变压器绕组变形故障仿真与实验研究

钱苏翔 ， 李竹平 ， 顾小军

（1．嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.常州大学机械与能源工程学院，江苏 常州 213016）

变压器绕组变形故障仿真与实验研究

钱苏翔1，2， 李竹平1，2， 顾小军1

（1．嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.常州大学机械与能源工程学院，江苏 常州 213016）

为了方便研究变压器绕组故障，采用频率响应的分析方法，开发出了变压器绕组故障仿真模拟系统。参照国家标准的测试方法，对变压器绕组模型进行了测试、分析，得到了绕组变形的频率响应特性曲线。经过仿真模拟，找出了系统的固有频率。实验表明，在固有频率附近幅值响应有明显的变化。

绕组故障；测试系统；频率响应分析；仿真；诊断

1 引 言

变压器是电力系统中的主要电器设备，其正常运行对电力系统的安全生产和可靠性意义重大。据统计，大约25%的变压器故障是由绕组变形引起的[1]。目前国内外主要采用的诊断方法有低压脉冲法[2]、频率响应法、短路阻抗法和振动监测法。其中频率响应法由于其检测灵敏度高、现场检测方便、能实现不吊罩检测等优点，在电力行业得到了广泛的应用[3]，成为变压器现场测试的主要方法[4-5]。变压器的故障诊断是一个复杂的过程，需要系统开发者和现场技术人员积累经验知识，需要大量的案例和数据来综合判断。现场检测不仅成本高，而且费时费力，不利于实验室人员和技术人员的研究。为了能开发一套模拟变压器绕组故障的系统，给研究人员提供一些可靠的数据和经验参考，在LabVIEW的基础上，采用频率响应的分析方法，开发出了一套变压器绕组故障模拟、数据采集、分析和诊断的系统，模拟了变压器绕组故障诊断的过程。

2 频率响应法原理

频率响应方法最早是由加拿大的Dick提出的[6]，它的原理是将某一扫频信号加到绕组的一个端口，从另外一个端口测得其响应，并将各频率点上的输入和输出之比根据频率描绘成图谱。当频率超过1 kHz时，变压器绕组可以看作是由若干个电容和电感组成的无源二端口网络。改变外施正弦波激励源的频率，测在不同频率下的响应端电压的Vo和激励端电压Vi值，求出其幅值比，获得指定激励端和响应端绕组的幅频响应曲线。当绕组受外力或短路电流冲击发生变形的时候，相应的等效电容、电感参数也会发生变化，所以响应曲线也会随之发生改变。通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性和相频响应特性，并对检测结果进行横向和纵向的对比，从而判断出绕组是否发生变形。频率响应法的基本检测回路如图1所示。

图1 频率响应法的基本检测回路

图中，L为绕组匝间电感或饼间电感；K为纵向电容；C为绕组对地电容；Vs为扫频信号源；Vo为输出的频响。

测得的幅频响应曲线常用对数形式表示，即对电压幅值之比进行如下的处理：

3 变压器绕组试验台

绕组试验台主要包括激励源、变压器绕组模型、数据采集卡、数据显示面板。其中数据采集卡插在研华工控机空余的插槽，数据显示由工控机显示器来实现。

实验中采用Agilent33220A函数/任意波形发生器为激励源。Agilent33220A函数/任意波形发生器的主要参数：正弦波为1μHz～20MHz；任意波形为 1μHz～5MHz；幅度范围为 2mVpp～10Vpp（50Ω），4mVpp～20Vpp（高阻）；输出的6种波形为正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、噪声、任意波形。以上这些参数能保证激励源输出实验所需要的激励信号。

如图2所示，变压器绕组模型的设计如下：

（1）U型铁一对，规格为30mm×40mm×50mm；

（2）绝缘材料为聚酯硬塑板；

（3）0.4mm、1.4mm的漆包线；

（4）低压侧600匝，高压侧300匝；

（5）高、低压侧做出抽头，以模拟短路故障。

采集主要用到研华的工控机及PCI-1714高速数据采集卡。研华的PCI-1714高速数据采集卡，适用于PC及兼容机，具有4路单端模拟量输入通道和4路A/D转换器，可同时进行数据采集并转换，每个通道的参数可单独进行编程设置，具有多种A/D触发方式。PCI-1714数据采集卡的主要技术参数如下：输人信号范围为单端±5V、±2.5V、±1V、±0.5V；输入阻抗通过跳线可设置为50Ω、1MΩ、高阻状态；A/D转换分辨率为12 bit；A/D转换速率为32MHz；最大采样频率为30MHz。

图2 绕组实验模型

按国家标准的接线方式和检测方法，选定信号的激励端和响应端，可靠地连接在变压器绕组的两端，确保在长时间的数据采集中不会出现断开和引进干扰信号的现象。绕组试验台如图3所示。

图3 绕组试验台

4 数据采集

测量时采用正弦扫频信号。为了将电磁干扰降到最低，采用手动改变频率的方法。分为低频、中频和高频 3 个段[7]，频率的范围为 100Hz～1MHz，其中，100Hz～1 kHz是为了提高探究的精确性而额外加上的扫描频率区间。扫描范围共分为5个区间，如表1所示。

表1 数据采集参数

实验数据采集程序由LabVIEW编程实现，LabVIEW最强大的功能在于能使用虚拟仪器实现“软件就是仪器”，充分发挥了计算机的作用[8]，实现数据采集、波形显示以及数据存储的功能。研华公司提供的PCI-1714的驱动程序及子VI足以实现该次数据的采集。

系统采用的是常用的中断触发方式。长时间的高速实时数据采集，要用到内部缓冲区和用户缓冲区两块内存区域。采集的数据先写入内部缓冲区，再由内部缓冲区传送到用户缓冲区，然后就可以将数据以图形方式显示并存入文本文件。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

