一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法

摘要

本发明公开一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，步骤包括：1)确定耦合注入器参数，并制作耦合注入器；2)搭建高压脉冲装置；3)高压脉冲装置通过耦合注入器向待测电抗器绕组端部注入激励脉冲电压；4)监测输入激励电压信号和输出响应电流信号；5)绘制实测频率响应曲线；6)所述数据处理模块对实测频率响应曲线和基准频率响应曲线进行对比，根据实测频率响应曲线和基准频率响应曲线的相关系数大小，判断待测电抗器的匝间短路故障。本发明提供一种高效、灵敏、非接触的电抗器匝间短路故障在线检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，具体是一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法。

背景技术

电抗器在电力系统中的匝间短路故障问题频繁发生。现有的电抗器匝间短路检测方法主要包括磁场线圈法、温度检测法、电气参数检测法以及脉冲振荡法。但这些检测方法普遍存在操作复杂、灵敏度低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，包括以下步骤：

1)确定耦合注入器参数，并制作耦合注入器。

所述耦合注入器参数包括磁芯材料、磁芯尺寸、绕线材料、绕线匝数、绝缘外壳材料、绝缘外壳尺寸、屏蔽外壳材料、屏蔽外壳尺寸。

所述磁芯尺寸和绕线匝数满足下式：

S

式中，S

所述耦合注入器包括磁芯、绕线、屏蔽外壳和绝缘外壳。

其中，绕线缠绕在磁芯上。

磁芯和绕线位于屏蔽外壳内部。

屏蔽外壳位于绝缘外壳内部。

2)搭建高压脉冲装置。

所述高压脉冲装置包括高压直流电源、FPGA模块、控制电路、脉冲形成单元和放电电阻。

所述高压直流电源为脉冲形成单元中的电容充电。

所述FPGA模块接收上位机发送的脉冲参数，并产生开关控制信号。

所述控制电路接收开关控制信号，并控制脉冲形成单元中开关的通断，令脉冲形成单元产生脉冲电压。

所述脉冲形成单元包括串联的电容和开关。

所述脉冲形成单元通过放电电阻向耦合注入器发送脉冲电压。

3)上位机设定脉冲参数，并发送至高压脉冲装置。

4)高压脉冲装置通过耦合注入器向待测电抗器绕组端部注入激励脉冲电压。

5)放置在待测电抗器绕组端部的电压传感器实时监测输入激励电压信号，放置在待测电抗器绕组端部的电流传感器实时监测输出响应电流信号，并发送至数据处理模块。

6)所述数据处理模块分别对输入激励电压信号和输出响应电流信号进行快速傅里叶变换，得到输入激励电压信号的频域表示U

7)所述数据处理模块根据输入激励电压信号的频域表示U

频率响应传递函数TF如下所示：

式中，I

数据处理模块对实测频率响应曲线和基准频率响应曲线进行对比，根据实测频率响应曲线和基准频率响应曲线的相关系数大小，判断待测电抗器的匝间短路故障。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供了一种高效、灵敏、非接触的电抗器匝间短路故障在线检测方法。

附图说明

图1为发明方法的原理图；

图2为注入信号原理图；

图3为耦合注入器的设计结构图；

图4为高压脉冲装置组成图；

图5为发明方法的实验室验证实现图；

图6为实验室验证实测健康和短路绕组频响曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图4，一种基于IFRA(脉冲频率响应法,Impulse Frequency ResponseAnalysis)磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，包括以下步骤：

1)确定耦合注入器参数，并制作耦合注入器。

所述耦合注入器参数包括磁芯材料、磁芯尺寸、绕线材料、绕线匝数、绝缘外壳材料、绝缘外壳尺寸、屏蔽外壳材料、屏蔽外壳尺寸。

所述磁芯尺寸和绕线匝数满足下式：

S

式中，S

所述耦合注入器包括磁芯、绕线、屏蔽外壳和绝缘外壳。

其中，绕线缠绕在磁芯上。

磁芯和绕线位于屏蔽外壳内部。

屏蔽外壳位于绝缘外壳内部。屏蔽外壳和绝缘外壳上开设有导线引出孔。

2)搭建高压脉冲装置。

所述高压脉冲装置包括高压直流电源、FPGA模块、控制电路、脉冲形成单元和放电电阻。

所述高压直流电源为脉冲形成单元中的电容充电。

所述FPGA模块接收上位机发送的脉冲参数，并产生开关控制信号。

所述控制电路接收开关控制信号，并控制脉冲形成单元中开关的通断，令脉冲形成单元产生脉冲电压。

所述脉冲形成单元包括串联的电容和开关。

所述脉冲形成单元通过放电电阻向耦合注入器发送脉冲电压。

3)上位机设定脉冲参数，并发送至高压脉冲装置。

4)高压脉冲装置通过耦合注入器向待测电抗器绕组端部注入激励脉冲电压。

5)放置在待测电抗器绕组端部的电压传感器实时监测输入激励电压信号，放置在待测电抗器绕组端部的电流传感器实时监测输出响应电流信号，并发送至数据处理模块。

6)所述数据处理模块分别对输入激励电压信号和输出响应电流信号进行快速傅里叶变换，得到输入激励电压信号的频域表示U

7)所述数据处理模块根据输入激励电压信号的频域表示U

频率响应传递函数TF如下所示：

式中，I

8)所述数据处理模块对实测频率响应曲线和基准频率响应曲线进行对比，根据实测频率响应曲线和基准频率响应曲线的相关系数大小，判断待测电抗器的匝间短路故障。

实施例2：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤如下：

1)设计耦合注入器；所述耦合注入器设计内容为：a)磁芯材料选择及尺寸计算；b)绕线材料选择及匝数计算；c)绝缘外壳材料选择及尺寸设计；d)屏蔽外壳材料选择及尺寸设计。

