检测变压器绕组形变的脉冲响应分析测试装置及方法

技术领域

本发明属于变压器绕组检测技术领域，具体涉及变压器绕组形变的检测装置及方法。

背景技术

变压器是电力系统中主要的电气设备，其正常运行对电力系统的安全生产和可靠性意义重大。变压器在运行过程中不可避免地要遭受各种短路故障，变压器绕组将承受由短路电流产生的巨大且不均匀的电动力作用，导致绕组发生扭曲、鼓包或移位等变形现象。据统计，约1/4的变压器故障是由绕组变形引起。随着电力系统继电保护技术和装置的发展，极大限度地限制了变压器承受的短路电流及其持续时间。单次短路故障对变压器绕组造成的变形往往是轻微的，而在常年运行的重复故障作用下将使变压器绕组的机械结构和绝缘薄弱环节产生潜伏性故障隐患。这种影响积累到了一定程度，就会导致突发性损坏事故，严重时甚至会造成整台变压器绕组报废，影响电力系统正常运行。因此，对变压器绕组是否发生形变进行测试并判断绕组状态，已经成为变压器状态检修的重要项目。

现有检测变压器绕组形变的装置及方法，如申请号为200810119575.X的“一种检测电力变压器绕组变形的测试装置及测试方法”专利，公开的测试装置包括：上位机、测试单元、DDS扫频信号发生器单元、宽频功率放大器单元、电源系统。公开的方法是：利用该装置，测量变压器绕组一个频段的电抗值，与原始同频段的电抗值比较，并比较电抗值随频率的变化趋势；再测量变压器绕组的频响曲线，与原始同频率下的频响曲线比较波峰、波谷频率的一致性，然后根据电抗值随频率变化的趋势和频响曲线的波峰、波谷频率的一致性，判断变压器绕组的变形情况。该专利的主要缺点是：①测试的激励电压信号是由DDS扫频信号发生器单元产生的在固定频段内频率不断变化的正弦电压波，所设定的测试频率范围和测试频率间隔决定了试验测试的灵敏度、抗干扰性和耗时，该装置和方法的测试频率范围有限(通常为1kHz～1MHz)，该频段下测试的灵敏度不能检测变压器绕组轻微变形和绝缘故障；②测试频率间隔固定(通常为1kHz)，不能够随测试频率范围的改变而变化，

测试得的频响曲线在高频段分析会包含过多冗余信号，降低测试的抗干扰性；③DDS扫频信号发生器单元在产生越宽测试频率范围的扫频信号的过程中耗时越长，一次测试需十几分钟才能完成，延长了检修时间；④单元化模块集成度高，易受周围电磁场和环境特别是温度影响，试验时要重复多次测试才能获取稳定数据。因此不能对变压器形变中的轻微变形和绝缘故障进行快速准确检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有检测变压器绕组变形装置及方法的不足，提供了一种检测变压器绕组轻微变形的脉冲高频测试装置及方法，具有检测灵敏度高、抗干扰能力好、测试速度快等优点。

实现本发明目的的技术方案是：一种检测变压器绕组形变的脉冲响应分析测试装置，主要包括脉冲发生器、宽频数字示波器、高压探头、计算机、首端信号阻抗匹配器、末端信号阻抗匹配器、同轴屏蔽电缆。

脉冲发生器选用市购产品，要求能够瞬时产生幅值为100～2000V可调、重复频率为100Hz～10MHz可调、上升沿为5ns～25μs、半脉宽为50ns～250μs的重复指数脉冲电压波。脉冲发生器通过同轴屏蔽电缆与首端信号阻抗匹配器连接。首端信号阻抗匹配器通过其上的电压钳与被测变压器的被测绕组的一端连接，并通过同轴屏蔽电缆与末端信号阻抗匹配器连接。末端信号阻抗匹配器通过高压探头与宽频数字示波器连接。宽频数字示波器还依此通过高压探头和末端信号阻抗匹配器及同轴屏蔽电缆以及首端信号阻抗匹配器上的电压钳与被测变压器的被测绕组的另一端(或中性点)连接，宽频数字示波器又通过交叉网线与计算机连接，以便进行数据交互。首、末端信号阻抗匹配器用以有效屏蔽外界电磁干扰和匹配同轴屏蔽电缆的波阻抗，确保信号在传输终端不会发生折反射，使信号稳定传输。从而提高了检测的灵敏度和抗干扰能力。高压探头用以保护宽频数字示波器和检测信号，并使被测信号在采集终端不发生衰减和畸变。宽频数字示波器用以采集脉冲发生器发送给被测变压器的被测绕组的激励电压信号和被测变压器的被测绕组发出的响应电压信号，并传送给计算机进行分析计算和分析。

宽频数字示波器选用市购产品，要求能够在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400V、频率为0～400Hz的电压信号、采样频率为0～10GS/s、存储容量为0～100MB，可保证采集信号的精度和长度，频响曲线的测试频率范围和测试频率间隔可根据以上参数的变化调整。

