變壓器繞組故障診斷方法

2023-05-08 10:30:41

專利名稱：變壓器繞組故障診斷方法
技術領域：
本發明涉及利用頻率響應分析(FRA)對變壓器繞組進行故障診斷的方法。本發明特別適合於電力變壓器。
背景技術：
電力變壓器(例如具有幾百千伏(KV)的初級電壓並傳輸幾兆伏安(MVA)到幾百兆伏安範圍的功率的變壓器)在互連電力傳輸網絡或者「電力網(grids)」的系統中是非常昂貴的設備。由於配電網絡被中斷導致的變壓器損壞或者故障能帶來嚴重的經濟後果，因此，非常有必要儘可能長時間的保持這樣的變壓器的運行。
另外，故障，比如短路，還能夠有引發爆炸或者火災的危險。
因此能夠確定與變壓器繞組相關的故障的存在是具有重要意義的。
該問題的一個已知的解決方案是利用FRA。所述技術是在一個寬頻範圍上測量變壓器繞組的阻抗，並將測量結果與一組參考測量值進行比較。為了測量阻抗作為頻率的函數，利用正弦波信號進行頻率掃描是合理的。
因而，圖1是電路1的原理圖，電路1用於在對應於要被測量的變壓器繞組阻抗的阻抗上進行頻率分析。
電路1包括網路分析器2；三個等值測試阻抗Z1；以及一個對應於變壓器繞組被測阻抗的阻抗ZT。
網絡分析器2產生測量信號S。測量信號S是頻率掃描正弦波信號。作為例子，阻抗Z1是測量電纜的阻抗，並且它們的值通常等於50歐姆(Ω)。R是ZT的第一端與接地點之間的被測信號。T是ZT的第二端與接地點之間的被測信號。然後網絡分析器2確定電壓增益k作為頻率函數，用下列運算關係定義k=201og10(TR)]]>
增益k中蘊含著用於分析阻抗ZT的所需信息，等於k=201og10(Z1Z1+ST)]]>當阻抗Z1等於50歐姆的時候，上式得出k=201og10(5050+ZT)]]>要在一個很寬的頻率範圍上測量阻抗，所述範圍能從幾赫茲(Hz)到大約10兆赫(MHz)。
必須在參考繞組上進行相同的測量。參考繞組或者是在假定沒有故障的另一相，或者就是在之前沒有發生故障時進行測量的同一繞組，或者是相同的變壓器的繞組。上述測量同樣產生增益k′作為頻率的函數並且對應於參考繞組。
那麼第一解決方案是用肉眼檢查差別，所述差別是在代表作為頻率函數的k和k′的曲線之間所存在的差別。所述解決方案仍然存在著一定的問題。
由專家用肉眼進行的檢查有很高的主觀因素並且缺乏透明度。
第二解決方案是計算適合於顯示出兩種曲線之間的差別的統計指標。比如，可以用在不同的頻率範圍上計算出的相關係數來組成這些統計指標。
不過，這些統計指標的應用也會產生一些問題。
因此，不能夠識別某些故障；適用於比如被接地的變壓器的磁路或者引發繞組升溫的環流。
類似地，統計指標的這些應用能夠導致混淆某些故障；例如將變壓器外殼的不良接地與繞組的損壞相混淆。

發明內容
本發明試圖提供一種診斷變壓器繞組故障的方法，一方面既提高可被檢測的故障數量，一方面又可將不同的故障進行區分。
為達到上述目的，本發明提供了一種診斷變壓器繞組故障的方法，所述方法包括以下步驟在所述的繞組上測量阻抗作為頻率的函數，所述的測量結果表示為第一電壓增益的形式；將所述的阻抗測量結果與以第二電壓增益的形式表示的參考測量值相比較，所述的比較包括計算三個第一參數的步驟，所述的三個第一參數中的每一個都是相關係數，所述相關係數是覆蓋三個不同的頻率範圍在所述第一和第二增益之間的相關係數；所述方法，其特徵在於，其包括確定至少一個第四參數的相對變量的步驟，所述的第四參數表示所述變壓器的物理量特性，通過比較所述第一和第二增益得出所述相對變量。
採用本發明，將三個相關係數與至少一個第四參數的相對變量相結合，從而可以識別那些只通過相關係數的值不能檢測到的某些故障。依靠所述第四參數的相對變量值，也可能排除那些在不同的可能故障之間進行確定時產生的疑惑。
有利地，所述的第四參數選自於最小增益，基本諧振頻率，以及存在於預定的頻率之上的諧振頻率的數量。
