变压器绕组变形检测装置研究与设计硕士学位

硕士学位论文变压器绕组变形检测装置研究与设计 Investigate to identify winding deformation of transformer and design the equipmentMIAO LijiaoB.E.(Lanzhou University Of Technology ) 2005A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of EngineeringinDetectionTechnologyandAutomaticEquipmentin the Graduate Schoolof Lanzhou University of TechnologySupervisor Professor Yang XinhuaMay,2010兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日-18-硕士学位论文 目 录摘 要IABSTRACTII插图索引III附表索引V第1章 绪 论11.1 引言11.2 设计变压器绕组变形检测装置的意义11.3 国内外研究现状21.4 研究的内容3第2章 变压器绕组变形的测试方法52.1 引言52.2 国内外测量方法52.2.1 低压脉冲法52.2.2 短路阻抗法72.2.3 频率响应分析法82.3 课题选用的测量方法92.4 频率响应法的辅佐性判断方法102.5 本章小结11第3章 变压器绕组变形检测装置硬件设计123.1 引言123.2 研究内容123.2.1 测试指标123.2.2系统设计123.2.2.1 DDS扫频信号发生电路133.2.2.2调理电路的设计153.2.2.3高速A/D转换电路的设计173.2.2.4 A/D采样转换控制信号产生183.2.2.5 FIFO模块的设计203.2.2.6 USB接口电路设计203.2.2.7蓝牙模块233.3 本章小结26第4章 变压器绕组变形检测装置软件设计274.1 引言274.2下位机程序的开发274.2.1 固件程序274.2.2 下位机主控程序314.3 动态链接库314.3.1 前言314.3.2 设备访问函数334.3.3驱动程序的设计344.3.3.1 查找设备354.3.3.2 获得设备信息集364.3.3.3 识别接口信息364.3.3.4 读写设备374.3.4 动态链接库（DLL）的编写384.3.4.1 打开设备子函数384.3.4.2 关闭设备子函数394.3.4.3 读设备子函数394.3.4.4 写设备子函数414.3.4.5 对DLL的编译424.4 上位机应用程序的开发434.4.1 前言434.4.2 动态链接库函数的调用过程444.4.3上位机数据处理的算法454.4.4 基于LabVIEW编程语言的数据采集程序504.4.5 基于LabVIEW编程语言的数据处理程序514.5 本章小结52第5章 实验结果与分析535.1 前言535.2 1kHz100kHz频段的特征535.3 100kHz600kHz频段的特征535.4 频段600kHz的特征545.5 本章小结55结论56参 考 文 献57致 谢60附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录61I摘 要变压器是电力系统中的重要设备之一，它运行的稳定性对电力系统的安全运行至关重要。电力变压器绕组变形是指在电动力和机械力的作用下，绕组的尺寸或形状发生不可逆的变化。它包括轴向和径向尺寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等，严重威胁着电力系统的安全运行。如果及时发现变压器的事故隐患，能避免事故的发生，最大程度的减少损失。所以对变压器绕组变形检测的研究，有着非常重要的意义。本文在比较深入的研究国内外变压器绕组变形检测基本理论和检测方法的基础上，基于频率响应法，研究和设计了变压器绕组变形检测仪。论文首先研究了国内外目前在电力变压器绕组变形测试中三种基本方法: 低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法,对其优缺点进行比较，确立频率响应法作为本课题变压器绕组检测的基本方法，在此基础上，基于DDS技术、USB技术、蓝牙技术,EDA技术、LabVIEW技术设计了变压器绕组变形测试仪。在扫频信号的产生上，采用DDS技术，扫频信号频率控制方便，精度高；在上位机和下位机的通讯中，采用USB技术，实现电压幅值/频率信号数据的高速传输；作为辅助通讯方式，采用蓝牙技术实现上下位机数据的无线传输；采用EDA技术及PLL技术，实现高速采样控制信号的产生；采用高速ADC实现幅值电压信号的高速A/D转换；采用LabVIEW技术，实现变压器幅频特性的图形化显示。论文基于设计的硬件系统，编写了上位机和下位机应用软件，并且重点对动态链接库的编写、FFT算法这几个关键部分作了详细说明。论文完成的变压器绕组变形仪图形分析方便，易于升级和扩展，模拟实验表明，能够满足设计要求。