《基于傳遞函數(shù)法的變壓器繞組變形監(jiān)測研究》8200字（論文）

目錄目錄緒論1.1選題背景及其意義1.1.1選題背景自我國首條500kV特高壓輸電線竣工投產(chǎn)以來，中國形成了500kV骨干輸電網(wǎng)架[1]，但在后續(xù)發(fā)展中已經(jīng)不能滿足需要的大容量、遠距離的輸電需求。因此電力系統(tǒng)需要建立“特高壓輸電”，骨干網(wǎng)是以1000kV特高壓AC輸電線為基礎(chǔ)，再按電壓等級劃分，其基本特征是：具有明確的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和強大的網(wǎng)絡性能[2]。變壓器是電網(wǎng)中的關(guān)鍵設備，它的安全和穩(wěn)定是影響電網(wǎng)整體安全的關(guān)鍵因素，對其故障的原因進行了深入的研究。故障診斷比較簡單，而變壓器內(nèi)部故障的診斷主要是針對變壓器故障后的電氣量和非電氣量[3-4]，目前，對變壓器的潛在故障檢測還處在初級階段，對線圈的小故障反應不大。相關(guān)研究表明，在運行中的變壓器經(jīng)常出現(xiàn)外部失效，即區(qū)域外失效，其最直接的結(jié)果就是變壓器本身的線圈會發(fā)生變形，從而造成變壓器匝間失效。其中，匝間失效是變壓器失效的主要原因[5]。1.1.2繞組變形在線監(jiān)測的意義通過實時監(jiān)測電力設備的工作狀態(tài)，評估其工作狀態(tài)，可以顯著地提高其運行安全，延長其使用壽命，并且大大的增加了它的使用。因此，在變電站中，要對變壓器繞組進行實時監(jiān)測，具有十分重要的實際應用價值。變電所的工作狀態(tài)和電力設備是否安全、可靠，能夠及時地發(fā)現(xiàn)各種異常和危險，并針對實際情況，采取相應的防范措施，避免事故加重，造成更大的經(jīng)濟損失。保證儀器運轉(zhuǎn)良好，是保障整個系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵。通過實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)，對設備檢修周期進行科學的規(guī)劃，減少了傳統(tǒng)維修方式下的工作負荷，減少了因維修作業(yè)而導致的停電。因此，對大容量變壓器繞組進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部潛在的隱患，并對其進行預測維修，是非常有實用價值的。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1檢修制度的發(fā)展改善電氣設備的運行可靠性主要有兩個方面：一是改善電設備的品質(zhì)；二是進行合理的檢修與維護。18世紀，電力設備的維修方法以“事后維修”/“故障維修”為主，是最早的維修方法。它的基本原則是，當要維修的設備出現(xiàn)故障，影響到了系統(tǒng)的正常工作，那么它就必須進行維修。這種維修方法最大的問題就是設備有問題后再進行維修，只適合設備少、影響小的系統(tǒng)，但對現(xiàn)實中的系統(tǒng)來說，卻會造成斷電，影響到人身、電網(wǎng)和設備的安全。19世紀的電力設備維修方式以預防性維修為主，其維修方式大致可分為五大類型：定期維修(2)基于可靠性的維修(3)故障查找模式(4)使用直至受損的重新修理(5)主動維護雖然，預防性維護的出現(xiàn)為設備維護帶來了一定的經(jīng)濟利益，而且可以使電器的工作保持在一定的可靠度，從而延長設備的使用壽命，但也存在缺點：要停電進行，周期性進行，而狀態(tài)量在設備處于停電時和運行時檢測到的值不一樣，定期維修時間間隔難確定。