牵引变压器绕组变形在线检测方法研究_高仕斌

Study on on- line Detecting of Deformation of Transformer Winding
GA O Sh-i bin1, WA N G Guo1, 2
( 1. S chool of Elect rical Engineering, Southw est Jiaot ong U niversity, Chengdu 610031, China; 2. School of Inf ormat ion and Elect rical Engineering, Lanzhou Jiaotong U n iversit y, Lanzhou 730070, China)
U
( 2) 1
、U
( 2) 12
、I
(2 1
)
、I
(2 12
)
为第二
个时刻测量得
到的
值。
由式( 3 ) , 解得
Z12 = R 12 + jX 12 =
U
(2 1
)
I
(1) 1
-
U
(1) 1
I
(2) 1
-
U
(2) 12
I
( 1) 1
+
I
(1) 1
I
(2) 12
-
I
( 2) 1
I
( 1) 12
U
( 1
显然, 式( 1 ) 中有 4 个未知数 R 1、X 1、R 12、X 12, 没有唯一解, 可以将式( 1 ) 改写成如下的形式
U1
I
1
U12
=
R1+
jX 1 +
I 12 I1
(
R 12 +
jX 12) ( 2 )
对于任意两个时刻, 式( 2 ) 都有
U
( 1) 1
-
U
( 1) 12
I
( 1
1)
=
相差不大时,
可近似认为励磁电流不变,
即
I
(1) m
I
( 2) m
。
对式( 8 ) 作近似处理得
62
铁道学报
第 26 卷
R 1 + R 12 + j( X 1 + X 12) =
(
U
( 2) 1
-
U
( 1
2) 2
)
-
(
U
(1) 1
-
U
(1 12
)
)
I
(2) 1
-
I
( 1) 1
( 9)
因此, 变压器绕组的短路电抗为
从上面的分析可以看出, 这种方法无需在变压器
空载时进行测量, 只需在不同负载下进行两次测量, 然
后根据式( 4 ) 、式( 5 ) 和式( 6 ) 进行计算; 这种方法 与励磁电流没有任何关系, 即不受励磁电流的影响, 能
够准确地测得变压器绕组的短路电抗, 但是这种方法
必须测量变压器原、次边绕组的电流和电压, 才能计算 出该绕组的短路电抗, 对于绕组电流不易获得的变压
牵引变压器是牵引变电所的重要设备之一, 其安 全运行对于保障牵引供电系统可靠运行极其重要。运 输过程中的意外碰撞或短路故障时的电动力, 可能造 成变压器的立即损坏, 也可能仅造成某种程度的绕组 变形, 如不及时发现并修复变形, 可能引发牵引供电系 统, 甚至电力系统故障。国内外的统计数字表明变压 器绕组变形是电力系 统安全运行的一 大隐患[ 1] 。正 确及时的变形检测能保证变压器故障元件得到及时的 替换, 无故障元件得到最大限度的使用, 从而延长变压 器的实际使用寿命。
励磁电流代表负荷励磁电流的精度要高得多。
2 各种接线牵引变压器测量方法
由上述分析, 对于不同接线形式变压器的短路电 抗在线测量的首要问题是获得每一相的输入、输出电 压和电流的幅值和相 角。本文将讨 论斯科特( Scott ) 平衡变压器、YN, d11 变压器和阻抗匹配平衡变压器 获得电压、电流的方法。
X sh = X 1 + X 12 =
Im
(
U
( 2) 1
-
U
( 1
1)
)
-
(
U
(2 12
)
-
I
(2) 1
-
I
(1) 1
U
( 1) 12
)
( 10)
式中, Im{ } 为取{ } 中的虚部。
当变压器含有 形绕组时, 通过式( 10) 进行短路电
抗计算, 但是该方法是基于 2 次测量时励磁电流不变得
到的结果。这种近似处理的测量精度较文献[ 7, 8] 用空载
U 1 - U 12 = I 1[ R 1 + R 12 + j( X 1 + X 12) ] -
I m ( R 12 + jX 12)
( 7)
显然, 式( 7 ) 中不含 形绕组电流的归算值, 对
于任意两个时刻, 式( 7 ) 都有
U
( 1
1)
-
U
( 1) 12
=
I
(1) 1
[
R
1+
R 12 +
j( X 1 +
X 12) ] +
I
(1) m
(
R
12
+
jX 12)
U
( 1
2)
-
U
来自百度文库
( 2) 12
=
I
(2) 1
[
R
1+
R 12 +
j( X 1 +
X 12) ] +
I
(2) m
(
R
12
+
jX 12)
( 8)
式中,
I
(1) m
为前一时刻励磁电流;
I
(2) m
为后一时刻励磁
电流。
实际上, 励磁电流 I m 不易测得, 但在两时刻负载
以单相变压器为例, 其等效电路如图 1 所示。
根据图 1, 任何时候都有
U 1 - U 12 = I 1( R 1 + jX 1) + I 12( R 12 + jX 12)
( 1)
式中, U 1 为变压器一次侧的端电压; U 12 为二次侧端 电压在一次侧的归算值; I 1 为变压器一次侧电流; I 12 为二次侧电流在一次侧的归算值; R 1、X 1 分别为一次 侧的电阻和电抗; R 12、X 12 分别为二次侧的电阻和电 抗在一次侧的归算值。
第 2期
牵引变压器绕组变形在线检测方法研究
61
发展方向。文献[ 7, 8] 提出了一种利用监测短路电抗 来诊断变压器绕组变形的原理及实现方法, 该方法利 用测量变压器空载时的励磁电流来修正负载时的励磁 电流。
本文通过理论分析, 在文献[ 7, 8] 的基础上, 针对 不同接线形式的变压器, 提出 2 种变压器绕组变形的 在线监测原理, 分析了各种情况下的测量误差, 通过计 算机仿真, 检验了其在工程上应用的可行性。