关键词:变压器；绕组变形；频率响应；FFT；USB；LabVIEWAbstractPower transformer is one of the important equipment.The stability of the safe operation of power systems is essential.Power transformer winding deformation means that the winding of the size or shape of irreversible changes under the electric power and the role of mechanical force. It includes axial and radial size changes. These reasons are a serious threat to the safe operation of the electric power system.If you discover hidden dangers of accidents transformer early, it will to avoid accidents, the greatest degree of reduction of losses.So the detection of transformer winding deformation,has a very important significance.Researching in domestic and international basic theory of detecting transformer winding deformation and the detection method,then basing on the frequency response method researched and designed the transformer winding deformation apparatus.In the paper, firstly reaserched currently three basic testing methods about domestic and international power transformer winding deformation. It includes low-voltage impulse method,short-circuit impedance and frequency response method. Compared advantages and disadvantages and then choosing the frequency response method for detecting transformer winding.In this basis,based on DDS technology,USB technology,Bluetooth technology,EDA technology,LabVIEW technology designed transformer winding deformation apparatus.In the sweep signal generation,using DDS technology and sweep frequency control signal made the precision more high;In the communications,the use of USB technology,achieved voltage amplitude/high frequency signal data transmission in a high speed;As an auxiliary means of communication with Bluetooth technology for wireless transmission;Using EDA technology and PLL technology to achieve high-speed sampling control signal generation;Using LabVIEW technology, display amplitude and frequency characteristics of transformer in graphics.In this paper,based on the design of the hardware system,programed application software,and described the dynamic link library,FFT algorithm,LabVIEW platform data processing in detail.The apparatus of transformer winding deformation has reasonable structure,is convenient to analyse by graphics and easy to upgrade and expand.Simulation results show that meet the design requirements.KeyWords:Transformer;Deformation of Winding;Frequency Response Analysis;FFT;USB;LabVIEW插图索引图2.1 单相变压器绕组的简化等值电路5图2.2 低压脉冲法6图2.3 差分原理接线图6图2.4 低压脉冲发测试原理框图7图2.5 变压器绕组变形监测装置主接线图8图2.6 