CN104407240A - 三绕组变压器损耗在线检测系统及损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三绕组变压器损耗在线检测系统及损耗计算方法，其特点是：包括电流采集器，该电流采集器与变压器高压侧三相连接从而采集电流信号；还包括电压采集器，该电压采集器与变压器高压侧三相CVT连接从而采集电压信号；以及射频通信控制单元，该射频通信控制单元通过有线或无线方式与前述的电流采集器和电压采集器连接，并且该射频通信控制单元还通过有线方式与计算机连接，该计算机通过有线或无线方式与前述的电压采集器连接。本发明公开了一种现场变压器空载损耗测量系统，该系统可以在变电站等现场测量变压器的空载电流和空载损耗，为变压器检修提供对比依据。

Description

三绕组变压器损耗在线检测系统及损耗计算方法

技术领域

本发明涉及一种三绕组变压器损耗在线检测系统及损耗计算方法。

背景技术

随着超高压电网建设规模及输电容量增大，相应变压器的安全运行将极为重要。主变压器的空载特性曲线将为以后变压器运行检测提供对比依据。变压器的空载试验是从变压器的任意一侧绕组施加额定频率波形为近似正弦波的额定电压，在其他绕组开路的情况下，测量变压器的空载损耗和空载电流的试验。变压器在制造的过程中，为了检查产品的质量，需要进行多次空载试验；在交接预防性试验中，当变压器交接和更换线圈时均应进行空载试验。

变压器空载试验的主要目的是：测量变压器的空载电流和空载损耗，看其是否符合产品有关标准和技术条件要求，通过测试产品的空载电流和空载损耗发现铁心磁路中局部或整体缺陷，根据感应耐压试验和短路试验前后测量的空载试验比较，判断变压器绕组是否有匝间短路情况。运行中的变压器发生异常时，空载试验是一项有效的实验方法。通过测量变压器的空载电流和空载损耗并进行横向、纵向对比，发现磁路中的局部或整体缺陷；检查线圈匝间、层间绝缘是否良好，铁心硅钢片间绝缘状况和装配质量等。对于这些缺陷的正确判断都依赖于空载电流和空载损耗测量的准确。同时，根据节能降耗的要求，空载电流和空载损耗也成为高电压、大容量变压器订货、验收的一项重要参数。因此研究变压器在变电站现场空载试验有很重要的意义。

现场调试时主变压器的空载试验和变压器在制造厂试验站的出厂试验有很大的不同。(1)厂内进行空载特性试验时是单台进行试验，在现场调试时进行的空载试验是三相联接在一起的。当变压器任意一侧绕组上施加正弦波的额定电压时，在变压器铁心产生的磁通也为正弦波，但是由于铁心的磁化曲线在饱和段是非线性的，所以要产生正弦的磁通，空载电流的波形将产生畸变。单相变压器，因单相试验线路中空载电流的各次谐波均可通过。因此空载电流中的3次谐波分量最大。谐波分量主要为3次、5次、7次。单相变压器组成变压器组后，不论绕组是Y联结还是D联结，在线路中是不能通过三次谐波的，谐波分量主要为5次、7次。(2)变压器在试验站空载试验时，试验电源采用同步发电机组，在低压侧侧加压，空载电流相对较大，而且有专有测试空载电流用的高精度电流互感器。而在变电站现场，电源来自高压侧，空载电流极小，并且为了保证变压器的安全正常运行，空载电流的测试不能改变一次设备的接线方式且应安全可靠。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种三绕组变压器损耗在线检测系统，能够快速准确测量变压器空载损耗，为变压器状态评估提供依据；

本发明的目的之二是提供一种准确可靠的三绕组变压器损耗计算方法。

一种三绕组变压器损耗在线检测系统，其特别之处在于：包括电流采集器，该电流采集器与变压器高压侧三相连接从而采集电流信号；还包括电压采集器，该电压采集器与变压器高压侧三相CVT连接从而采集电压信号；以及射频通信控制单元，该射频通信控制单元通过有线或无线方式与前述的电流采集器和电压采集器连接，并且该射频通信控制单元还通过有线方式与计算机连接，该计算机通过有线或无线方式与前述的电压采集器连接。

其中电流采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、存储模块、无线射频模块连接，还包括钳型传感器，该钳型传感器通过前述的数据采集器与模数转换器连接。

其中电压采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、无线射频模块连接，还包括与变压器高压侧三相CVT连接的调理电路，该调理电路通过前述的数据采集器与模数转换器连接，该微控制单元还直接与所述的计算机连接。

一种三绕组变压器损耗计算方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

采用权利要求1中记载的在线检测系统，通过与变压器高压侧三相连接的电流采集器采集电流信号，通过与变压器高压侧三相CVT连接的电压采集器采集电压信号，根据采集到的三相的电流、电压信号采用数值计算的方法，计算出平均功率，即从平均功率的定义出发计算公式为：