20世紀70年代，美國第一次采用了狀態(tài)檢修模型。狀態(tài)維護模式能夠?qū)崟r、高效地判斷被監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，從而決定最佳維護時間。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，預防性維修的缺陷日益突出，而我國實行狀態(tài)檢修制度，更加注重設備的使用情況，應將故障診斷與在線監(jiān)測相結(jié)合。設備狀態(tài)良好，絕緣性能穩(wěn)定，檢驗周期將大大延長。所以，必須加強對設備的實時監(jiān)測，使其能夠及時地反映出其運行狀況。1.2.2繞組變形在線監(jiān)測的方法繞組變形在線監(jiān)測的方法常見的有低壓脈沖法、短路阻抗法和頻率響應法。(1)低壓脈沖法低壓脈沖法是利用一種傳遞函數(shù)對變壓器繞組變形進行分析的方法。“低壓”是在變壓器的一端繞組上施加100V的電壓，然后測初級和次級的接地電壓。(t)和(t)，從而得到如下圖1-1所示的“二端口”網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)h(t)或H(jω)，即：h(t)=Vo(t)/Vi(t)(1-1)h(jω)=Vo(jω)/Vi(jω)(1-2)根據(jù)上列式（1-1）和（1-2）所示數(shù)學表達式來判斷變壓器繞組變形。圖1.1低壓脈沖法原理示意圖目前，變壓器繞組是否能通過出廠短路測試，多采用低壓脈沖方法。而在實際運行中，由于受多方面因素的影響，檢測結(jié)果的重復性比較差，測量結(jié)果不能比較，而且對線圈頭部分的變形也不敏感，很難準確地判斷出線圈的變形位置[6]。(2)短路阻抗法用電阻法對變壓器繞組的變形進行測試是領(lǐng)域內(nèi)首次使用的方法。在實際工作中，變壓器的工作電流很難達到額定工作電流，而且在變壓器繞組變形的早期，所需的數(shù)據(jù)變化非常小，尤其是在測量設備中，這種細微的變化是很難被測量設備檢測到的。因而，該方法更適用于某些變壓器繞組已發(fā)生明顯或十分嚴重的變形。(3)頻率響應法加拿大的Erven和Dick于1978年首先提出了頻率響應方法，并在國內(nèi)外廣泛使用[7]。變壓器線圈是一種可以用一條頻率響應曲線表示的雙端電網(wǎng)，通過公式（1-3）求出其與輸出之間的關(guān)系，繪制一幅反映變壓器線圈工作狀態(tài)的頻率響應曲線。(1-3)利用頻率響應曲線法，對繞組的變形進行了詳細的分析，即在繞組的輸入端上加一個穩(wěn)定的掃描信號，通過對各繞組的輸入、輸出進行信號處理，得到各繞組的頻率特性曲線，并將其與已有的頻率特性曲線進行對比，以確定繞組的變形。結(jié)果表明，采用頻率響應法可以較精確地判斷繞組的變形。1.2.3傳遞函數(shù)法在線性網(wǎng)絡中，其傳輸性能取決于其本身的特點，還與網(wǎng)絡的拓撲和設備的參數(shù)相關(guān)。在實際的變壓器繞組中，該電路的結(jié)構(gòu)和各個元件的參數(shù)都已經(jīng)被確定。當變壓器繞組發(fā)生了變形，傳遞函數(shù)會發(fā)生改變。因此，傳遞函數(shù)的改變可以反映變壓器繞組的變形[8-9]。理論上，傳遞函數(shù)不依賴于所加激勵信號，但在實際應用中，其頻帶寬度、采樣速率等因素都會對其傳遞函數(shù)有一定的影響。低電壓脈沖一般采用沖擊截波，其靈敏性與脈沖的陡度、幅值等相關(guān)，因此對波形和幅值的重現(xiàn)性要求更高。