基于电流偏差系数法的变压器绕组变形在线监测仿真

摘 要： 为实现更加坚强的电网目标，对变压器绕组变形进行在线监测显得越发重要。介绍了应用电流偏差系数法在线监测变压器绕组变形的基本原理，并在Simulink仿真平台进行仿真。经套管末屏向绕组中注入频率为600 kHz～1.2 MHz之间某一单一频率正弦信号，并测量绕组首端和中性点接地线上的高频电流，通过计算绕组首末两端电流的变化及电流偏差系数以确定绕组变形的程度、类型和位置。通过仿真，该方法不仅能够判断绕组是否发生变形，而且能够判断绕组变形的类型、程度和位置。该方法用于变压器绕组变形在线监测简单、有效。

关键词： 绕组变形； 在线监测； 电流偏差系数； Simulink

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0155?04

0 引 言

大型变压器在运行过程中不可避免地要遭受到各种短路故障的冲击，特别是变压器出口或近距离短路故障[1]；此外在长途运输或者安装过程中，可能会发生意外的碰撞或震动，这些都可能导致绕组发生变形。变压器绕组发生轻微变形后会给变压器的安全运行带来隐患，减少变压器的寿命；绕组发生重大变形则导致变压器直接退出运行。

目前，离线检测变压器绕组的方法有：通过试验测量变压器短路阻抗并和历史数据比较的短路试验法；在绕组一侧施加低压脉冲并比较脉冲响应的低压脉冲法[2]；测量变压器频率响应并横向、纵向比较其变化的频率响应法[3]；通过提取变压器的振动信号来判别绕组变形的变压器振动检测法[4]等。上述方法均要求变压器退出运行，属于离线检测方法，不能实时监测变压器绕组的状况并及时发现早期故障，更不能实现状态维修。

P.M. Joshi和S.V. Kulkarni 提出的电流偏差系数（Current Deviation Coefficient，CDC）法[5]，不仅能够实现在线监测变压器绕组健康状况，而且能够通过电流偏差系数确定绕组变形的类型和程度以及变形的位置。本文介绍了电流偏差系数法的基本原理，并通过Simulink计算机仿真平台进行仿真。

1 电流偏差系数法

变压器绕组可以用一个集中参数电路进行等效，在一定的频率范围内，它可由有限的部分构成，每一部分由串、并联电容[Cs]，[Cg]和串、并联电感[Lii]，[Lij]构成的[π]型电路组成[6]，如图1所示。

在600 kHz～1.2 MHz范围内的某一单一频率信号下，变压器的绕组呈容性，并且可由串联电容和并联电容组成的梯形网络构成[7]。对于绕组微小变形，串联电容和并联电容的容值变化能够直接反映出绕组轴向和径向变形的程度[8]。图1中，如果将2端短路并接地，在1端施加一个正弦高频稳压源，则该图可简化为如图2所示。

其中，[I1H]和[I2H] 分别是绕组健康状态时施加高频信号后的首末两端的电流；[I1H′]和[I2H′] 分别是绕组变形后施加高频信号后的首末两端的电流。

由以上可知，CDC值与串联电容或并联电容的改变量无关，只和电容所处的位置有关，因而能够根据CDC值进行绕组变形故障定位。此外，轴向位移导致串联电容变化，此时CDC值总是正的；径向变形导致并联电容变化，此时CDC值总是负的。所以根据CDC值亦可以判断绕组变形的类型。

2 仿真电路

在Simulink 平台上搭建好电流偏差系数法在线监测变压器绕组变形的总体电路，主要有高频、工频及谐波信号部分，信号耦合部分，数字滤波及有效值测量部分以及变压器绕组的容性等效模型电路部分组成。

高频低压信号源由于耐压有限，在通过电容C_coup耦合到变压器的套管末屏之后，还必须要并联一个分压电容C_div，其大小计算如下：

[2UUsin=C_divCb] （4）

则：

[C_div=2UCbUsin] （5）

式中：[U]为系统额定电压；[Cb]为套管电容；[Usin]为高频信号源的耐压值；[C_div]为分压电容。

通过变压器套管的末屏，高频信号被施加信号到绕组上，示意图如图3所示，C1为套管电容，C2为套管末屏对地电容。

3 仿真结果

3.1 同一性质电容单一变化

首先对每一部分的串联电容[Cs]依次改变容值，变动幅度为-0.37%～0.37%，并联电容值保持不变。结果如图4所示。其次，保持串联电容值不变，依次改变并联对地电容[Cg]的容值，结果如图5所示。

