基于NI myDAQ的空芯电抗器匝间短路在线检测系统的实现

摘 要：文章针对空芯电抗器匝间短路的在线监测进行了LabVIEW软件及硬件平台的设计，是本科生开放实验的成果。以一台空芯电抗器试验样机为模型，进行了实际检测。由实验结果可知，该检测系统可以迅速及时地获取匝间短路信号并发出报警。

关键词：开放实验；空芯电抗器；匝间短路；在线检测

空芯电抗器在电力系统中发挥着稳流、限制短路电流、滤除高频信号和无功补偿的作用。然而，匝间短路是空芯电抗器常见故障，此故障大幅缩短了电抗器的寿命，并严重影响电力系统的稳定性。针对上述工程背景，使用一台试验用空芯电抗器作为样机，基于NI myDAQ硬件和LabVIEW软件平台，设计完成了空心电抗器匝间断路在线检测系统。

1 原理简述

样品电抗器有四层，每层单根并绕，正常状态下，电抗器的等效电路模型结构如图1所示[1]。

图1 电抗器正常工作等效电路

当出现匝间短路故障时，匝间短路使绕组线圈生成一个自闭合的短路环。短路环电流由线圈中的交变磁场感应生成，其方向与原线圈电流方向相反。由于线圈匝数减少，第k层线圈的自感减小。在额定电压不变的情况下，电抗器额定电流也发生改变，电抗器等效电路模型如图2所示。

相应在电抗器内部磁场也发生变化，匝间短路瞬间会产生高频尖峰脉冲。磁场测量一般常用感应法。在电抗器上下对称位置放置探测线圈，当电抗器工作时，该线圈能感应出差分电压信号。该信号的波形可以准确反映出电抗器的工作状态，尤其对匝间短路瞬间的高频脉冲特别敏感。通过对是否出现高频尖峰脉冲，达到判断短路的目的[1][2]。

2 软件平台设计

采用LabVIEW实现软件平台设计。此软件平台主要由数据的监测与存储、匝间短路在线监测两部分构成。

2.1 程序设计思路

实际电抗器正常工作时，产生的信号为幅值较为稳定的工频50Hz正弦信号，而出现匝间断路时，实际信号会在原始信号基础上叠加一个尖峰信号，故障波形为产生的高频尖峰电压，故采用时域峰值检测法。但在未发生短路时，由于各种原因可能也会产生与故障类似的干扰信号，实际实验中首先需要对采集的信号去噪，此去噪操作需要去除信号中的高频低幅值信号且保留匝间短路信号。对于去噪后的信号，需要通过滤波器，分别在线获得工频信号与高频信号，以实时分析两种信号，判断是否产生了匝间断路信号。

对于去噪模块，根据小波分析对信号进行消噪处理的原理，采用传统的去噪方法，即采用频谱分析技术，这是由于实际电抗器抗干扰能力有严格的控制，假设所分析的信号噪声中不包含过多突变部分，且为平稳的白噪声，去噪部分如图3所示。

同样，采用Butterworth滤波器将去噪后的信号分解为工频部分和高频部分，由于发生匝间短路时，产生的高频信号的幅值远大于正常工作时的信号，只需对高频滤波后的信号进行幅值分析判断即可。

当发现高频信号的幅值大于设定的阈值时，软件平台将发出报警信号并通过NI myDAQ平台输出高电平信号。判断模块如图4所示。

图4 LabVIEW判断模块

2.2 验证过程及细节处理

在验证程序过程中，需要清楚如何设定信号发生器的抽样频率和滤波器的截止频率。由奈奎斯特抽样定理可知，当原始信号为带限于？棕M的带限信号时，抽样角频率？棕S应满足？棕S>2？棕M，且低通滤波器截止频率？棕C应满足？棕S

同时，在软件设计中采用了正弦波幅值测量模块获取信号的幅值，进而与阈值电压进行比较。而此模块的实现思路是对正弦波的一个周期进行分析，由于匝间短路信号发生在瞬间，在软件测试中，常会出现匝间断路出发时，软件平台没有立即监测到短路故障，而是有短暂的延时，这样，在实际电抗器监测中，此程序的判断精度将很低。因此，选取信号最大值测试模块代替信号幅值测试模块，此问题得以很好的解决。

3 硬件报警电路的搭建

NI myDAQ是美国国家仪器有限公司新近推出的一个便携式教学设备。实际电抗器产生的信号将实时通过NI myDAQ送入计算机，若LabVIEW软件平台检测到匝间短路，将把报警信号送出给NI myDAQ，NI myDAQ进而驱动硬件电路部分，产生硬件报警。

NI myDAQ的端口配置如图5所示。连线时，先将AGND与AI-0-端相接，电抗器测试线圈信号由AI-0+端与AI-0-端接入计算机；报警输出信号由AO-0与AGND送出计算机，驱动硬件报警器电路工作。

图5 NI myDAQ的端口配置

设计的硬件报警电路如图6所示。

图6 硬件报警电路

4 在线监测系统测试

磁场探测法在线检测系统主要由电抗器、变压器、补偿电容、NI myDAQ及服务器等构成，如图7所示[3]。

图7 在线监测系统

打开电源，调整变压器至150V，电抗器开始工作。在未发生匝间短路时，信号通过NI myDAQ传入服务器；当人为短接预留的短路位置，使电抗器发生匝间短路时，LabVIEW软件平台迅速报警，报警界面如图8所示。

图8 短路实验测试报警界面

由检测过程可知，此软件平台可以迅速检测到实验电抗器的匝间短路，具有较好的灵敏性。

此时，硬件部分的蜂鸣器发出警报，LED点亮。

5 结束语

本次开放实验基于本科生阶段电磁场知识，由较前沿的实际问题出发，针对电力系统中常见的匝间短路危害，给出了一个实用性强、容易理解的解决方案。通过NI Labview和NI myDAQ应用，精确有效地对匝间短路进行了实时监测。

参考文献

[1]梁正波.干式空芯电抗器匝间短路故障在线检测方法研究[D].西安：西安交通大学，2010.

[2]杨继超.干式空芯电抗器匝间短路故障在线检测系统的设计[D].西安：西安交通大学，2012.

[3]赵彦珍，马西奎，梁正波，等.一种干式空芯电抗器匝间短路故障在线实时检测方法[P].专利号：ZL201010217935.7.

[4]应柏青，赵彦珍.电路电磁场综合实验――空心电抗器匝间短路故障在线检测的设想[J].高校实验室工作研究，2012，1：48-49.

作者简介：谢元珑（1996，05-），男，广东广州，西安交通大学电气工程学院在读本科生。

应柏青（1964，12-），女，浙江仙居，西安交通大学电气工程学院高级工程师，主要从事电路、电磁场等技术基础课的实验教学工作。