根據(jù)傳遞函數(shù)的變化曲線，判斷繞組是否發(fā)生了變形，按照不同的對比目標，可以將其劃分為縱向和橫向兩類?？v向比較的目標是同一變壓器在不同時刻測量的傳輸函數(shù)譜圖。目前，許多電力部門都對變壓器繞組的變形進行了全面的測試，將各繞組在投入使用之前的傳遞函數(shù)曲線進行了詳細的分析，以便在今后的工作中根據(jù)新測量到的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進行對比，由此可以判定繞組的變形。利用橫向比較方法，可以在不需要初始譜的條件下，對變壓器三相繞組的傳遞函數(shù)譜進行橫向比較，從而診斷出線圈的變形情況。1.3主要研究內(nèi)容本文對變壓器的基本結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析，同時，對繞組變形的原因、危害進行了分析，掌握了在線監(jiān)控變壓器繞組變形的途徑，特別是傳遞函數(shù)法的基本原理。

2變壓器繞組變形分析2.1電力變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器是電網(wǎng)中最昂貴的設備，如果出現(xiàn)故障，將會給電網(wǎng)帶來巨大的經(jīng)濟損失[10-11]。輕微的繞組變形是繞組仍然能夠正常工作而不發(fā)生明顯的變形，但是隨著失效的嚴重程度的增大，它會造成繞組絕緣的損傷或機械強度的下降，而變壓器的正常工作條件將會受到損害[12]。因此，能夠及時、準確地監(jiān)測和預警繞組發(fā)生輕微變形的情況，可以有效地防止繞組的進一步損傷。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，對電力設備進行在線故障診斷的深入研究和開發(fā)已經(jīng)成為一種必然。傳統(tǒng)的離線診斷變壓器繞組變形故障，已不適應智能化電網(wǎng)發(fā)展的需要。為了對變壓器繞組的變形進行在線診斷，已有許多學者進行了大量的工作[13-14]。1.鐵芯鐵芯是變壓器中的一種關(guān)鍵部件，可以組成一個磁回路。線圈采用鐵心作為繞線軸，對電磁、機械強度等有較高的要求。核心由硅鋼板制造，運行損失低。對鐵芯材質(zhì)的需求：①厚度均勻，允許偏差??；②卷材必須平滑，不得有波紋；③外保溫涂料必須堅固，不得脫落；④應具有較高的導磁性能，且損失要盡可能少。2.繞組繞組是變壓器中的關(guān)鍵部分，因為變壓器是通過它與外部電網(wǎng)連接的。繞組采用銅質(zhì)和鋁質(zhì)材料纏繞而成。因為電線是用絕緣材料包住的，所以繞制變壓器鐵心的每個線圈都是彼此隔離的，起到了繞組匝間絕緣的作用。（1）繞組構(gòu)造型式按繞組的結(jié)構(gòu)和纏繞特性，可以分為：圓柱形（或?qū)訝睿├@組和餅形繞組。（2）繞組必須遵守的基本原則變壓器能否正常工作，對繞組的結(jié)構(gòu)設計和制造質(zhì)量有很大的影響。不同繞組根據(jù)不同電壓等級、容量和工作環(huán)境，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，但是，不管是什么繞組，其生產(chǎn)工藝必須符合一定的工藝要求。3.油箱及附件變壓器有干式和油浸兩種類型。油浸式和干式不一樣，它的繞組和鐵芯都是裝在一個裝有絕緣冷卻油的油箱中，油箱采用鋼板進行機械支撐，冷卻，散熱，絕緣保護。(1)油箱的構(gòu)造根據(jù)實際中不同的要求開發(fā)出多種外形的油箱。(2)油箱的主要附件儲油柜、套管提升座、磁屏蔽、減壓閥、散熱器或冷卻器等是油箱的重要配件。