基于三维曲面图检测法在变压器绕组绝缘缺陷检测中的应用研究

【摘 要】针对当前变压器绕组的绝缘缺陷检测方法，本文提出了一种变压器绕组绝缘缺陷三维曲面图检测法，可突破常规方法的局限，形象、直观、便捷、实用的判断出绝缘缺陷所在位置和严重程度。

【关键词】变压器绕组；绝缘缺陷；三维曲面图检测；仿真

1.引言

变压器作为电力系统的枢纽设备，在电网安全、稳定和经济运行中扮演着极为重要的角色。统计数据显示，变压器故障的多数情况是变压器绕组的绝缘缺陷所导致。因此，研究合适的变压器绕组绝缘缺陷检测方法，具有重要的意义。目前的比较常用的检测方法是将变压器绕组作为一个整体来分析，有直流电阻检测、介质损耗因数检测、局部放电测量、交流耐压试验、冲击电压试验、空载试验、短路试验等。但这些检测方法不能单独的对变压器绕组绝缘性能好坏作出判断，需将各项试验结合起来判断，且对绕组局部损坏很不敏感，只有绕组损坏严重时有才可以检测到，并难以区分损坏位置。本文提出了一种检测变压器绕组绝缘缺陷的三维曲面图检测法，可形象、直观、便捷、实用的判断出绝缘缺陷所在位置和严重程度。

2.三维曲面图检测法概述

2.1 检测原理

变压器绕组可以看作一个由线性电阻、电感、电容等组成的无源线性分布参数网络。变压器在制造完成后，其线圈结构也确定，变压器绕组单位长度的电阻、电感、纵向电容、和对地电容的参数也随之确定。当绕组发生不同绝缘故障程度时，其长度、匝间距、内部的纵向电容、对地电容等参数值会发生不同的改变。这些参数值的改变也必将导致绕组末端输出电压、电流值发生变化。本文提出的新的三维曲面图检测法就是基于这一原理，在变压器绕组的一端外施加被半波整流或斩波的工频电源，通过测量和进行快速傅里叶变换，得到电压、电流信号的各谐波分量，然后分析其与基准信号之间相关系数的三维曲面图，即可判断绝缘缺陷所在位置和严重程度。

2.2 判断依据

通过计算出各绕组电压和电流的相关系数，生成三维曲面，以三维曲面最高峰（最大值）对应的坐标为判别依据。该判据相当于一个扫描仪，沿变压器绕组的轴向长度上各点的绝缘缺陷严重程度从头扫描到尾，绕组绝缘缺陷程度与绝缘缺陷位置的判别是一体化的。若变压器有一个绕组发生绝缘缺陷，则在包含各位置点和各故障程度的轴上，对应该绕组的判据会产生一系列极值。最大值的相对位置反映了绕组绝缘缺陷的位置和严重程度。三维曲面图中最大值的位置对应绕组绝缘缺陷的位置和严重程度，形象、直观、便捷，具有很强的可操作性。

2.3 信号源及提取

2.3.1信号源

三维曲面图检测法首先对连接到绕组的电源进行半波整流或斩波，使电压、电流信号含有丰富的谐波分量，然后对谐波进行快速傅里叶变换，提取出电压、电流信号的1～29次谐波分量作为验证本文方法的特征频率信号。

2.3.2信号源提取

（1）半波整流信号提取。半波整流是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电源变为单向脉动电源。由于二极管的非线性特性，使得半波整流后的电路中含有谐波，故将整流后的非正弦周期电源电压或电流进行傅里叶变换。半波整流函数的傅里叶级数展开式如下：

式中fm为电压或电流的最大值，k为谐波次数。由上式知，整流电路的输出信号中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，谐波次数为2k次，k=1、2、3…。

（2）斩波信号提取。斩波是利用斩波装置将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，其中电路的直流输入电源由交流电经整流得到。对斩波后电源电压或电流进行傅里叶变换，展开式如下：

其中：

3.三维曲面图检测法仿真验证

设立非均匀分布参数变压器绕组模型，通过改变绕组模型中的故障点位置及该点的电容参数来体现不同故障，对三维曲面图检测法的可行性和准确性进行验证。编写程序计算出实际故障与基准故障类型之间的电压、电流相关系数，然后将数据导入MATLAB进行绘图处理，最后根据所绘出的三维曲面图判断实际故障情况。非均匀分布参数模型设立、程序编写等情况不在本文中阐述。

3.1 仿真参数

假设绕组故障只发生在模型的中部，且只有一点发生。设模型中不包含故障点的中部网络中的电感、电阻、纵向电容和对地电容为均匀分布参数，而首端、末端网络除对地电容为中部的1/2之外，其余参数与中部未发生故障网络相同，则单位长度的电感L0、电阻R0、纵向电容K0、对地电容C0和负载R、L、C的参数值见表1。输入电压有效值取为100V（该值现场试验时可按规程规定选取）。

表1 变压器绕组模型的参数

3.2 仿真内容

针对体现绕组绝缘缺陷的不同位置的不同参数量进行仿真计算，验证本文方法的有效性和可靠性。仿真所得各图中，X轴为绕组不同位置、不同参数变化程度的组合变量，X轴坐标1-9中，从坐标1开始每3个坐标依次为一个比较基准位置点上参数的3种变化量（增加10%、200%、500%），即绕组的四种绝缘缺陷程度基准；Y轴为参变量谐波次数，Y轴上1-29个单位，每个单位依次为频率50Hz、100Hz、…、1450Hz；Z轴为相应的电压和电流相关系数。

从仿真运行后三维曲面图分析得出，三维曲面图的峰值根据不同故障情况而变化着。相对于其他比较基准而言，各图的判断结果都是最接近真实故障情况的得基准故障类型。虽然仿真结果只是粗略的判定绕组的实际故障，与真实情况是有一定差距的，但仿真结果充分显示了，完全可以通过三维曲面图检测法判断绕组模型中不同位置的不同纵向电容增量，从而诊断绕组不同位置的绝缘严重程度。

4.结论

本文提出了用绕组纵向和对地电容的变化量模拟绕组绝缘缺陷和严重程度的表示方法，对不同位置、类型和严重程度的绝缘缺陷进行了大量的仿真验证。结果表明，变压器绕组绝缘缺陷检测的三维曲面图检测法的有效性和可靠性。但新的检测方法还有待进一步的研究和验证。

参考文献

[1]徐文.电力变压器故障诊断技术研究[D].南京：东南大学，1997

[2]齐宇婷，杨学昌，周文俊.基于传递函数的电力变压器绝缘故障加信诊断方法[J].电力系统自动化，2002，l（10）：27-31