事故前9图2.7 事故后9图3.1 系统的组成及原理方框图13图3.2 AD9850内部原理图14图3.3 AD9850的并行接口电路图15图3.4 电压放大电路15图3.5 滤波电路16图3.6 带宽放大器模块16图3.7 功率放大模块17图3.8 AD9226外围电路18图3.9 A/D采样转换控制信号产生电路19图3.10 采样转换控制信号的波形仿真19图3.11 FIFO模块20图3.12 FIFO时序图20图3.13 CY7C68013内部结构21图3.14 USB接口电路23图3.15蓝牙系统的基本功能单元25图3.16 BTM4504C1H原理图25图4.1固件程序流程图28图4.2 USB芯片的程序流程图31图4.3驱动程序的设计流程图35图4.4调用库函数节点44图4.5调用MyDLL.dll44图4.6 OpenDevice子函数模块45图4.7 CY7C680_CloseDevice子函数模块45图4.8 CY7C680_Read子函数模块45图4.9蝶形运算符48图4.10 N点DFT的一次时域抽取分解图48图4.11将N/2点DFT分解成两个N/4点DFT的蝶形运算图49图4.12数据采集系统的组成结构51图4.13数据采集.vi51图4.14频率响应.vi52 图5.1 单相绕组匝间短路时测得的频率响应特性曲线53图5.2 单相绕组线圈鼓包后测得的幅频响应特性曲线54图5.3 遭受突发性短路电流冲击前后测得的频率响应特性曲线54附表索引表2.1 相关系数的参考数据11表4.1 常用的分发例程35表4.2直接计算DFT和FFT算法运算量的比较5061第1章 绪 论1.1 引言电力变压器在运行过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击。一旦短路故障发生在变压器出口附近，如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等变形现象，严重时甚至导致突发性损坏事故。变压器在遭受短路故降电流冲击后，绕组发生局部变形，即使没有立即损坏，也有可能留下严重的故障隐患：(1)绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，导致发生局部放电。当遇到雷电过电压作用时，便有可能发生匝间、饼间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用而发生绝缘击穿事故。 (2)绕组机械性能下降。当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生损坏事故。因此，开展变压器绕组变形测试工作，及时发现有问题的变压器，对防止变压器事故的发生有重要的作用。1.2 设计变压器绕组变形检测装置的意义变压器绕组变形后，有的会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度和部位。显然，这种变压器是带“病”运行，具有故障隐患。这是因为：(1)绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生。当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用，绝缘损伤部位逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故1。例如，某台180MVA、220kV的电力变压器，低压侧短路后，用常规试验方法没有发现问题，投入运行4个月后突然发生损坏事故。(2)绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。例如，某台250MVA、500kV的电力变压器，低压侧遭短路冲击后，常规实验没有发现任何现象，投入运行后1年，在一次短路事故中损坏。(3)累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。例如，某台31.5MVA、110kV的电力变压器，在运行的7年中，10kV侧曾遭受多次冲击，经吊罩检查发现其内部绕组已存在严重变形现象。若不是及时发现绕组变形，很难说这台变压器在什么时候发生事故。再如，某电厂的一台63000/110升压变压器，发生短路后速断保护跳开三侧断路器，经预防性试验合格再投运1个月后，油中特征气体增长。停运检修发现35kV绕组已整体变形，包括10kV绕组多处有露铜，导线有烧融现象。因此，对于绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以，在有的所谓“雷击”或“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形的故障因素。我国电力部门制定的反事故措施中也明确规定，变压器出口短路或近区短路后，应该进行绕组变形试验。一定要防止电力变压器在经历出口短路或近区短路后，未经任何试验和检查就试投。我国部分省市的电力公司也要求110kV及以上变压器在交接时应该进行绕组变形试验以判断变压器在运输及吊装过程中，有无造成绕组的移位和变形。及时发现那些变形较严重但却仍在运行着的变压器，并有计划地进行吊罩检查和检修，对于防止变压器损坏事故的发生，有重要的作用。为此目前世界上许多国家都在积极开展变压器绕组变形的诊断工作，有些国家(如意大利)甚至把绕组变形的诊断，当成了变压器预防性试验项目。