有利地，所述的最小增益是為低於10千赫(KHz)的頻率確定的。
最小增益定義為參照圖1所描繪的作為測量頻率函數的電壓增益k所取得的最小值；所確定的最小增益是小於10千赫的頻率的最小增益。在較高的頻率處所述增益也可能取得最小值，但是這個最小值與識別故障具有較小的相關性。
有利地，所述的三個不同頻率範圍分別是1千赫到10千赫，10千赫到100千赫，以及100千赫到1兆赫。
已證實了在低於1千赫的時候所計算得出的相關係數具有較小的相關性，並且在超過1兆赫的時候計算得出的相關係數則會給出不可靠的信息。
在優選的實施例之中，所述方法包括確定至少一個第五參數以及一個第六參數的相對變量的步驟，所述的第五和第六參數是所述變壓器的特性，通過比較所述的第一和第二增益來獲得所述的相對變量。
在這個執行過程中，所述第四參數是最小增益，所述第五參數是基本諧振頻率，以及所述的第六參數是存在於預定的頻率之上的諧振頻率的數量。
在更優選的方式中，所述的方法包括確定多個診斷編碼的步驟，每一個所述的編碼表明每一個所述的參數是否屬於預定的值域。
在這個實施例中，所述的方法包括確定故障存在的步驟，以及識別所述故障作為所述的多個診斷編碼的函數的步驟。
有利地，通過將所述的多個編碼與存儲在檢索表中的編碼進行比較，來進行所述的確定故障存在並識別所述故障的步驟。


本發明其它的特性和有益效果將在下面對本發明實施例進行的描述中體現出來，對本發明實施例的說明完全是通過非限定的說明給出的。在下面的附圖中圖1是用於進行阻抗頻率響應特性分析的電路圖；圖2是三相變壓器的示意圖；圖3表示各自的增益作為三相變壓器其中兩相的兩個高壓繞組的頻率函數。
具體實施例方式
在前面已經關於現有技術的狀況對圖1進行了說明。接下來要說明的FRA測量都採用如圖1所示種類的分析電路來採集。
圖2是三相變壓器3的示意圖。
三相變壓器3包括一個磁路4；一個外殼5；三個低壓繞組6；以及三個高壓繞組7。
每一對高低壓繞組對應於變壓器的一相，並且與磁路4的各個磁芯9相聯繫。後面在提到變壓器的三相時分別稱作A、B和C。
通過連接部分8將磁路4和外殼5連接在一起，並且兩者都被接地。
可以分別對高壓和低壓進行三個阻抗的檢測。
因此，如果懷疑故障發生在變壓器的其中一個高壓繞組上，就要測量所述繞組的增益作為頻率函數，並要在另一個高頻繞組上面進行同樣的測量，這之後比較所述兩繞組各自的增益。可以看出也可以利用第三高壓繞組進行第三次測量。
還可以將被懷疑為發生故障的繞組上採集的測量值和在所述同一繞組上之前所採集的測量值進行比較。也可以將被懷疑的繞組上採集的測量值與另一相同結構的變壓器中的等效繞組上採集的測量值進行比較。
作為實施例，圖3表示如圖2所示種類的三相變壓器中分別為C相和A相的兩個高壓繞組各自的增益k和k′。
對於在10赫茲到1兆赫之間變化的頻率示出增益k和k′。
懷疑故障存在於相應於增益k的C相高頻繞組上。
為了確定故障的存在，假如有的話，以及為了診斷該故障，本發明所述的方法包括計算六個參數。
最初的三個參數是在下面三個頻率範圍上計算出來的在k和k′之間的相關係數ρ1、ρ2以及ρ1千赫到10千赫，10千赫到100千赫，以及100千赫到1兆赫。
對於兩個n維的數組X(x1，x2，...，xn)和Y(y1，y2，...，yn)，相關係數ρ由以下等式進行定義=i=1nxiyi/i=1nxi2i=1nyi2]]>第四參數定義為低頻時最小增益的相對變量CRk，所述低頻即小於10千赫的頻率值。因此，如果km是要被分析的阻抗的最小增益，k′m是參考阻抗的最小增益，那麼最小增益的相對變量CRk的係數用下式進行定義CRk=kmkm]]>第五參數定義為基本諧振頻率的相對變量CRf。基本諧振頻率是增益k和k′中每個的第一諧振頻率。如果將增益k和k』各自的基本諧振頻率寫成f和f′，那麼參數CRf用下面的等式定義CRf=ff]]>第六參數定義為位於100千赫到1兆赫頻率範圍內的諧振頻率數量的相對變量。如果將位於100千赫到1兆赫頻率範圍內的增益k和k′中的諧振頻率的數量分別寫成n和n′，那麼參數CRn用下面的等式定義CRn=nn]]>將增益k的每一個測量結果與參考增益k′的測量值進行比較，這樣對應於下面這個具有六個參數的數組{ρ1，ρ2，ρ3，CRk，CRf，CRn}。