2)利用高压脉冲装置产生激励脉冲电压，并通过耦合注入器加载到电抗器绕组端部进行实验；所述高压脉冲装置包括高压直流电源、脉冲形成单元、控制电路以及放电电阻。其中高压直流电源将 220V交流电转换成输入高压直流电，为脉冲形成单元中电容充电；控制电路通过FPGA控制脉冲形成单元中固态开关的通断，产生脉冲电压作用于放电电阻上；将放电电阻上的电压通过耦合注入器加载到电抗器绕组端部。

3)使用电压和电流传感器获取激励信号和响应信号；

4)数据处理模块将采集信号分析处理，绘制频率响应曲线。

5)计算数学统计参数，对电抗器的匝间短路故障进行诊断。所述数据处理模块主要包括频率响应曲线绘制以及数学统计指标计算功能，均可由编程实现；频率响应曲线绘制是将采集的输入激励电压信号和输出响应电流信号分别进行快速傅里叶变换，然后进行频率响应计算并绘制频率响应曲线。之后通过频响曲线(定性)和数学统计指标(定量)来诊断短路故障。

实施例3：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤如下：

1)通过耦合注入器向悬挂于高压母线上的电抗器注入激励信号。

2)分别采集激励电压信号和响应电流信号。

3)数据处理模块将采集信号分析处理。用电压传感器把高压脉冲装置产生的高压纳秒脉冲激励信号以及绕组末端接地线上的响应电流信号通过模数转换采集至数据处理模块。

4)绘制频率响应曲线并进行故障诊断。

实施例4：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤见实施例3，其中，所使用的耦合注入器的选择方式如下：

考虑到响应纳秒级的脉冲，选择安泰科技的铁基纳米晶软磁合金作为磁芯材料。具有较高的饱和磁通密度以及磁导率。如图2所示，其中u

N

其中，N

S

其中S

绝缘外壳材料采用具有优异绝缘和抗老化性能的硅橡胶。屏蔽外壳材料选择良好屏蔽效能的坡莫合金。整体的耦合注入器的设计结构图如图3，最外层为绝缘外壳，次外层为屏蔽外壳，内部为磁芯。

实施例5：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤见实施例3，其中，所使用的高压脉冲装置包括高压直流电源、脉冲形成单元、控制电路以及放电电阻，如图4所示。其中高压直流电源将220V交流电转换成输入高压直流电，为脉冲形成单元中电容充电；控制电路通过FPGA控制脉冲形成单元中固态开关的通断，产生脉冲电压作用于放电电阻上；将放电电阻上的电压通过耦合注入器加载到电抗器绕组端部。

实施例6：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤见实施例3，其中，所使用的数据处理模块主要包括频率响应曲线绘制以及数学统计指标计算功能，均可由编程实现；频率响应曲线绘制是将采集的输入激励电压信号和输出响应电流信号分别进行快速傅里叶变换，根据式(3)进行频率响应计算并绘制频率响应曲线。式中，I

然后对频率响应数据进行对比。以电抗器在健康情况下测得的频率响应数据为基准，来综合对比分析实测频率响应曲线的波峰、波谷的频率与幅值的变化信息，当实测频率响应曲线的波峰、波谷的频率以及波形形态变化较大时，则认为电抗器存在匝间短路故障。

实施例7：

一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法，主要步骤如下：

1)搭建基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测系统，包括上位机、耦合注入器、高压脉冲装置、电流传感器、电压传感器、数据处理模块。

所述上位机设定脉冲参数，并发送至高压脉冲装置的FPGA模块。

所述高压脉冲装置通过耦合注入器向待测电抗器绕组端部注入激励脉冲电压。

电流传感器、电压传感器放置在待测电抗器绕组端部，分别监测输出响应电流信号、输入激励电压信号，并发送至数据处理模块。

所述数据处理模块集成在上位机中。

所述数据处理模块分别对输入激励电压信号和输出响应电流信号进行快速傅里叶变换，得到输入激励电压信号的频域表示U

所述数据处理模块根据输入激励电压信号的频域表示U

所述数据处理模块对实测频率响应曲线和基准频率响应曲线进行对比，并判断待测电抗器是否存在匝间短路故障，判断标准采用《DLT 911-2016电力变压器绕组变形的频率响应分析法》。

2)通过耦合注入器向悬挂于高压母线上的电抗器注入激励信号。

3)分别采集激励电压信号和响应电流信号。

4)数据处理模块将采集信号分析处理。用电压传感器把高压脉冲装置产生的高压纳秒脉冲激励信号以及绕组末端接地线上的响应电流信号通过模数转换采集至数据处理模块。

5)绘制频率响应曲线并进行故障诊断。

实施例8：

参见图5，一种基于IFRA磁耦合的电抗器匝间短路故障非接触式在线检测方法的验证实验，过程主要如下：

1)设计耦合注入器；

2)利用高压脉冲装置产生激励脉冲电压，并通过耦合注入器加载到电抗器绕组端部进行实验；

3)使用电压和电流传感器获取激励信号和响应信号；

4)数据处理模块将采集信号分析处理，绘制频率响应曲线。

5)计算数学统计参数，对电抗器的匝间短路故障进行诊断。

图6为绕组健康和短路情况下的频率响应曲线图。匝间短路发生后，频响曲线会有向高频移动的趋势。数学统计参数采用标准《DLT 911-2016电力变压器绕组变形的频率响应分析法》中的相关系数CC进行计算，计算过程如下：

记长度为N的实测频率响应曲线的传递函数幅度序列为X(i)，健康频率响应曲线(即绕组无故障状态下的频率响应曲线)的传递函数幅度序列为Y(i)。

经计算CC