当制造厂没有提供有关绕组变形的原始图谱时，交接时测量所得数据也可以当作被测绕组的原始资料。所以研究并设计变压器绕组变形检测装置，测量这些数据有着非常重要的实际意义。方便在以后的运行过程中，发生故障时，作为绕组有无变形及其变形程度如何的判断依据。1.3 国内外研究现状目前变压器绕组变形测试仪在电力系统应用广泛。国内市场有相关的产品供应，进口产品以瑞典PAX公司为代表，其频率范围达到1Hz10MHz、动态检测范围达到-120dB20dB且测量精度小于0.5dB。目前国产变压器绕组变形测试仪有三种型号，分别是武汉高压电器研究所、华北电力科学研究院(华北中试所)、北京电力科学研究院三家生产的。每套价格25-27万元左右，而进口每套需45万元。目前用的较多的是北京电力科学研究院生产的TDT型变压器绕组变形测试仪，其扫描频率范围达到1KHz2MHz、动态检测范围达到-100dB20dB且测量精度为1dB。其他一些公司例如：武汉市国力电气设备有限公司的GLRZ-BX变压器绕组变形测试仪、上海国试电力科技有限公司的GBR-1000型变压器绕组变形测试仪、保定市金威电力仪器有限公司的JW3000型变压器绕组变形测试仪、武汉恒威国电电力设备有限公司的HWBR绕组变形测试仪、国电西高的GDRB-II绕组变形测试仪、中国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的BRZ1800变压器绕组变形测试仪均能达到以下标准：扫描方式：采用线性分布的扫频测量方式； 扫频测量频点：1K-2MHz(可选)，测量点数1000点； 扫描频率精度：信号源输出正弦信号的频率精度不大于0.01%； 测量精度：1dB；信号输出为标准正弦波，幅度软件自动调节，最大幅度10V，输出阻抗为50； 采集通道，采集激励信号，采集相应信号；测量动态范围宽：-100dB20dB； 采集通道输入阻抗：1M； 量化精度：12位； 扫描测量范围：1kHz2MHz；其中武汉市国力电气设备有限公司和武汉恒威国电电力设备有限公司生产的绕组变形测试仪其测量精度能达到0.1dB，但是这两个公司的通道最大存储容量不足，致使数据传输时间变长。上海国试电力科技有限公司和保定市金威电力仪器有限公司的变压器绕组变形测试仪的测量点数不到2000点，致使测量结果不精确。国电西高的绕组变形测试仪测试精度不高，通道最大存储量也不足。中国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的变压器绕组变形测试仪也存在精度不高的问题。精度高，测量点数多，必然会出现数据传输时间长、上位机数据处理时间长的问题。以上公司生产的变压器绕组变形测试仪，对一台高、中、低绕组的电力变压器进行绕组变形测量，总需时间大都在10分钟以上。综合看来，进口产品稳定性和重复性好，但价格昂贵且精度不高。而国产产品，可重复性差、抗干扰能力差，导致现场测量的结果不准确，达不到国外水平，因此其总体性能还有待提高。基于此种情况，本课题在深入研究国内外在变压器绕组变形测试方面的相关理论和测量技术的基础上设计出一种新型的变压器绕组变形检测装置。力图达到测试系统精度高、速度快、运行可靠，且成本低的目的。1.4 研究的内容针对目前国内外的情况，研究目前变压器绕组变形检测仪的存在的缺点。对这些缺点改进后，设计了一种新型的变压器绕组变形检测装置，基于此需要做的工作有以下几点：（1）研究导致变压器绕组变形的原因，分析在不同形变的情况下在不同的频率段其绕组表现出的等效电阻、等效电感、等效电容，并研究该频段下其频响曲线的变化情况。（2）研究国内外测量变压器绕组变形的方法，然后比较这些方法的优缺点并研究这些方法的可行性。最终确定本课题选用的测量方法并对该方法进行深入研究。（3）以已选用的测量方法为理论基础设计绕组变形检测装置的硬件系统框架，根据测试指标设计并优化配置硬件系统中的各个电路模块，然后对各个模块进行模拟实验验证其可靠性及准确性，最后通过联调确定整个电路系统。（4）编写下位机与上位机通讯的接口程序（动态链接库DLL）。在LabVIEW软件平台下通过调用该动态链接库,就可以实现LabVIEW软件与USB设备通讯。首先需要的是编写USB驱动程序，然后结合Win32函数利用Visual C+软件编译生成LabVIEW可调用的动态链接库。（5）动态链接库程序编写好后，在LabVIEW平台下编写上位机数据采集程序并调用该动态链接库就可以把数据从USB设备中取出。把取出的数据送到上位机数据处理程序，由此程序计算在不同频率点的幅频值然后绘制整条幅频曲线。（6）实验中，用已知故障情况下的变压器做样本，检测此变压器的幅频曲线，比较其投入使用前的幅频曲线和其故障后的幅频曲线，分析数据结果并验证变压器绕组变形检测装置的测试速度及准确性。第2章 变压器绕组变形的测试方法2.1 引言国电发20003598号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中，明确把绕组变形检测实验列入变压器出厂、交接、和发生短路事故后的必试项目。因此对变压器绕组变形检测方法展开研究是设计本课题的前提2。2.2 国内外测量方法目前，世界各国都在积极开展电力变压器绕组变形的诊断工作，有些国家(如意大利)甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置。我国在电力设备预防性规程中推荐了变压器出口短路后测试绕组变形的方法。目前，电力变压器绕组变形的诊断方法如下：低压脉冲法、短路阻抗法、频率响应法。