阅读说明：本技术 一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统及方法 (Broadband frequency response detection system and method for transformer characteristic analysis ) 是由 李敬 刘魁魁 李龙 徐攀登 高静普 王瑞晓 王章宇 于 2020-03-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统及方法,关于电力电子技术和电力系统领域,该系统包括高频交变电流信号发生模块和频率响应分析模块,可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统。高频交变电流信号发生模块采用直接数字频率合成(DDS)技术,用于产生宽带的高频交变电流信号,频率响应分析模块主要完成对高频交变电流信号f<Sub>1</Sub>～f<Sub>2</Sub>的实时采集、滤波、放大以及检波、解调、结果显示等处理,有效对变压器绕组材质进行检测分析。(The invention discloses a broadband frequency response detection system and a broadband frequency response detection method for transformer characteristic analysis, and relates to the fields of power electronic technology and power systems. The high-frequency alternating current signal generating module adopts direct digital frequency synthesis (DDS) technology and is used for generating broadband high-frequency alternating current signals, and the frequency response analyzing module mainly completes the analysis of the high-frequency alternating current signals f 1 ～f 2 The processing of real-time acquisition, filtering, amplification, detection, demodulation, result display and the like effectively detects and analyzes the material of the transformer winding.)

一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统及方法

技术领域

本发明关于电力电子技术和电力系统领域，特别是关于一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统及方法。

背景技术

我国部分配电变压器制造公司会采用绕组用铝、铝合金或铜包铝等材质代替铜材的方式降低生产成本，“以铝代铜”现象较为隐蔽，生产完成后，成品外观及接线端子很难识别出来，只要设计合理，现有标准规定的实验项目很难发现变压器绕组是否有“以铝代铜”的情况，这会给电网运行埋下隐患。

现有的绕组材质分析的手段难以检测绕组材质中是否包含铝、铝合金或铝包铜等材质，如X射线法，该方法通过研究铜和铝试品的X射线透射规律，并模拟配电变压器线圈使用铜和铝线时的X射线透射试验，给出铜材与铝材绕组变压器X射线透射照片的黑度对比分析结果，这种方法操作复杂，工程实用性较差；电阻温度系数法，是金属材质无损检测的传统方法，该方法一直无法实现工程应用的原因是绕组直流电阻值太低，低压侧通常为毫欧级，测量精度和误差控制难以达到判别要求。

多参数综合辨识方法，利用配电变压器不同绕组材质，其尺寸、重量以及直流电阻等性能参数存在差异的特点，综合判断辨识，但是该方法只能判断干式变压器的绕组材质，具有一定的局限性，且判断标准同样难以确定。

电涡流技术识别，难以实现无损检测。

Seebeck效应，对于由两种不同的导体串联组成的回路，当两个接头处的温度恒定时，回路中的热电势只与组成该热电偶的金属材料相关，因此可用此热电势值来鉴别金属材质，本方法测试时间长，资源消耗大限制了其推广应用。

发明内容

本发明实施例目的是要提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统及方法，其将至少部门克服上述缺点和不足，能够有效解决各类变压器绕组材质分析方案难操作、难实现、周期长、难推广的问题，能够有效的对变压器绕组材质进行检测分析。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统，包括高频交变电流信号发生模块和频率响应分析模块；高频交变电流信号发生模块采用直接数字频率合成(DDS)技术，用于产生宽带的高频交变电流信号，频率在宽带范围内，连续变化；频率响应分析模块主要完成对高频交变电流信号f₁～f₂的实时采集、滤波、放大以及检波、解调、结果显示等处理；

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统，所述检测系统包括信号合成电路、信号调理电路、电源管理电路、检波/解调模块和主控模块，所述信号合成电路以告诉可编程芯片(FPGA)和高速数模转换器(DAC)为核心，用以实现高频交变信号的调制、编码、频率合成；所述信号调理电路，主要包括滤波器、放大电路以及防护电路，用以实现对数模转换之后的信号进行调理，获得较强的信号驱动能力；所述检波/解调模块包含低通滤波器、宽带运算放大器、功率检波器，用于对高频交变电流信号进行采集、滤波、放大、解调；所述主控模块主要完成对检波/解调数据的记录/分析，显示结果等。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测方法，所述方法包括：高频交变电流信号发生模块的信号合成电路产生宽带的高频交变电流信号f₁～f₂，频率在宽带范围内，连续变化，通过信号调理电路对数模转换后的信号进行调理，使信号获得较强的信号驱动能力；高频交变电流信号f₁～f₂作为激励信号，通过直连方式注入被测变压器绕组；频率响应分析模块实时采集流经被检测变压器绕组的激励信号f₁～f₂，以直连方式进入检波/解调模块，经过低通滤波滤除带外信号后，通过宽带运算放大器完成放大处理，经检波后实时送入主控模块，依据趋肤效应和绕组寄生参数模型对数据进行算法分析，显示采集分析数据，给出材质分析结果；

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测方法，所述方法包括依靠趋肤效应的理论基础对数据进行分析，趋肤效应：导体传导高频交变电流信号时，导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上，恒定电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效阻抗变大：