這些參數或者利用計算工具，或者利用藉助於MSExcel或者其它的電子數據表的算子來進行計算。
這樣，通過計算所述適用於如圖3所示的曲線的參數，得出下列值ρ1＝0.7483ρ2＝0.9797ρ3＝0.8577CRk＝0.98717CRf＝1CRn＝1.8333其後，將每一個值與一個編碼相關。在下面的表1之中總結了這些編碼。
表1

這樣，6個編碼可以與每個六個一組的數組{ρ1，ρ2，ρ3，CRk，CRf，CRn}相關聯。
術語「正常範圍」意味著參數落入認定為是「正常」的變量範圍之內。
所述變量的正常範圍依賴於被用作參考測量的繞組。表2總結出當同一繞組用作分析測量和參考測量的時候的正常變量。
表2 表3總結了用不同的繞組作為參考時的正常變量(如圖3所示)。
表3 對於如圖3所示的曲線的參數{ρ1，ρ2，ρ3，CRk，CRf，CRn}取值為101001。
當確定了這六個編碼時，本發明進行到將所述六個編碼與如表4所示的檢索表中所記載的編碼相比較的步驟。
表4

可以利用運行在Matlab環境下開發的電腦程式，將計算所得的參數與如表4所示的檢索表進行比較。
下面參照圖2給出故障說明。
故障2和3對應於外殼5的不良接地。故障3，是沒有接地，而故障2，是外殼被高阻抗接地，所述高阻抗是外殼5與接地點之間的阻抗(大於50歐姆)。
故障4對應於磁路沒有被接地，也就是，連接8被切斷。
故障5和6對應於在分別接地和接至浮動電位生的環流迴路。這些迴路會引起變壓器升溫。
故障7對應於存在著在被分析的繞組所在相上發生短路的附加線匝。
故障8對應於被分析的繞組端子之間的故障；也就是，完全的繞組短路。
故障9對應於與被分析繞組同相的繞組的端子之間的故障。
故障10對應於與被分析的繞組同相的繞組的線匝上發生的短路。這種故障會產生變壓器升溫。
故障11對應於與被分析的繞組同相的繞組的多匝線匝上發生的短路。這種故障會產生變壓器的升溫。
故障12對應於短路故障，所述短路故障是在線匝之間，端子之間，或者與附加線匝發生的短路。這顯示出故障位於鄰近於正在被測量相的那一相上，發生故障的相是單一的相鄰相，也就是說，緊鄰正在實施測量的相。這樣，如果故障發生在中間磁芯上，由於中間相實際上是緊鄰左右兩相的唯一相，所以分析其它的相會得到所述編碼。
故障13也對應於短路故障，所述短路故障是比如在線匝之間，端子之間，或者在附加線匝上的主電路。然而，它顯示出故障不是緊鄰正在進行測量的相的唯一相上。這樣，如果發現故障位於左手側磁芯上，那麼由於實際上有兩相緊鄰中間相，而不是只有一個，所以分析中間相將得出所述編碼。
故障14對應於被分析的繞組被軸向移位，但是繞組並沒有局部被過分損壞，否則對應於內部繞組發生彎折。
故障15對應於被分析繞組發生局部機械損壞。
故障16是故障14與15的結合。
故障17對應於被分析繞組的不良電氣連接。這種不良連續可能與不良的測量接觸有關。
故障18對應於被分析繞組的其中一個端子被接地。
故障19對應於屬於被分析繞組之外的相的繞組的其中一個端子被接地。
故障20對應於除了被分析繞組之外的繞組的其中一個端子被接地，所述的其它繞組仍屬同一相。
故障18、19和20更多的指示進行測量中的故障。