2.2.1 低压脉冲法当频率超过1kHz时，变压器铁芯基本上不起作用，每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感和电容等分布参数组成的无源线性二端口网络，如图2.1所示。低压脉冲法就是利用等值电路中各个小单元内分布参数的微小变化造成波形上的变化来反映绕组结构(匝间、饼间相对位置)上的变化34。当外施脉冲波具有足够的陡度并使用有足够频率响应的示波器，就能把这些变化清楚地反映出来。测试时，可采用持续时间很短的脉冲波形，如0.1/5、0.3/1.5、0.1/1.0us，重复脉冲发生器输出501250V脉冲电压，重复频率为1000次/s或更高一些。将脉冲电压施加于电力变压器高压(低压)绕组，低压(高压)绕组三相并联在一起经一个电阻(1750)接地，用电子示波器进行测量。其原理接线图如图2.2所示。图2.1 单相变压器绕组的简化等值电路L0单位长度电感；K0长度纵向电容；C0单位长度对地电容测量接线有电压接线法、电流接线法和差分接线法等。其中差分接线法具有更高的灵敏度，其原理接线图如图2.3所示。图2.2 低压脉冲法图2.3 差分原理接线图低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，还要保持测量的可重复性。低压脉冲法是波兰的W.李奇(Lech)和L.塔米斯基(Tyminski)于1966年提出的，后来英国和美国又对其改进，主要用于确定变压器是否通过短路试验，现已被列入IEC及许多国家的电力变压器短路试验导则和测试标准中。随着计算机技术及数字存储技术的发展，将时域信号以数字形式记录，并传输给计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。例如对数字形式的信号可进行平滑、滤波、频谱分析、相关分析及传递函数分析等。这些手段的引入较之单纯的时域分析能更有效地提取信号特征，更准确地对信号畸变的原因给出判断。基于上述思想，西安交通大学等单位对传统的低压脉冲法进行了改进，组成了以计算机为中心的低压脉冲法绕组变形测试系统，其测试原理框图如图2.4所示。其中低压脉冲源产生幅值800 V、前沿0.25us、半幅宽2.5us的单极性脉冲电压信号。数据采集单元为两通道、8位、20m/s采样宰的数据采集板，直接插在PC机扩展槽内，对施加在变压器绕组上的低压脉冲信号及响应信号进行记录，并将数据传输给计算机。计算机软件对采集到的输入、输出信号进行处理、分析，并将信号曲线进行显示或以硬拷贝形式输出。图2.4 低压脉冲发测试原理框图2.2.2 短路阻抗法短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，它主要是测量电力变压器绕组的短路阻抗，与原始阻抗值进行比较，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度。前苏联曾用此法检验出几十台330kV及以下电力变压器绕组变形缺陷。我国镇江供电局曾用此法检查出一台发生过出口短路接地的OSFPSZ7120000/230型主变压器的绕组变形。测试时以单相工频低电压来测量各相对绕组间的漏抗。5个绕组(自铁芯向外排列为三角形连接的稳定绕组；38.5kV星形连接的低压侧绕组；121kV星形连接的中压侧绕组；230 kV高压侧串联绕组带调压抽头)中一个通电流，一个短路，其余均开路(稳定绕组为三角形连接无法断开)。测试结果表明，B、C两相与中压绕组成对的绕组间的阻抗电压Ux%都有了明显的变化，由测试结果进一步分析确定为B相与C相中压绕组产生了压缩变形。若以A相各对绕组的Uk%为基准，与B、C两相对应的各对绕组的Uk%作比较，中压绕组与串联绕组间(包括调压绕组) Uk值B相增加了4%，C相增加了8%；与低压绕组B相减少了9.72%，C相减少了17%；与稳定绕组间Ux值B相减少了7%，C相减少了10.8%。可见B相与C相中压绕组产生了压缩变形，致使它与外侧的高压串联绕组问的油隙增加，而与内侧的低压绕组与稳定绕组间的油隙减小。低压绕组与高压串联绕组之间及稳定绕组之间的Uk的数值无变化，可以判断为这三相绕组未发生变形。这种方法的优点是：（1）测试程序简单，并经多年实用，也得出了公认的定量判据，已被列入标准(GBl094.5或IEC76.5)中。多年来，意大利还把漏抗试验(用Makwell电桥)作为例行预防性试验，每3年做一次。（2）重复性很好，对变形的评估可靠性甚高。绕组无变形的变压器，1020年的测试结果相差不到0.2%；当差别达到2.5%时，需缩短测试周期并作绝缘检查；当相差超过5%时，立即停运，做绝缘检查。此方法的缺点是，当绕组变形较小时，短路阻抗变化不大，难以确认，此时应采用多种方法测试，进行综合分析比较，以正确判断。 除上述方法外，电力设备项防性试验规程还推荐油中溶解气体分析、测量绕组直流电阻、测量空载电流和损耗等方法。2.2.3 频率响应分析法为了克服低压脉冲法的一些缺陷，1978年加拿大的E.P.迪克(Dick)和C.C伊尔温(Erven)提出了频率响应分析(FRA)法，并在世界各国获得了较为广泛的应用。频率响应分析法的原理是基于变压器的等值电路可以看成是共地的二端口网络。该二端口网络的频率特性可以用传递函数H(f)U0(f)/Ui(f)来描述5。这种用传递函数描述网络特征的方法称为频率响应分析法。由于每台变压器都对应有自己的响应特性，所以绕组变形后。其内部参数变化将导致传递函数的变化。分析和比较变压器的频率响应特性，就可以发现变压器绕组是否发生了变形。