2.2變壓器繞組變形變壓器繞組在工作中會受到機械或電氣的影響，繞組在軸向或橫向上都會產(chǎn)生變形，其原因是繞組的局部變形和位移的擴大。2.2.1繞組變形發(fā)生的原因至今已經(jīng)存在的變壓器事故的統(tǒng)計表明,繞組發(fā)生故障的比例比較高[15]。變壓器繞組在受到短路電流沖擊或傳輸過程中的機械碰撞而發(fā)生變形，但事實上，除了以上幾種原因之外，還有其他的一些因素。1.短路電流沖擊對繞組變形的影響最大的是由短路電流引起的，由于電網(wǎng)的運行狀況比較復雜，而導致這種沖擊無法避免。根據(jù)變壓器與繞組軸線的方向，垂直或水平方向，也稱為橫向縱向，如圖2.1所示。而在電磁的作用下，也就是壓縮和擴張，可以把它分成兩類：壓縮徑向作用力和擴展徑向作用力如下圖2.2所示。在工作中，變壓器所承受的壓力與其線圈及電流的方向有關(guān)。在采用雙繞組繞制變壓器時，如果在一定的繞組位置和電流方向上，所受的徑向力不僅使外線圈產(chǎn)生拉力，而且內(nèi)線圈也會受到外線圈的壓力。所以，要想增加線圈對這種拉力和壓力的抗性，就需要一個絕緣圓筒來提供支持。雖然有了絕緣圓筒，但內(nèi)部的線圈不僅要承受外部的壓力，還有外界的壓力。如果變壓器上的短路電流足夠大，則極有可能使繞組負載超出臨界值，造成永久的變形，無法修復，久而久之就會發(fā)生故障。圖2.1軸向力和徑向力示意圖圖2.2徑向力示意圖變壓器繞組變形和故障是一個漫長的過程。對于變壓器來說，當系統(tǒng)發(fā)生短路時，一定會產(chǎn)生縱向或橫向的作用力，當作用力達到一定程度，超出了線圈和絕緣支撐的承受能力，就會發(fā)生變形。在初始階段，繞組的變形主要是局部的，隨著小變形次數(shù)的增加，其強度也隨之增大，并逐步產(chǎn)生匝間失效和絕緣失效。2.意外沖撞由于變壓器的體積大，在運輸、安裝過程中容易發(fā)生碰撞和震動，所以就使得變壓器的繞組受到機械力的影響，也會使線圈和絕緣支撐承受巨大壓力，繞組就會出現(xiàn)變形。繼電保護是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，但其保護死區(qū)和動作失靈是不可避免的，從系統(tǒng)故障開始到故障被切斷，如果不能及時切斷，它會在很長的一段時間內(nèi)，使短路電流的作用力增大，最終導致線圈發(fā)生畸變。4.繞組自身屬性事實上，由于故障具有不確定性，很難預測出短路電流的大小，所以在設計和生產(chǎn)過程中，變壓器的短路電流不能得到充分的考慮，從而導致了變壓器繞組的變形。2.2.2繞組變形的危害繞組變形是變壓器中常見的一種隱患。通過對多個變壓器的實際測試，可以看出，繞組發(fā)生變形后，很難檢測到絕緣測試和油壓測試，因此有潛在的故障。變壓器線圈的許多絕緣故障是由機械損傷所致。當發(fā)生閃電過電壓時，線圈匝間和餅間會發(fā)生擊穿，從而引起絕緣破壞。線圈的力學性能降低，在再次出現(xiàn)短路事故時，線圈將無法經(jīng)受較大的電氣動作而損壞。所以，要積極地對變壓器的變形情況進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)并進行徹底的檢修，不僅節(jié)約了大量的人力、物力，而且還可以避免事故的發(fā)生。2.3本章小結(jié)本章重點闡述了變壓器的鐵心、繞組、油箱和附件，以及變壓器線圈的變形原因，以及繞組變形可能造成的危險。