由图4和图5可以看出，改变每一部分的串联电容[Cs]或者并联电容[Cg]的容值并保持其他部分电容值不变，且不论电容的改变量是增大或减小，每一部分的电流偏差系数CDC的数值变化非常小，并且不同部分的CDC值相差较大，因此参数电流偏差系数可以作为判断绕组变形位置的依据；此外，可以看出串联电容变化的CDC数值均是正值，而并联电容变化的CDC数值均是负值，因此该值能够作为判断绕组变形类型的依据。

3.2 同一性质电容同时变化

选取串联电容第三、第四、第五部分作为观察对象，依次同时改变第三和第四部分的串联电容值；然后依次同时改变第四和第五部分串联电容值；最后同时依次改变第三、第四和第五部分串联电容的值，得到的结果如图6所示。

类似的，如果绕组多个部分的并联电容值发生变化，其电流偏差系数值变化情况如图7所示。

由图6和7可以看出，电流偏差系数不会随着多部分同一性质（串联或者并联）电容同时发生变化而发生剧烈变化，其值基本在一个较小的范围内变化，并且串联电容同时变化时数值为正，并联电容同时变化时为负值。

3.3 不同性质电容同时变化

选取串、并联电容第三和第四部分作为观察对象，依次改变它们容值的大小，其结果如图8所示。

由图8可以看出，电流偏差系数的数值会沿着一种趋势进行变化，并且可能出现正负值交替变化，这主要取决于是串联电容的变化起主要作用还是并联电容的变化起主要作用，也就是说，是轴向变形较大还是径向变形较大。由仿真可以看出，在串、并联电容值都减小的情况下，串联电容的变化起主要作用，电流偏差系数为正值，且随着变形的减小，该值具有逐渐的增大的趋势；在串、并联电容值都增大的情况下，并联电容的变化起主要作用，电流偏差系数为负值，且随着变形的增大，该值具有逐渐的增大的趋势。

3.4 绕组变形判定

在判断变压器绕组是否变形以及变形的程度时，首先是通过比较实时监测到的变压器上首末两端的高频小电流与绕组呈健康状态时的变压器的首末两端电流是否发生变化，即ΔI1和从图9和图10中可以看出，当串联电容Cs变化由小逐渐增大时，每一部分的末端电流I2的数值都是呈现增大的趋势；而当并联电容Cg的变化由小逐渐增大时，每一部分的末端电流I2的数值都是呈现减小的趋势。但对这两种情况而言，总的趋势是绕组变形越大，ΔI2的绝对值越大，因此可以依据该值来判断绕组变形的程度。

4 结 语

变压器绕组变形在线监测是构建一个坚强智能电网的必要准备。本文主要对电流偏差系数法在线监测变压器绕组变形进行了仿真。通过仿真，在变压器绕组首端注入一个高频低压正弦信号，同时测量绕组首末两端的高频低压电流信号，应用电流偏差系数法能够对变压器绕组的微小变形做出快速准确的判断，并且能够对故障类型和位置进行辨识，很好的实现了变压器绕组变形的在线监测。

参考文献

[1] 赵宇彤， 庞海龙.变压器出口短路故障分析[J].电工技术，2012（10）：12?13.

[2] 王钰，李彦明，张成良.变压器绕组变形检测的LVI法和FRA法的比较研究[J].高电压技术，1997（1）： 13?15.

[3] 严玉婷，江健武，王亚舟，等.变压器绕组变形测试的

理论分析与试验研究[J].高压电器，2010（5）：55?59.

[4] SHAO Yu?ying， GUAN Hong， JIN Zhi?jian， et al. The fault detection of transformer windings' deformation based on vibration frequency response analysis [C]// Proceedings of 2012 International Conference on the Quality， Reliability， Risk， Maintenance， and Safety Engineering. Chengdu， China： ICQRMSE， 2012： 713?718.

[5] JOSHI P M， KULKARNI S V. A novel approach for on?line deformation diagnostics of transformer windings [C]// Proceedings of 2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting. [S.l.]： IEEE， 2010： 1?6.

[6] KULKARNI S V， KHAPARDE S. Transformer engineering： design and practice [M]. [S.l.]： CRC， 2004.

[7] JOSHI P M， KULKARNI S. Use of a deformation coefficient for transformer winding diagnostics [C]// 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting ? Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. Pittsburgh， PA： IEEE， 2008： 1?4.

[8] WANG M， VANDERMAAR A J， SRIVASTAVA K. Improved detection of power transformer winding movement by extending the FRA high frequency range [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（3）： 1930?1938.