因此，绕组变形前的频率响应特性是分析和比较的基础67。图2.5给出了某研究院研制的变压器绕组变形测试装置主接线。测量时，首先由计算机发出命令，让扫描发生器单元输出一系列频率的正弦波电压，加到被试变压器上。同时，让双通道分析单元分析、处理信号，并传送到计算机存贮起来，待试验数据采集完毕后，计算机判断被试变压器有无绕组变形，并以屏幕显示或绘制被试变压器频率响应特性曲线。图2.5 变压器绕组变形监测装置主接线图运行中的变压器在用频率响应分析法测试前，需将被试变压器隔离，并将所有套管上的母线拆开，这是为了把随变压器安装位置的不同及不平衡母线电容的影响降到最小。用适当长度的电阻为50欧姆的同轴电缆将频响仪和变压器连接起来，所有电缆都匹配到它们的特性阻抗，以减少反射8。测量被试变压器高压绕组的频率响应特性时，对星形接线，频响仪的输出电压加在高压绕组中性点与箱壳接地线之间，测量任一高压绕组端子对地电压与输出电压之比得到响应。对三角形接线，则频响仪的输出电压施加在任意线端上。根据实测结果，扫频范围以10kHzlMHz为宜。高于1MHz时，分布网络参数主要由电容决定，进入线性范围9。该研究院已用上述测试装置对百余台电力变压器进行测试。实测表明，它能有效地检出变压器绕组变形。图2.6给出某台31.5MVA、35kV电力变压器事故前后的频率响应特性曲线。由图2.7可见，事故前，低压绕组三相的频率响应特性完全一致。由图2.7可见，近距离短路事故后，三相低压绕组的频率响应特性曲线一致性很差，然而该变压器的电气试验和色谱分析结果均属正常。但为了防止发生突发性事故，决定解体检查，检查后发现低压绕组已严重变形。这种测试装置的优点是抗干扰能力强，测量重复性好，灵敏度高和操作方便。每台变压器的频率响应特性测试可在2个小时内完成。应当指出，这种方法在目前使用中，由于缺少原始试验记录，常用三相绕组的频率响应特性相互比较来做判断，因此，判据的确定需要一定的经验，也存在一定的不确定性。如普遍采用此方法后，建立原始“指纹”库，当对变压器绕组变形有怀疑时，可以与原有“指纹”比较，得到比较确切的判断。图2.6 事故前图2.7 事故后2.3 课题选用的测量方法低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，保持测量的可重复性10。短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，存在着测试精度和灵敏度不高的缺陷。频率响应分析法克服了上述两种方法的缺陷，信噪比好，在整个测量的频段上有相等或近似相等的精度1112；获得的频率范围更宽；测量需要的设备少，特别是数字信号处理技术的发展，极大地提高了测量的精度和准确度。同时借助于等效模型参数辨识进一步提高了诊断的准确性。因此针对这一具体研究，本文采用频率响应分析法手段，达到快速、准确判断绕组变形的目的。2.4 频率响应法的辅佐性判断方法变压器绕组的幅频响应特性曲线中通常包含多个明显的波峰和波谷，经验及理论分析表明，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析变压器绕组变形的重要依据1314。为了便于测量分析，将频率段分为低频段、中频段和高频段。（1）幅频响应特性曲线低频段（1kHz100kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移动。对于绝大多数变压器，其三相绕组低频段的响应特性曲线应非常相似，如果存在差异则应查明原因。 （2）幅频响应特性曲线中频段（100kHz600kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。在该频率范围内的幅频响应特性曲线具有较多的波峰和波谷，能够灵敏地反映出绕组分布电感、电容的变化。 （3）幅频响应特性曲线高频段（600kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的对地电容改变，可能存在线圈整体移位或引线位移等情况15 16。频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主1718。 依据所分的频率段，在不同的频率段上计算各段的相关系数，根据相关系数可以辅佐判断变压器绕组变形的程度。设有两个长度为N的传递函数幅度序列X (k)、Y( k)，k=0,1 ，N-1，且X (k)、Y( k)为实数，相关系数R可按照下列公式计算。计算两个序列的标准方差： （2.1） （2.2）计算两个序列的协方差： （2.3）计算两个序列的归一化协方差系数： （2.4）按照如下公式计算出符合工程需要的相关系数 （2.5）根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准供的相关系数的参考数据，如表2.1所示。计算不同频率段上的相关系数通过查表2.1，便可知变压器是否变形以及变形程度。表2.1 相关系数的参考数据绕组变形程度相关系数R严重变形明显变形或轻度变形或正常绕组和和注：为曲线在低频段(1kHz100kHz)内的相关系数；为曲线在中频段(100kHz600kHz)内的相关系数；为曲线在高频段(600kHz1000kHz)内的相关系数。2.5 本章小结本章主要介绍了国内外测试绕组变形的几种方法，并对这几种方法进行了比较，确定了测试变压器绕组变形的最佳方案，并对这种方案进行了较为详细的分析。本章最后还介绍了一种辅佐性判断绕组变形的方法。