3繞組的傳遞函數(shù)法分析3.1傳遞函數(shù)法3.1.1傳遞函數(shù)法的原理在1988年，加拿大的馬勒沃斯基和普林首先提出了傳遞函數(shù)法[16]，該方法最初是為了研究變壓器的繞組絕緣性能而進行的。一種獲取變壓器繞組傳輸函數(shù)的方法是采用低電壓脈沖[17]，在線圈的兩端分別用作輸入和輸出，在變壓器線圈的一端施加一個激勵信號，測量另一端的激勵反應，然后用FFT把它轉(zhuǎn)化成頻率域的功能，從而獲得一個傳遞函數(shù)[18-19]。定義電力變壓器的轉(zhuǎn)移電壓傳遞函數(shù)、轉(zhuǎn)移電流傳遞函數(shù)為：或(3-1)式中，、為兩端的電壓頻域特性；、為兩端的電流頻域特性。在實際的變壓器線圈中，設計了電路的組成及各部件的參數(shù)。變壓器繞組的變形使其等效線路參數(shù)和傳遞函數(shù)發(fā)生變化。因此，通過改變傳遞函數(shù)，可以反映變壓器繞組的變形。3.1.2繞組變形程度的分析與判斷通過傳遞函數(shù)方法，比較了各時刻繞組的傳遞函數(shù)曲線，從而得出了繞組的變形情況。在原始模型和待檢測模型中，如果兩個傳遞函數(shù)曲線的樣本序列是：、(k=1,2,...,N)可以使用兩條曲線的相關(guān)系數(shù)和差值的均方根來反映傳遞函數(shù)曲線差異的大?。?3-2)(3-3)用相關(guān)系數(shù)來表示兩條曲線的相似性，而均值方根差則用來表示二者之間的絕對差異[20-21]。當兩條曲線的相似性愈大時，其相似性愈大，而平均方根差愈小，這說明兩條曲線越接近。采用傳遞函數(shù)法對繞組變形進行診斷，一般都是將各階段繞組的傳遞函數(shù)曲線進行對比，從而得出了一種縱向、橫向?qū)Ρ鹊慕Y(jié)論。3.2輻向力變形在雙繞組變壓器中，線圈的電流方向相反，使得外繞組輻射電功率向外，從而引起內(nèi)繞組向內(nèi)的張力。一般情況下，內(nèi)繞組繞在絕緣圓筒上，其內(nèi)壁由撐條支承，由于輻向力的存在，使其產(chǎn)生彎曲應力[22]。在承受一定強度的情況下，拉條之間的金屬絲會由于較大的彎矩而產(chǎn)生撓曲變形。比較常用的輻向變形方式是繞組局部凸起，形成鼓包狀，如圖3.1所示。圖3.1輻向電動力引起的繞組局部突出變形3.3軸向力變形在一定的軸向電動作用力下，墊片之間的導線會由于過度的扭矩而產(chǎn)生永久性的變形，這些變形往往是在圓周上對稱的。如圖3.2所示。圖3.2軸向力引起的繞組縱向?qū)ΨQ變形軸向電動作用力也會引起線圈的軸向移動，或引起線圈中間張開，如圖3.3所示，更嚴重的情形會導致某些線餅崩潰，如圖3.4所示。圖3.3繞組中部撐開變形圖3.4線餅倒塌當繞組軸向位移時，一般是多個線餅沿軸向運動，這時，僅對繞組的整體位置進行分析，而對內(nèi)線電阻的變化則不予考慮。對于等值電路，該方法只考慮相鄰元件間的參數(shù)改變，而不計單位內(nèi)部的參數(shù)變化。在線圈中間張開或卷餅坍塌時，由于線餅的傾斜，變形區(qū)的線餅和各部件的接地電容會產(chǎn)生變化。3.4本章小結(jié)本章介紹了傳遞函數(shù)法，利用其分析并判斷繞組變形程度，介紹了兩種變壓器繞組變形，一種是輻向力變形，另一種是軸向力變形。

4繞組變形分析4.1變壓器原始傳遞函數(shù)曲線近年來，基于傳輸函數(shù)曲線的變化，對變壓器繞組的變形進行了深入的研究。但是，基于傳遞函數(shù)曲線的變化來判定繞組的變形，以往的計算方法大多是基于專家的經(jīng)驗，而關(guān)于傳遞函數(shù)的試驗研究卻沒有相應的理論支撐。在開始仿真不同類型不同程度的變形之前，我們需要一個原始的傳遞函數(shù)曲線來進行對比，如圖4.1所示為變壓器的原始傳遞函數(shù)曲線。圖4.1變壓器的原始傳遞函數(shù)4.2不同類型不同程度的變形分析繞組的變形程度可用變形的線餅數(shù)量來表達，并按繞組的變形程度分別選擇5%、15%、25%和35%四種情況進行模擬。