高压探头选用市购产品，要求能够检测幅值为-2000～2000V、频率为0～400MHz的电压信号，被测信号通过不会产生衰减和畸变。

首端信号阻抗匹配器由铝合金外壳、匹配电阻、电压钳、接地端子和刺刀螺母连接器(BNC)的母头组装成。其铝合金外壳为边长30～100mm、厚1～5mm的立方型盒，在铝合金外壳的两侧分别开孔并装设刺刀螺母连接器(BNC)的母头，在其另两侧开孔并装设电压钳和接地端子，铝合金外壳和刺刀螺母连接器(BNC)的母头的外壳联通并通过接地端子接地。在铝合金外壳内焊接功率为0.5～2W，电阻值为50Ω的匹配电阻，匹配电阻的一端分别与电压钳的引线和两个刺刀螺母连接器(BNC)的母头芯柱焊接，另一端与接地端子焊接，电压钳夹用于方便夹持连接。

末端信号阻抗匹配器由铝合金外壳、匹配电阻、接地端子和刺刀螺母连接器(BNC)的母头组装成。其铝合金外壳为边长30～100mm、厚1～5mm的立方型盒，在铝合金外壳的两侧分别开孔并装设刺刀螺母连接器(BNC)的母头，在其另一侧开孔并装设接地端子，铝合金外壳和刺刀螺母连接器(BNC)的母头的外壳联通并通过接地端子接地。在铝合金外壳内焊接功率为0.5～2W，电阻值为50Ω的匹配电阻，匹配电阻的一端分别与两个刺刀螺母连接器(BNC)的母头芯柱焊接，另一端与接地端子焊接。

连接用同轴屏蔽电缆为SYV-50-5型射频电缆，并在同轴屏蔽电缆的两端分别加装刺刀螺母连接器(BNC)的公头，方便夹持连接。

计算机为市购笔记本电脑并装载有信号处理和数据分析软件，便于操作和显示最终的分析结果。计算机通过交叉网线与宽频数字示波器连接和交互数据。

一种检测变压器绕组形变的脉冲响应分析测试方法，利用本发明装置，进行现场测试的具体步骤如下：

(1)实验现场准备

首先进行现场准备，拆除与被测变压器连接的所有引线，拆除的引线尽可能远离被测变压器；将被测变压器和测试装置周围的所有电气设备和大中型金属物体移至离测试现场5-15米的范围以外。

(2)测试装置接线

第(1)步完成后，对被测变压器进行测试接线工作，包括：用编织铜带或铜线作接地线将本发明装置的脉冲发生器、宽频数字示波器和首、末端信号阻抗匹配器以及被测变压器的箱体分别就近接地；用同轴屏蔽电缆按本发明装置的接线关系将脉冲发生器、信号阻抗匹配器、高压探头连接，并用交叉网线将宽频数字示波器与计算机连接。最后检查连线是否正确，连接是否良好。当被测变压器正确接入本发明装置，且全部接线连接良好后，才能进行下一步。

(3)测试装置调试

第(2)步完成后，先将脉冲发生器和宽频数字示波器以及计算机启动预热，再设定脉冲发生器的电压幅值、重复频率和持续时间三个参数，并采用“自动设置”功能初始化宽频数字示波器的各参数，然后运行并初始化计算机中装载的分析软件。

(4)输入检测信号

第(3)步完成后，先启动脉冲发生器，即按下“开始”键，脉冲发生器在设定的持续时间内，产生设定电压幅值和重复频率的重复指数脉冲电压信号，单个指数脉冲电压信号为①式。

u(t)＝u₀×(e^-αt-e^-βt)①

该重复指数脉冲电压信号作为激励电压信号v_i(n)注入被测变压器的被测绕组的一端，并同时传送到宽频数字示波器。然后调整宽频数字示波器的采样频率和点数、显示时间和幅值的分辨率和基准位置、触发方式和位置和保存路径等参数，调整好参数后将宽频数字示波器中显示的激励电压信号v_i(n)和激励电压信号注入被测变压器的被测绕组后产生的响应电压信号v_o(n)采集并保存。其中n＝0，1，…，N-1，共N个采样点数。

(5)数据计算分析

第(4)步完成后，先登陆计算机中的分析软件并进入操作界面，将保存在宽频数字示波器中的激励电压信号v_i(n)和响应电压信号v_o(n)，通过交叉网线以PXI总线通信方式传输并保存到计算机中，再按分析软件的运算流程，通过快速傅里叶变换式②和③，将时域激励电压信号v_i(n)和响应电压信号v_o(n)变换为频域激励电压信号V_i(k)和响应电压信号V_o(k)，其中0≤k≤N-1。两式的计算结果通过④式得到被测变压器的被测绕组的频响曲线H(k)，并设定路径保存到计算机中。