一种在线变压器阻抗谱测量系统及测量方法
阅读说明：本技术 一种在线变压器阻抗谱测量系统及测量方法 (Online transformer impedance spectrum measurement system and measurement method ) 是由 董明 杨凯歌 谢佳成 徐广昊 范文杰 刘文君 吴文杰 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本公开揭示了一种在线变压器阻抗谱测量系统,包括：信号测量模块,用于输出不同频率的第一电压激励信号对变压器进行激励,以及用于测量变压器输出的不同频率的电流响应信号的幅值和相位；线性倍压模块,用于将所述第一电压激励信号升压为第二电压激励信号并输入变压器；上位机,用于记录所述不同频率的电流响应信号的幅值和相位,并生成变压器阻抗谱。本公开还揭示了一种在线变压器阻抗谱测量方法。本公开通过测量宽频带下的阻抗,可以准确评估变压器绝缘中的绝缘缺陷。(The present disclosure discloses an online transformer impedance spectrum measurement system, including: the signal measurement module is used for outputting first voltage excitation signals with different frequencies to excite the transformer and measuring the amplitude and the phase of current response signals with different frequencies output by the transformer; the linear voltage doubling module is used for boosting the first voltage excitation signal into a second voltage excitation signal and inputting the second voltage excitation signal into a transformer; and the upper computer is used for recording the amplitude and the phase of the current response signals with different frequencies and generating a transformer impedance spectrum. The disclosure also discloses an online transformer impedance spectrum measurement method. The method can accurately evaluate the insulation defect in the transformer insulation by measuring the impedance under the broadband.)
技术领域
本公开属于在线变压器阻抗谱测量技术领域，特别涉及一种在线变压器阻抗谱测量系统及测量方法。
背景技术
变压器作为电力设备不可或缺的一部分，承担着电力运输、电压转换的作用，由于长时间运行和内部应力场错综复杂，电力变压器极易出现故障，需要实时对其状态进行评估。变压器绝缘的稳定性问题受到广泛的关注，因此，对变压器整体绝缘的评估并合理预防显得尤为重要。
目前传统的检测方法是离线的，变压器在离线时取出内部一部分绝缘纸或绝缘油进行老化受潮检测，设备无法实时受到检测，这就导致有潜在危险的发生。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种在线变压器阻抗谱测量系统，通过测量宽频带下的阻抗，可以准确评估变压器绝缘中的绝缘缺陷。
为实现上述目的，本公开提出以下技术方案：
一种在线变压器阻抗谱测量系统，包括：
信号测量模块，用于输出不同频率的第一电压激励信号对变压器进行激励，以及用于测量变压器输出的不同频率的电流响应信号的幅值和相位；