第3章 变压器绕组变形检测装置硬件设计3.1 引言本章基于CY7C68013设计了变压器绕组变形检测装置，并详细介绍了该系统的具体硬件实现方案以及关键部分的设计方法，并通过模拟实验验证变压器绕组变形检测装置中的各个模块是否达到测试指标19。3.2 研究内容3.2.1 测试指标根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准，结合技术条件，确定本课题实现的绕组变形测试仪的参数如下：（1）测量频率范围：1kHz2MHz；（2）扫频检测方式：采用线性分布的扫频检测方式；（3）扫描频率精确度：信号源输出正弦波信号的频率精确度应不大于0.01%；（4）扫描频率间隔：扫描频率的间隔应小于2kHz；（5）阻抗匹配方式：检测仪器应具备一个正弦波激励信号输出端和两个独立的信号检测端。其中，正弦波信号源US的输出阻抗RS应为50，且输出端应通过同轴屏蔽电缆直接与被测变压器绕组的激励端连接；两个独立信 号检测端的输入阻抗不应低于1M，且应通过同轴屏蔽电缆分别连接到 被测变压器绕组的激励端和响应端，并在被测绕组的响应端连接50的匹配电阻R；（6）所使用的同轴屏蔽电缆的波阻抗应为50，电缆长度宜为15m-20m；（7）检测精确度：检测仪器应具备-l00dB20dB的动态检测范围，且在-80dB2OdB范围内的检测精确度应小于1dB；（8）选频滤波特性：检测仪器应具备选频滤波功能，通频带的宽度应小于选频滤波器中心频率的5%；（9）数据存储格式：应采用纯文本格式保存检测数据，以便数据的传递和比较；（10）输出电压：10VP-P（50）；（11）模拟输出通道数：1；（12）模拟输入通道数：2；（13）采样频率：50MSPS。3.2.2系统设计根据确定的测量方法和规定的指标，系统的组成及原理方框图如图3.1所示。图3.1 系统的组成及原理方框图根据频率响应传递函数：H(f)=20Log(Vo(f)/Vi(f)，设计的硬件系统原理方框图如图3.1所示。根据信号的流向，先来介绍上路：首先由系统中基于DDS技术的扫频信号电路产生正弦波扫频信号，此正弦波信号最大输出电压为1.5V，达不到测量指标的要求，且在5V电源供电情况下的功率为380mW。其驱动能力低，需要经过功率放大器放大才能作为变压器的输入测量信号，然后把此测量信号加到变压器的任一绕组的一个端口，再分别测量该绕组两个端口的对地电压Vo(f)、Vi(f)。变压器两个端口的对地电压数据分别用两片12位A/D芯片采集，采集过程中把数据缓冲到FIFO中，同时通过单片机MCU（USB芯片）把A/D芯片采集的样本数据从FIFO中取出并通过USB接口传给PC机。改变扫频信号的频率并依次把扫频信号加在变压器的一端,同时检测该频率下绕组两端的对地电压信号Vi(f)和Vo(f),对数据经过运算将得到该频率下的幅频值H(f)，便可获得试品的一系列幅频值。再由LabVIEW软件来处理并显示整条幅频曲线。对比变压器投入使用前的幅频曲线和变压器变形后的幅频曲线便可判断变压器绕组变形情况4。对于下路，由基于DDS技术的A/D控制信号电路和CPLD芯片组合产生A/D芯片的时钟信号。FIFO工作开始信号也由CPLD来控制。于此同时CPLD还用来计数，并把计数结束信号告知MCU。系统中采用CY7C68013A-128AXC，作为USB芯片来实现对上位机的通讯，为了方便在现场测量还采用蓝牙模块作为辅助手段实现无线通讯。在实现USB芯片和LabVIEW软件通讯前，需要编写动态链接库（DLL）作为他们之间的接口程序。最后用LabVIEW软件对采集的数据处理，实现直观的图形界面，便于对变压器绕组是否变形进行判断。以下是对各个模块做出详细的介绍。3.2.2.1 DDS扫频信号发生电路根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准，对扫频信号发生器的设计如下：扫频信号是由AD9850芯片产生。AD9850采用有源晶振，频率最高可达晶振频率的二分之一，且分辨率可达1Hz，可以产生在1kHz2MHz频率段中的任一频率的正弦波信号21。AD9850芯片采用的是DDS技术。其原理图如图3.2。DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。常见的DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。f0 =(Phase*fc)/232 （3.1）其中：f0是输出频率Phase是频率控制字fc（40MHz）是参考频率图3.2 AD9850内部原理图把正弦波信号接入内部高速比较器，可产生方波信号。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式加载到AD9850。图3.3为AD9850的并行接口电路图。在并行方式下，MCU通过PB口连接AD9850的8位总线D0D7并将外部控制字输入到寄存器，在W_CLK的上升沿装入第一个字节，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后，W_CLK的边沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到来时将这40位数据从输入寄存器装入到频率/相位寄存器，这时DDS输出频率和相位更新一次，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入。输入需要的频率控制字，就对应输出相应频率的正弦波信号。