计算公式：

其中δ为穿透深度，f为交变电流信号频率，ρ为电阻系数,μ为绝对磁导率

穿透深度的不同，直观的物理表现为导体的阻抗不同，即在不同频率频段上，导体呈现的阻抗也会不同，进而表现为导体的频率响应不同。影响穿透深度的因素包括频率、电阻系数、绝对磁导率，在相同频率下，穿透深度只与导体的材质有关。进而可以推断出，对一段导体在高频交流信号频率响应的影响，只取决于导体材质。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测方法，所述方法包括依靠绕组寄生参数模型的理论基础对数据进行分析，对一段导体的频率响应分析，只取决于导体材质，但对于绕组而言，绕组的长度、绕制方式、磁芯、寄生参数等对其频响特性均会产生影响。不同带宽下，漏感、分布电容等都会给频响分析带来影响。

匝间电容

电容的定义式：

其中C:绕组匝间电容量ε：介电常数，由两极板之间介质决定S：极板正对面积k：静电力常量d：极板间的距离

层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。

我们知道，在计算变压器时，一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上，那么此时的每2层之间都会形成一个电场，即会产生一个等效电容效应

所以可以得到绕组的电容等效模型；

而在磁芯确定的情况下，分布电容主要受绕制工艺的影响，所以，若采用单一频率交变电流来进行频率响应特性分析，分析结果波动较大，而采用宽带多频点，多数据分析的方案，可逐渐逼近、消除分布电容对频响特性带来的影响。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.由于设计了高频交变电流发生模块，产生宽带的高频交变电流信号f₁～f₂，频率在宽带范围内，连续变化，识别变压器绕组材质操作较为简便，易推广；

2.频率响应分析模块，对高频交变电流信号f₁～f₂的实时采集、滤波、放大以及检波、解调、显示结果，检测周期短，测试流程简便。

附图说明

图1为本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统结构图；

图2为本发明实可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统高频交变电流信号发生模块结构图；

图3位本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统高频交变电流信号f₁～f₂示意图；

图4为本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统频率响应分析模块结构图；

图5为本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统频率响应分析模块测试结果示意图；

图6本发明变压器绕组的电容等效模型；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统结构图。如图1所示，所述可用于变压器绕组材质分析的宽带频率响应检测系统包括高频交变电流信号发生模块，产生高频交变电流信号f₁～f₂，如图3所示，频率在宽带范围内，连续变化，并且作为激励信号，通过直连方式注入被测变压器绕组；频率响应分析模块，主要完成对流经被测变压器绕组的激励信号的实时采集、滤波、放大以及检波、解调、结果显示等处理，实时显示采集分析数据，给出材质的分析结果。

图2为本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统高频交变电流信号发生模块结构图。高频交变电流信号发生模块采用直接数字频率合成(DDS)技术，采用高速可编程逻辑芯片(FPGA)、高速数模转换器(DAC)的设计架构。由信号合成电路、信号调理电路以及电源电路组成。信号合成电路以高速可编程芯片(FPGA)和高速数模转换器(DAC)为核心，实现高频交变电流信号调制、编码、频率合成。信号调理电路主要包括滤波电路、放大电路以及防护电路，实现对数模转换之后的信号进行调理，获得较强的信号驱动能力。

图4为本发明可用于变压器特性分析的宽带频率响应检测系统频率响应分析模块结构图。频率响应分析模块主要完成对高频交变电流信号f₁～f₂的实时采集、滤波、放大以及检波、解调、结果显示等处理。高频交变电流信号f₁～f₂流经被测变压器绕组后，直连方式进入检波/解调模块，经过低通滤波滤除带外信号后，通过宽带运算放大器完成放大处理，经检波后实时送入主控模块。主控模块主要完成对检波/解调数据的记录/分析、结果显示等功能。测试结果如图5所示，通过对比频率响应曲线，可以清晰直观的给出变压器绕组材质的分析结果，测量周期小于1s。

本发明所依靠的理论基础之一为趋肤效应，当导体传导高频交变电流信号时，导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应即为趋肤效应。在直长导体的截面上，恒定电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效阻抗变大：

计算公式：

其中δ为穿透深度，f为交变电流信号频率，ρ为电阻系数,μ为绝对磁导率

穿透深度的不同，直观的物理表现为导体的阻抗不同，即在不同频率频段上，导体呈现的阻抗也会不同，进而表现为导体的频率响应不同。影响穿透深度的因素包括频率、电阻系数、绝对磁导率，在相同频率下，穿透深度只与导体的材质有关。进而可以推断出，对一段导体在高频交流信号频率响应的影响，只取决于导体材质。

本发明还会依靠绕组寄生参数模型的理论基础对数据进行分析，对一段导体的频率响应分析，只取决于导体材质，但对于绕组而言，绕组的长度、绕制方式、磁芯、寄生参数等对其频响特性均会产生影响。不同带宽下，漏感、分布电容等都会给频响分析带来影响。

匝间电容

电容的定义式：

其中C:绕组匝间电容量ε：介电常数，由两极板之间介质决定S：极板正对面积k：静电力常量d：极板间的距离

层间电容指的是每个单独绕组各层之间的电容。

我们知道，在计算变压器时，一般会出现单个绕组需要绕2层或2层以上，那么此时的每2层之间都会形成一个电场，即会产生一个等效电容效应。

所以可以得到绕组的电容等效模型，如图6所示。

而在磁芯确定的情况下，分布电容主要受绕制工艺的影响，所以，若采用单一频率交变电流来进行频率响应特性分析，分析结果波动较大，而采用宽带多频点，多数据分析的方案，可逐渐逼近、消除分布电容对频响特性带来的影响。