$P=\frac{1}{T}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i{i}_i\mathrm{\Δt};$

式中：△t＝1/f，f为信号采集处理分析仪的采样率。

本发明公开了一种现场变压器空载损耗测量系统，该系统可以在变电站等现场测量变压器的空载电流和空载损耗，为变压器检修提供对比依据。与变压器在制造厂的出厂试验不同，变电站现场试验，电源来自高压侧，空载电流极小，并且为了保证变压器的安全正常运行，空载电流的测试不能改变一次设备的接线方式且应安全可靠。采用本发明的系统和方法后，为实现变压器空载损耗检测，在变压器二次侧开路条件下可以通过精确测量变压器一次侧的电压和电流，计算变压器空载状态下的损耗。

附图说明

图1是本发明在线检测系统的组成原理图；

图2是本发明在线检测系统的工作流程图；

图3是本发明在线检测系统中电流采集器的硬件组成框图；

图4是本发明在线检测系统中电压采集器的硬件组成框图。

具体实施方式

如图1、3、4所示，本发明提供了一种三绕组变压器损耗在线检测系统，包括电流采集器，该电流采集器与变压器高压侧三相连接从而采集电流信号；还包括电压采集器，该电压采集器与变压器高压侧三相CVT连接从而采集电压信号；以及射频通信控制单元，该射频通信控制单元通过有线或无线方式与前述的电流采集器和电压采集器连接，并且该射频通信控制单元还通过有线方式与计算机连接，该计算机通过有线或无线方式与前述的电压采集器连接。

其中电流采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、存储模块、无线射频模块连接，还包括钳型传感器，该钳型传感器通过前述的数据采集器与模数转换器连接。其中电压采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、无线射频模块连接，还包括与变压器高压侧三相CVT连接的调理电路，该调理电路通过前述的数据采集器与模数转换器连接，该微控制单元还直接与所述的计算机连接。

本发明还提供了一种三绕组变压器损耗计算方法，包括如下步骤：

采用权利要求1中记载的在线检测系统，通过与变压器高压侧三相连接的电流采集器采集电流信号，通过与变压器高压侧三相CVT连接的电压采集器采集电压信号，根据采集到的三相的电流、电压信号采用数值计算的方法，计算出平均功率，即从平均功率的定义出发计算公式为：

$P=\frac{1}{T}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i{i}_i\mathrm{\Δt};$

式中：△t＝1/f，f为信号采集处理分析仪的采样率。

现场变压器空载损耗测量系统，电流采集器套装在高压侧A、B、C三相，接收到同步触发信号后采集电流数据，并将采集到的数据利用射频通道通过通信单元发送给计算机；电压采集器，给数据采集卡提供同步采样触发脉冲，并采集电压数据，记录同步触发时的时标，将时标发送给计算机；射频通信单元负责发送给电流采集器和电压采集控制器，同步触发信号，并接收来自电流采集器和电压采集器所获得的分析数据；采集到的损耗计算单元对电流电压数据进行处理，计算出变压器空载损耗。

进一步的，本发明的在线检测系统主要包括：

(1)电流采集器：

电流采集器通过无线射频系统接受采样信号，采样后暂存在存储模块，通过无线射频系统将采集的数据和GPS取得的时标信息传输到计算机。

电流采集器由钳型传感器、数据采集器、模数转换器、数据存储模块、GPS模块、MCU微控制单元等组成。

钳形传感器采用零负载技术，在传感器的二次线圈输出端利用运算放大器的输入短路特点，使传感器二次线圈始终工作在短路状态下，传感器线圈也相应的始终工作在零负载状态下，使得传感器线圈的磁通量几乎为零，极大的减弱了磁滞的影响，传感器的磁性材料选用了初始磁导率较高的坡莫合金，满足小电流的高精度测量要求。

电流经采集后，连接到模数转换器。模数转换器采用高速(250kSPS)、高精度(16bits)模数转换芯片，使本测量仪有较高的分辨率。16位数据接口可最大程度缩短MCU读取转换数据的时间，提高采样数据的处理效率。

经转换后的数字信号存储在数据存储模块，存储的NandFlash采用SPI接口，具有较高的读写速度。用于解决无线传输速度比数据采集速度慢的问题。

GPS模块记录采样时标，输出精度<50nS，满足了采样同步误差的要求。

电流采集器由MCU微控制单元控制，MCU具有较高的处理能力，最高主频可达72MHz，内部RAM96K，可满足电流采集器对数据处理速度和数据缓存的要求。MCU连接射频模块，可接收射频模块的同步触发信号，也可经由射频模块传输存储模块中的数据。电流采集器选择9V输出的电池组供电，通过内部LDO，实现5V和3.3V两种电平电源，分别给AD转换器和数字电流供电。