（1）采集程序首先配置AI Config.vi，由于使用的研华工控机只有PCI-1714的驱动程序，所以在初始化的时候，默认为使用PCI-1714数据采集卡。同时选择输入通道数和缓存区大小。

（2）开始数据采集AI Start.vi，此子VI在前面的初始化后，就可开始数据的采集。可以输入采样的频率、触发方式等相关参数，以实现和信号源的同步和数据采集时的操作方便。

（3）数据的读入AI Read.vi，当数据从外部进来后，就通过此子VI，数据先在内部缓存中存放以实现高速的采集，同时可以实现波形的显示。

（4）数据存储单元Write to Measurement File，LabVIEW提供的强大的文件I/O函数是一组功能较强的文件处理工具，可以满足不同的文件操作要求。注意，显示要写入数据的文件的完整路径。仅在文件名输入端未连线时，Express VI才将数据写入参数指定的文件。如文件名输入端已连线，Express VI将把数据写入输入端指定的文件。可保存的文件格式有文本（LVM）、二进制（TDMS）和带 XML头的二进制（TDM）。

（5）错误输出Error Heandl.vi，如出现采样的频率超出板卡的扫描频率范围，输出错误，同时Boolean灯亮，记录缓存区读入的数据大小。

在数据保存的时候，采用了文本的格式，方便后续的数据读入和处理。

对原边线圈和副边线圈分别模拟变压器绕组的短路和鼓包等故障后，可以得出不同的频率响应曲线。变压器绕组模型的短路故障的频率响应曲线如图5所示。

图5 绕组短路故障频率响应特性曲线

从图5中可以看出，尤其是在低频段，当短路发生时候，响应曲线的波峰和波谷的位置发生了明显的变化。如图“300”是正常的绕组响应曲线，“200”和“100”是绕组发生短路后线圈只剩下200匝和100匝时的曲线。频率在10kHz的时候，3条曲线的波峰发生了明显的变化，这是因为随着短路的发生，绕组的电感和电容发生了变化。频率较低的时候，绕组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，就会导致其频率响应特性曲线低频部分的波峰或波谷会发生较明显的变化。绕组正常情况下系统的频率响应幅值，当激励源所加的正弦信号的频率为10.5 kHz时，达到了系统的固有频率。所以，响应的幅值有很大的变化。

为了验证试验系统的正确性，利用PSIM软件进行模拟，得出绕组系统的频率响应曲线和固有频率。在做短路试验的时，正常绕组的等效电路图可以等效为图6。

图6 绕组等效电路图

不同的短路试验，等效电路图的参数也不相同，经模拟后的频率响应曲线和相位变化曲线如图7所示。

图7 理论模拟频率相位响应特性曲线

图7中300匝为绕组正常状况的响应特性曲线，200匝和100匝是绕组发生短路后的曲线。理论模拟得出，系统在正常状况时，系统固有频率为10kHz，当激励源所加正弦信号为10 kHz时，频率响应曲线出现明显的波峰，这与实际测得的频率相吻合。

5 结束语

（1）经过实际的数据采集，该实验系统能实现方便快捷准确地采集，发挥了计算机的强大功能，而且数据格式保存合理，方便数据的交流和存储。

（2）能在实验室实现变压器的故障仿真和诊断，方便了研究人员的研究，给相关的技术人员提供了故障特征，在实际变压器诊断时能准确地判断故障，缩短了研究的周期，节省了费用。

（3）经过仿真对比，该实验的结果可靠，在变压器模型的固有频率附近，响应的幅值有明显的变化，较明显地反映出了绕组的故障。

[1]Vandermaar A J，Srivastava K D.Review of condition assessmerit of power transformers in service[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2002，18（6）：12-25.

[2]Malewski R，Poulin B.Impulse testing of power transformers using the transfer function method[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1988，3（2）：476-489.

[3]韩爱芝，刘莘昱，曾定文，等.判断变压器绕组变形的简单方法[J].变压器，2003（4）：8-12.

[4]孙 强.变压器绕组变形测试的现场研究[J]．西北电力技术，2001，29（1）：12-17.

[5]何文林，陈金法，应高亮，等.频响分析法测试变压器绕组变形的研究[J].中国电力，2000，33（12）：39-42.

[6]Dick E P，Erven C C.Transformer diagnostic testing by frequuency response analysis[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1978，97（6）：2144-2153.

[7]Rahman M A A，Hashim H，Ghosh P S.Frequency response analysis of a power transformer [C]∥Australasian Universities Power Engineering Conference.Christchurch，2003.

[8]王 磊，陶 梅.精通LabVIEW8.X[M].北京：电子工业出版社，2008.

Transformer w inding deformation fault simulation and experimental research

QIAN Su-xiang1，2，LI Zhu-ping1，2，GU Xiao-jun1
（1．College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing College，Jiaxing 314001，China；2．Mechanical and Energy Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，China）

For the convenience of transformer winding fault study，the authors developed a transformer fault simulation system with the frequency response analysis （FRA）.According to the national standard test methods，the frequency response of winding deformation curve was obtained through testing and analyzing the transformer winding model.The natural frequency of the system was identified by simulation.Experimental results indicated that the amplitude response changed obviously close-by the natural frequency.

winding fault；test system；FRA；simulation；diagnosis

TM41；TP391.9

A

1674-5124（2011）01-0001-04

2010-09-08；

2010-10-23

国家自然科学基金资助项目（50575095）

钱苏翔（1963-），男，教授，主要从事测试技术与信号处理、状态监测与故障诊断教学与研究工作。