线性倍压模块，用于将所述第一电压激励信号升压为第二电压激励信号并输入变压器；
上位机，用于记录所述不同频率的电流响应信号的幅值和相位，并生成变压器阻抗谱。
优选的，所述信号测量模块接入变压器的高压接地端，所述线性倍压模块接入变压器的低压接地端。
优选的，所述信号测量模块采用锁相放大器。
优选的，所述第一电压激励信号的频率为1mHz-10kHz，电压为0-5V。
优选的，所述线性倍压模块包括电压运算放大器、第一调节电阻和第二调节电阻，所述第一调节电阻连接电压运算放大器的同相输入端，所述第二调节电阻连接电压运算放大器的反相输入端。
优选的，所述第二电压激励信号与所述第一电压激励信号频率相同。
优选的，所述第二电压激励信号的电压幅值为0-50V。
本公开还提供一种变压器在线阻抗谱测量方法，包括如下步骤：
S100：信号测量模块输出不同频率的第一电压激励信号；
S200：所述第一电压激励信号经线性倍压模块升压后获得第二电压激励信号并输入变压器低压接地端；
S300：所述第二电压激励信号对变压器激励产生不同频率的电流响应信号并由变压器高压接地端输出至信号测量模块；
S400：信号测量模块对所述不同频率的电流响应信号进行测量并获得与频率相对应的幅值和相位；
S500：上位机根据测量所得的不同频率的电流响应信号的幅值和相位生成变压器阻抗谱。
优选的，所述第一电压激励信号的频率为1mHz-10kHz。
优选的，所述第二电压激励信号的频率与所述第一电压激励信号的频率相同。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、本公开通过充分利用锁相放大器的性能，实现了对低至1mHz超低频信号幅值和相位的精确测量，从而实现了宽频范围内(1mHz～10kHz)在线变压器阻抗的精确测量；
2、通过调节锁相放大器输出的电压激励信号的频率来调节变压器低压侧接地端电压幅值，可实现较大的阻抗测量范围；
3、本公开具有成本低，便携化、操作简便等优点，适合对在线变压器阻抗谱进行测量和分析。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种在线变压器阻抗谱测量系统结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的变压器与信号测量模块及线性倍压模块的连接示意图；
图3是本公开一个实施例提供的线性倍压模块的结构示意图；
图4(a)是本公开一个实施例提供的变压器阻抗谱实部示意图；
图4(b)是变压器阻抗谱虚部示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图4(b)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种在线变压器阻抗谱测量系统，包括：
信号测量模块，用于输出不同频率的第一电压激励信号对变压器进行激励，以及用于测量变压器输出的不同频率的电流响应信号的幅值和相位；
线性倍压模块，用于将所述第一电压激励信号升压为第二电压激励信号并输入变压器；
上位机，用于记录所述不同频率的电流响应信号的幅值和相位，并生成变压器阻抗谱。
本实施例通过给变压器施加不同频率的激励电压信号，并通过测量不同频率的电流响应信号的阻抗值实时生成变压器的阻抗谱，相比现有技术，能够对变压器进行在线测量，从而能够避免潜在故障的发生。
另一个实施例中，所述信号测量模块接入变压器的高压接地端，所述线性倍压模块接入变压器的低压接地端。
本实施例中，由于变压器在运行过程中高压接地端电流较低，因此，变压器输出的电流响应信号噪声小，将信号测量模块接入变压器的高压接地端能够减小对电流响应信号的测量误差；同样，由于变压器在运行过程中低压接地端电流较大，将线性倍压模块接入变压器低压端，能够使变压器运行的噪声对由线性倍压模块输出的电压激励信号的影响降到最小。
另一个实施例中，所述信号测量模块采用锁相放大器。
本实施例中，锁相放大器具有频率滤除功能，同时，锁相放大器具有测量精准度高、测量频带宽的特点，能够很好的满足变压器阻抗谱测量的要求，本实施例优选采用锁相放大器SR830，其输入端连接变压器高压侧接地端，输出端连接线性倍压模块的输入端，同时，锁相放大器SR830通过GPIB或RS232接口与上位机相连。