改变频率控制字便可以产生在1kHz2MHz频率段中的任一频率的正弦波信号且步长可为1Hz。实验说明，完全满足测量指标。图3.3 AD9850的并行接口电路图A/D芯片的时钟：根据采样定理，A/D芯片的时钟频率会几倍甚至千倍于扫频信号的频率。然而，在实际应用中发现，当芯片AD9850输出的信号频率到达10MHz时，波形会有毛刺出现，还会有寄生波形，自行设计的低通滤波器截止频率又难以达到兆级，所以只用AD9850芯片很难达到要求，然而利用CPLD芯片采用倍频技术能避开低通滤波器的设计且能很好的解决此问题，在3.2.2.4节中将具体介绍CPLD的应用。3.2.2.2调理电路的设计对于图3.1中试品前级的两个调理电路设计过程如下：图3.4 电压放大电路根据测试指标，要求扫频信号输出电压：10VP-P（输出阻抗50）。而本文中，AD9850芯片输出的正弦波信号最大输出电压为1.5V，最大输出电流为30mA。所以扫频信号发生电路需要有电压放大电路模块，AD9850芯片输出的正弦波信号在高频段有毛刺出现，且波形不平滑，需要滤波后才能送A/D转换器，才能保证测量精度，因此需要设计一个滤波电路模块。而系统要求的扫频信号频率范围为1kHz2MHz，因此需要设计一个宽频带放大器模块。扫频信号要驱动负载，因此要设计一个功率放大模块。图3.4所示，前两个二极管组成的电路是二级直接耦合放大器电路，其带宽为20MHz，第二级采用PNP型晶体管，这种电路适合提高电源电压的利用率。各级开环增益为20dB，两级带宽放大器构成电压串联负反馈电路。正弦波信号经过电压放大便可送入滤波电路模块进行滤波。图3.5 滤波电路图3.5为本课题设计的无源低通滤波器，其截至频率是10MHz。此滤波器可有效的滤除高次谐波。图3.6 带宽放大器模块AD9850芯片输出的正弦波信号电压随着输出频率的变化而变化，而图3.4是一个具有固定增益的放大电路，而且滤波电路的增益也随着频率的变化而变化。因此采用可变增益放大器AD6O3集成芯片设计的带宽放大器，通过用单片机控制便可以输出带宽为20MHz、10VP-P的稳定电压。如图3.6所示。图3.7 功率放大模块功率放大模块核心器件是电流反馈型运放THS3091，如图3.7所示。THS3O91具有高达7300V/us的摆率，带宽不小于2OMHz，采用士18V供电。其最大输出电流为25OmA。测试指标要求的输出为10VP-P的电压，本系统中功率放大模块采用两片THS3091并联，每片THS3091为负载提供一半电流，使之输出符合测试指标的稳定电压。此功率放大模块的输出阻抗为50。对于图3.1中试品后级的调理电路设计过程如下：后级的调理电路中与前级的调理电路设计情况基本相同，只是没有功率放大模块。其他电路在原有电路基础上修改参数使得ADC能够识别二次侧的输出电压信号即可。3.2.2.3高速A/D转换电路的设计本课题要求高精度测量扫频信号，设计中对不同频率对应的输入电压和输出电压采用12位高速A/D采样。输入扫频信号是一个频率可改变的正弦波信号，根据DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法，系统要求的扫频信号频率范围为1kHz2MHz。设计中需要采样速度也随扫频信号频率的改变而相应的改变，且在不同频率段选择合适的采样样本数，使系统整个测量结果更加精确。本课题采用CPLD芯片控制两片A/D芯片的采样速度，不但能控制A/D芯片的采样速度，而且能使两片A/D芯片同步采样。在模拟信号的时间离散化过程中，采样定理占有十分重要的地位，因为它回答了在什么情况下原信号与采样信号才具有一一对应的关系。时域采样定理：采样频率大于活等于采样信号的最高频率fm的两倍时，一个频谱受限信号可以用采样信号唯一的表示出来。通常把最低的允许采样频率（fs=2fm）称为奈奎斯特频率，而把最大的允许采样时间间隔（Ts=1/2fm）称为奈奎斯特时间常数。当采样频率fs=2fm，保证了整个采样的精度。系统中确定对不同频率点的采样样本数。中频段，对变压器的输入输出需要采集较多的数据，而高频和低频可相应减少。在高频段，考虑到A/D的速度和采集的数据量，输入2MHz正弦波的时每个周期采集4个点左右，则需要8MSPS的A/D，考虑余量后选取50MSPS的12位的A/D。由于变压器的故障大多出现在中频段，所以可以适当的增加采样点数，使中频段测量更加准确，而低频段，A/D速度完全满足可以适当选则采样速度和样本数量。结合系统对A/D转换电路的要求，选用AD9226作为本设计的ADC电路。AD9226是ADI公司一款性能优良的12位高速模数转换器，转换速率可高达60MSPS，具有单端和差分模拟输入方式，内部含有采样保持电路，可选择内部参考源和外部参考源。图3.8 AD9226外围电路如图3.8的外围电路接线方式,外部基准电压同时作用在VINB和VREF上。单端输入电压和输入范围同时直接依赖于外部参考电压VREF。输入信号有效范围是(VREF+VREF/2)(VREF-VREF/2)，VREF为5V时，精度1.22mV，完全可达到系统要求。3.2.2.4 A/D采样转换控制信号产生A/D芯片的采样转换控制信号由DDS方波发生电路和CPLD芯片组合产生，通过MCU对DDS方波发生电路的AD9850芯片发不同的频率控制字可使AD9850产生1KHz2MHz的方波。把AD9850产生的方波信号输入CPLD芯片并利用倍频技术可产生任意频率值的方波信号，该方波信号可作为A/D芯片的时钟信号。CPLD不但可以同时产生两路时钟信号，而且可以使A/D芯片同时采样，且没有相位差