判斷繞組變形的程度，獲取繞組的狀態(tài)，實現(xiàn)繞 組變形的在線檢測。
【文檔編號】G01B7/16GK104061850SQ201410315528
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】姚陳果, 趙仲勇, 李成祥, 趙曉震, 米彥, 廖瑞金, 李偉, 王建, 張勇, 馬勤勇 申請人:國家電網(wǎng)公司, 重慶大學, 國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院