Abstract: T he domest ic and oversea research and st at ist ics indicat e t hat transformer winding deformation is a hidden trouble for t he safe running of t he elect ric pow er syst em, and the met hod via measuring t he short - circuit reactance of the pow er t ransformer to est im ate the deformation is effect ive. T w o kinds of methods for det ect ing t he winding def orm at ion of t he pow er t ransf ormer are proposed in t he paper. T hese methods are based on on- line monitoring of prim ary and secondary currents and voltages t o carry out real- t ime computat ion of the short - circuit react ance of w indings. T he on- line monit oring scheme is designed for t raction t ransf orm ers w it h the main type of connect ion used on elect ric railw ays. T he effects CT and PT errors, hysterics and load variation on short - circuit react ance are discussed also. T he proposed met hods have been proved f easible in eng ineering . Key words: T ransformer; w inding; deformat ion; short- circuit reactance; on- line monit oring and measurement
R 1 + jX 1 +
I
( 1) 12
I
( 1) 1
(
R
12
+
jX 12)
U
( 2) 1
-
U
( 2) 12
I
( 1
2)
=
R 1 + jX 1 +
I I
( 2) 12 ( 2) 1
(
R
12
+
jX 12)
( 3)
式中,
U
(1) 1
、U
(1) 12
、I
(1) 1
、I
( 1) 12
为第一个时刻测量得到的
值;
1) 2
I
( 2) 1
(
4)
Z1 = R 1 + jX 1 =
U
(1 1
)
I
(2) 12
-
U
(1) 12
I
(2) 12
-
U
(2) 1
I
( 2) 12
+
I
(1) 1
I
(2) 12
-
I
( 2) 1
I
( 1) 12
U
( 1
2) 2
I
( 1) 12
(
5)
变压器的短路电抗为
X sh = X 1 + X 12
( 6)
目前, 普遍采用的变压器绕组变形的检测方法有
收稿日期: 2003-07-25; 修回日期: 2003-10-24 作者简介: 高仕斌( 1963 ) , 男, 湖北随州人, 教授。 E-mail: gao_shi_bin@ sina. com
阻抗分析法、低压脉冲分析法、频率响应分析法和电容 监测法[ 2~ 4] 。阻抗分析法原理简单, 但误差较大且灵 敏度较低。低压脉 冲分析法克服了阻抗 分析法的缺 点, 且灵敏度较高, 能测出绕组 2 mm ~ 3 mm 的弯曲 变形, 但在现场应用时, 抗干扰能力差、重复性不好, 双 屏蔽电缆和接地线排列方式、周围物体等, 均对测试结 果有影响。与低压脉冲法相比, 频率响应分析法具有 抗干扰能力强, 测量重复性好的特点, 且灵敏度更高, 能检测出相当于短路阻抗变化 0. 2% 的绕组变形, 但 为了正确检测, 需要大量的变压器历史检测数据, 在历 史数据缺乏的情况下, 推广十分困难。这些方法都不 容易实现变压器绕组变形的在线监测。文献[ 5] 认为, 短路电抗是判断绕组变形的有效方法。文献[ 6] 指出, 开发不影响变压器运行状态的 监视 与 诊断 系统是
1 变压器绕组变形监测原理
文献[ 7, 8] 介绍了一种短路电抗监测方法及其实 现, 该方法是基于变压器工作在磁化曲线的线性区域, 认为空载和负载情况下励磁电流相同, 为了消除励磁 电流的影响, 在空载和负载情况下各进行一次测量, 来 确定短路电抗的大小, 短路电抗在线监测的结果受变 压器最初投入时的运行情况影响较大。为此本文提出 了一种基于 2 种不同负荷对变压器的电气参数进行 2 次测量, 通过计算来获得待测变压器的短路电抗值的 方法, 以消除或减少励磁电流对测量结果的影响。 1. 1 短路电抗在线监测原理之一
第 26 卷第 2 期 2 00 4年4月
铁道学报 JOU RN AL O F T HE CH INA RAIL WAY SOCIET Y
Vol. 26 N o. 2 Apr il 2004
文章编号: 1001- 8360( 2004) 02-0060- 06
牵引变压器绕组变形在线检测方法研究
高仕斌1, 王 果1, 2
( 1. 西南交通大学 电气工程学院, 四川 成 都 610031; 2. 兰州交通大学 信电学院, 甘 肃 兰州 730070)
摘 要 : 国内外的研究和统计表明, 变压器绕组变形是电力系统安全运行的一大隐患, 通过测量变 压器绕组短 路 电抗来 判断变压器绕组是否变形是一种有效的方法。本文提出了 2 种通过在线监测原、次边的电压和电流, 实 时 计算绕组的短路电抗来判断变压器绕组变形的方法, 并对电气化铁 路主要接 线形式的牵 引变压器绕 组变形的 在 线监测方案进行了设计。论文分析了互感器误差对短路电抗测量结果的影响; 通过变压器建模, 分析了磁滞特 性 和负载变化大小对短路电抗测量结果的影响, 验证了 该方法在工程应用上的可行性。 关键词: 变压器; 绕组; 变形; 短路电抗; 在线监测 中图分类号: U 224 文献标 识码: A
器, 这种方法就不适用。
1. 2 短路电抗在线监测原理之二 对于有的绕组采用 形连接( 如 YN, d11) 的变压
器, 由于绕组电流不易测得, 短路电抗也就无法按原理
一计算。下面讨论这种情况的短路电抗测量方法。
以 YN, d11 变压器为例, 认为图 1 为 YN, d11 变
压器的等值电路, 有