(2)电压采集器：

电压采集器通过无线射频系统接受采样信号，给采集板卡提供同步触发信号，同步采集电压信号，通过串口通信采集数据和时标信息传输到计算机。电压采集器主要功能是与计算机侧的通信单元进行通信。为保证最小电压采样和电流采样的同步触发误差，电压采集控制器使用与电流采集器相似的硬件设计方案。由调理电路、采集板卡、模数转换器、GPS模块、MCU微控制单元等组成。

电压信号取自现场变压器高压侧的CVT，三相电压信号，接入电压调理电路，通过其中的分压网络，将±100V的电压转换为±5V可以被采集卡采集处理的电压信号。同时调理电路的隔离电路将电压信号隔离输出，防止干扰。

采集版卡使用PXI总线结构，三块采集卡在同一触发信号和同步时钟下，同步采集三相电压信号。电压信号经采集后，连接到模数转换器。模数转换器采用高速(250kSPS)、高精度(16bits)模数转换芯片，经过A/D转换。

GPS模块记录采样时标，输出精度<50nS，满足了采样同步误差的要求。

电压采集器由MCU微控制单元控制。电压采集控制器接收到启动采样的命令后，按照命令时间输出采样脉冲给采集卡，启动采集卡的数据采样。完成启动后，将启动时标发送给计算机。

电压采集器选择9V输出的电池组供电，通过内部LDO，实现5V和3.3V两种电平电源供电。

(3)射频通信与控制单元：

射频通信单元负责发送给电流采集器和电压采集器，同步触发信号，并接收来自电流采集器和电压采集控制器所获得的分析数据。

射频通信单元采用扩频调制通信技术，实现远距离数据传输，解决了高压或特高压测量时的绝缘问题。传统的测量中电磁干扰的影响，特别是小电流测量时电磁干扰对测量精度的影响非常大，无线射频通信彻底解决了电磁干扰在信号传输中对测量精度的影响。

射频通信单元设置在电流采集器、电压采集器和计算机端，实现计算机端和电流电压采集器之间的无线通信。

计算机端设置射频信号与USB信号转接板，该通信单元将虚拟为4个串口，可通过计算机的串口操作实现对4个不同频率通信单元模块(A相电流采集器、B相电流采集器、C相电流采集器、三相电压采集器)的通信控制。

(4)损耗计算单元：

采用计算机。计算机端采集到三相的电流、电压信号，计算变压器每相空载损耗：

吸收的瞬时功率为：

p＝ui  (1)

u,i分别为电压和电流的瞬时值，它们都是时间t的函数。

在工频交流条件下，设单相电源电压是正弦变化的，平均功率指瞬时功率在一个周期内的平均值：

在空载试验时，电流已经产生畸变，含有各次谐波，式(2)的计算公式将产生较大的误差。

因此损耗的测量采用了如下的方法，即根据记录的数据采用数值计算的方法，计算出平均功率。即从平均功率的定义出发计算公式为

$P=\frac{1}{T}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_i{i}_i\mathrm{\&Delta;t}---\left(3\right)$

式中：△t＝1/f，

f为信号采集处理分析仪的采样率。

根据信号采集处理分析仪采集记录的电压、电流波形，对每一点的电压、电流瞬时值相乘，求和，再进行均值即得到平均功率，计算长度不少于200ms。低功率因数时，这种数值计算的方法测试损耗是准确可靠的。

Claims (4)

1.一种三绕组变压器损耗在线检测系统，其特征在于：包括电流采集器，该电流采集器与变压器高压侧三相连接从而采集电流信号；还包括电压采集器，该电压采集器与变压器高压侧三相CVT连接从而采集电压信号；以及射频通信控制单元，该射频通信控制单元通过有线或无线方式与前述的电流采集器和电压采集器连接，并且该射频通信控制单元还通过有线方式与计算机连接，该计算机通过有线或无线方式与前述的电压采集器连接。

2.如权利要求1所述的三绕组变压器损耗在线检测系统，其特征在于：其中电流采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、存储模块、无线射频模块连接，还包括钳型传感器，该钳型传感器通过前述的数据采集器与模数转换器连接。

3.如权利要求1所述的三绕组变压器损耗在线检测系统，其特征在于：其中电压采集器包括微控制单元，该微控制单元分别与数据采集器、模数转换器、GPS模块、无线射频模块连接，还包括与变压器高压侧三相CVT连接的调理电路，该调理电路通过前述的数据采集器与模数转换器连接，该微控制单元还直接与所述的计算机连接。

4.一种三绕组变压器损耗计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用权利要求1中记载的在线检测系统，通过与变压器高压侧三相连接的电流采集器采集电流信号，通过与变压器高压侧三相CVT连接的电压采集器采集电压信号，根据采集到的三相的电流、电压信号采用数值计算的方法，计算出平均功率，即从平均功率的定义出发计算公式为：

$P=\frac{1}{T}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_i{i}_i\mathrm{\&Delta;t};$

式中：△t＝1/f，f为信号采集处理分析仪的采样率。