圖4.2表示繞組在輻向形變時的傳遞函數(shù)，圖4.3表示繞組在軸向變形時的傳遞函數(shù)。圖4.2和圖4.3中的（a）表示的是變形的線餅百分比為5%時的繞組變形程度，（b）表示的時變形的線餅百分比為15%時的變形程度，（c）表示的是變形的線餅百分比為25%時的變形程度，（d）表示的是變形的線餅百分比35%時的變形程度。（b）（d）圖4.2繞組發(fā)生輻向變形時的傳遞函數(shù)曲線（b）（d）圖4.3繞組發(fā)生軸向變形時的傳遞函數(shù)曲線下面可以根據(jù)第三章的式（3-2）和式（3-3）來計算不同變形程度的相關(guān)系數(shù)和差值的均方根，具體情況如表4.1和表4.2所示。表4.1不同變形時的ρ值表4.2不同變形時的E值下面根據(jù)表4.1和表4.2畫出圖4.4和圖4.5。圖4.4繞組變形程度與傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)圖4.5繞組變形與傳遞函數(shù)差值的均方根值根據(jù)表4.1、表4.2、圖4.4和圖4.5可以得到，在不同類型不同程度的變形下，繞組的傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)和差值的均方根值有以下規(guī)律：傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)隨變形程度的增大而降低；然而，隨著變形程度的增加，其平均方根也隨之增加。由此可以看出，在變壓器繞組的變形過程中，其傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)與差的均方根值可以作為判斷變壓器繞組變形的基礎(chǔ)。4.3本章小結(jié)首先，通過對繞組的輻向變形和軸向變形的不同程度，推導出其傳遞函數(shù)曲線。之后又計算了不同變形程度的相關(guān)系數(shù)和差值均方根值，證明了其可作為變壓器繞組變形的判斷依據(jù)。

5結(jié)論與展望5.1結(jié)論介紹了一種基于傳遞函數(shù)的繞組變形在線監(jiān)測技術(shù)，并對其進行了分析。首先對變壓器的基本構(gòu)造進行了認識，并對其產(chǎn)生的原因有一定的認識。掌握了傳遞函數(shù)法的基本原理，以此展開對繞組變形的分析與判斷。變形量以百分數(shù)來表示。對5%、15%、25%、35%4種不同的變形進行了數(shù)值仿真，得到了比較完整的仿真模型。結(jié)果表明，在繞組無變形的條件下，繞組的傳遞函數(shù)基本上沒有變化，但是從繞組的變形情況來看，它的傳遞函數(shù)變化是因為繞組的變形引起的。5.2展望本文通過對變壓器進行了較為系統(tǒng)的模擬和試驗，得出了相應的結(jié)論；由于試驗條件所限，無法為不同的試驗環(huán)境設計抗干擾設備，且所采集的信號中存在一定的干擾信號，同時，該系統(tǒng)能夠在一定的時間內(nèi)，對各種干擾因素進行分析，從而制定相應的對策。同時，該方法可以將線圈的變形和對變壓器油等的影響與其他變壓器的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合起來，保證變壓器的正常工作。在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可以添加一些人性化的設計或者其他的功能，從而使整個系統(tǒng)更加的完善。

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