需要说明的是，锁相放大器包括直流和交流两种耦合方式。采用交流耦合对变压器的电流响应信号进行测量时，信号频率在10Hz以上时，测量结果较为精确，而信号频率低于10Hz时，测量结果会有严重的幅值和相位误差，这是由于交流耦合相当于一个高通滤波器，信号频率过低时，锁相放大器无法区分出直流信号和低频信号。因此在对变压器进行测量时，需要在10Hz处切换锁相放大器的工作模式。
另一个实施例中，所述第一电压激励信号的频率为1mHz-10kHz，电压为0-5V。
本实施例中，锁相放大器能够输出输入频率为1mHz～10kHz、幅值为0～5V的电压激励信号，从而能够实现对低至1mHz超低频信号幅值和相位的精确测量以及实现对宽频范围内(1mHz～10kHz)变压器阻抗的精确测量，同时，通过调节锁相放大器输出的电压激励信号的频率来调节加在变压器低压侧接地端的激励电压幅值，能够实现较大范围的变压器阻抗测量。
另一个实施例中，所述线性倍压模块包括电压运算放大器、第一调节电阻Rd和第二调节电阻Rk，所述第一调节电阻Rd连接电压运算放大器的同相输入端，所述第二调节电阻Rk连接电压运算放大器的反相输入端。
本实施例中，电压运算放大器优选采用运放OPA512，该型号运放能够满足高电压输出，且当输入电压的频率达到10kHz时增益基本不会改变。
另一个实施例中，所述第二电压激励信号与所述第一电压激励信号频率相同。
本实施例中，由于线性倍压模块为线性放大，不改变电压激励信号的相位和频率，只改变其幅值。
另一个实施例中，所述第二电压激励信号的电压幅值为0-50V。
本实施例中，目前对变压器阻抗谱研究所加电压一般为50-200V，但是，若变压器低压接地端所施加电压幅值过高，会导致电流过大，超过锁相放大器的量程，且线性倍压倍数过高会导致精度降低，因此，本实施例将施加在变压器低压接地端的电压激励信号限定在50V以下。
另一个实施例中，本公开还提供一种变压器在线阻抗谱测量方法，包括如下步骤：
S100：信号测量模块输出不同频率的第一电压激励信号；
S200：所述第一电压激励信号经线性倍压模块升压后获得第二电压激励信号并输入变压器低压接地端；
S300：所述第二电压激励信号对变压器激励产生不同频率的电流响应信号并由变压器高压接地端输出至信号测量模块；
S400：信号测量模块对所述不同频率的电流响应信号进行测量并获得与频率相对应的幅值和相位；
S500：所述上位机根据测量所得的不同频率的电流响应信号的幅值和相位生成变压器阻抗谱。
本实施例中，首先需要任意选择几个频点，并测量变压器在该频点下的阻抗幅值，并对阻抗幅值的范围进行初步估计。根据估计得到的阻抗幅值，设置锁相放大器所输出的激励电压的幅值及调节线性倍压模块的放大倍数，使得加在变压器低压侧接地端的激励电压可使其产生幅值略低于10μA的电流响应。因为当响应电流幅值低于10μA，即锁相放大器的量程的最大值时，可以直接输入锁相放大器的输入端。但该响应电流的幅值不得小于2fA(即锁相放大器量程的最低值)，否则在环境噪声的影响下，测量精度会降低。
为了便于对本实施例技术方案的理解，下面针对本方案进行示例说明。
具体的，选择一些频点，例如选择10mHz、1Hz、100Hz，在某一任意频点下，锁相放大器的电压从0开始升高，一直到合适的电压，观察响应电流值，调节放大倍数让响应电流值不能超过锁相放大器的量程，通过电压电流和放大倍数就可以算出每个频点的阻抗，从中找出阻抗值最小和最大的两个频点，若最高的阻抗为300MΩ，最低为10MΩ，则可确定放大倍数为7倍，频点为变压器最大阻抗时不致超量程，最小阻抗时不致电流太小，影响测量。确定放大倍数以后就可以对变压器的整个阻抗谱进行扫频，最终得到待测变压器的阻抗谱，将阻抗谱与标准阻抗谱进行比对，标准阻抗谱可以为变压器初次运行测得的阻抗谱，如图4(a)至图4(b)所示，图4(a)为不同受潮程度的变压器阻抗谱实部，图4(b)为阻抗谱的虚部，通过对比图4(a)和图4(b)正常变压器和受潮变压器的曲线幅值、峰值及峰值所在位置、是否有新的平台以及平台所在位置等信息，可以确定变压器可能出现的缺陷。通过观察图4(a)至图4(b)所示阻抗谱可知，阻抗谱的幅值会上升，峰值的幅值也会上升，峰值会向阻抗谱右侧移动，在某些频率点附近会出现新的平台，并且平台也会随着变压器含水量增加向右移动，如果发现阻抗谱图中出现类似的现象，应及时检修避免变压器绝缘失效。示意图中有些组含水量很大，一般含水量超过3％就会有比较严重的绝缘失效发生。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。