這樣，通過將與如圖3所示的曲線相關的編碼101001與表4中所列的故障類型相對照，可以推導出16或者18類型的故障是存在的。可利用再次進行測量並確定是否存在類型16的故障，也就是，看繞組是否損壞或者被移位，來消除類型18的測量問題。
自然地，本發明並不被限定在上面所描述的實施例之中。
特別地，採用軟體方式執行的計算參數並在檢索表中進行搜索的步驟也可以由操作人員來執行。
同樣地，所給出的編碼值只是為了說明，它們可以用適用於其它軟體工具的其它值替代。
權利要求
1.一種診斷變壓器繞組故障的方法，所述方法包括以下步驟在所述繞組上測量阻抗作為頻率的函數，所述的測量結果表示為第一電壓增益(k)的形式；將所述的阻抗測量結果與以第二電壓增益(k′)的形式表示的參考檢測值相比較，所述的比較包括計算三個第一參數的步驟，所述的三個第一參數中的每一個都是相關係數(ρ1，ρ2，ρ3)，所述相關係數是覆蓋三個不同的頻率範圍在所述第一和第二增益(k，k′)之間的相關係數；所述方法，其特徵在於，其中包括確定至少一個第四參數的相對變量(CRk，CRf，CRn)的步驟，所述的第四參數是所述變壓器的物理量特性，通過比較所述第一和第二增益(k，k′)得出所述相對變量。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的第四參數是選自於最小增益，基本諧振頻率，以及存在於預定的頻率之上的諧振頻率的數量。
3.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述的最小增益為低於10千赫的頻率確定。
4.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述的三個不同頻率範圍分別是1千赫到10千赫，10千赫到100千赫，以及100千赫到1兆赫。
5.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述方法包括確定至少一個第五參數以及一個第六參數的相對變量的步驟，所述第五和第六參數是所述變壓器的特性，通過比較所述的第一和第二增益來獲得所述的相對變量。
6.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述第四參數是最小增益，所述第五參數是基本諧振頻率，以及所述的第六參數是存在於預定的頻率之上的諧振頻率的數量。
7.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述的方法包括確定多個診斷編碼的步驟，每一個所述的編碼表明每一個所述的參數是否位於預定值域。
8.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述的方法包括確定故障存在的步驟，以及識別所述故障作為所述多個診斷編碼的函數的步驟。
9.如前面任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，通過將所述的多個編碼與存儲在檢索表中的編碼進行比較的方法，來進行所述的確定故障存在並識別所述故障的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種利用頻率響應分析(FRA)對變壓器繞組故障進行診斷的方法。所述方法包括如下步驟在所述繞組上測量阻抗作為頻率的函數，所述測量結果表示為第一電壓增益(k)的形式；將所述的阻抗測量結果與以第二電壓增益(k′)的形式表示的參考測量值相比較，所述的比較包括計算三個第一參數的步驟，所述的三個第一參數中的每一個都是相關係數(ρ
文檔編號G01R31/06GK1532554SQ20031012463
公開日2004年9月29日 申請日期2003年12月10日 優先權日2002年12月10日
發明者S·賴德, S 賴德 申請人:阿爾斯託姆技術及開發公司