专利名称：变压器绕组变形测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及变压器的测试装置，具体的讲是变压器绕组变形测试装置。
背景技术：
目前对变压器的故障检测通常有以下几种方法阻抗法最早使用的绕组变形测试方法是阻抗法。其原理是通过测量变压器绕组 在50Hz下的阻抗或漏抗，由阻抗或漏抗值的变化来判断变压器绕组是否发生了危及运行的变形，如匝间短路、开路、线圈位移等。国标和IEC标准(国际电工委员会标准)都规定了额定电流下漏抗变化的限值，IEC建议超过3%为异常，国标认为根据线圈结构的不同取2% 4%。美国ANSI标准96年版已将短路阻抗测试作为预试项目之一。而多年来的现场使用经验表明，由于受条件所限，阻抗法很难达到额定电流(尤其是针对大型变压器)，且对测试仪表的检测精度要求很高，往往难以获得必要的检测灵敏度，有时仅对那些绕组变形严重的变压器有效。脉冲法在变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信号(100V)，利用数字化记录设备同时测量绕组两端的对地电压信号Vo (t)和Vi (t)，并进行相应的处理，最终得到该变压器绕组的传递函数h(t)或H(jco)，即h (t) =Vo (t) /Vi (t)h (j ω ) =Vo (j ω ) /Vi (j ω )然后根据波形变化来判断变压器绕组变形。频响法绕组的一端输入扫频电压信号Vs (依次输入不同频率的正弦波电压信号)，通过数字化记录设备同时检测不同扫描频率下绕组两端的对地电压信号Vi (η)和Vo (η)，并进行相应的处理，最终得到被测变压器绕组的传递函数H (η):H (n) =201og[Vo (n) /Vi (η)]并将频率响应根据频率描绘成曲线来判断变压器绕组变形。扫频阻抗法扫频阻抗法是一种新型的绕组变形研究方法，可以全面诊断绕组特性，且可以兼顾工频阻抗值的测量，看其是否符合产品的有关标准和技术条件要求，并对负载损耗和短路阻抗不符合标准要求的原因进行分析，找出变压器结构和制造的缺陷。由于一直以来，在现场采用工频电源作为试验电源，测试出变压器的负载损耗和短路阻抗值。虽然能作为判断的依据，但随着电力需求的增长以及多变的工况，对电力主设备变压器的监控和检测，预防主设备事故的要求越来越高。这不仅要能对变压器在事故后进行准确检测，同时为变压器预期的劣化和事故可能的发生做出科学的判据显的尤为重要。同时在工频下的低压阻抗法测试中，由于单一的阻抗值对比，以及工频电源谐波干扰，使测试值与真实值有一定的偏差，这就为有些处于临界值的判断带来了不可预期的结果。这使得传统的测试方法存在如下缺陷(I)传统测试模式下，不能有效开展标准化电气试验。传统工频下的阻抗值单一、对判断绕组特性不够。尽管建立标准的扫频下的阻抗测试，通过开展标准化的测试能够减少人为失误，避免测试漏项，但传统测试模式下标准化测试工作无法有效开展。测试报告完成后还需要人工把测试数据、测试报告输入电脑、PMS系统保存，增加劳动量和错误几率，降低测试效率。(2)传统测试模式下，数据分析深度低。传统测试模式下，测试人员主要局限于现场测试，而对数据深度分析、查询、纵向或横向比对缺乏条件，因此根据现场试验数据得出结论往往比较浅薄，深度分析需要回到班组才能进行，但此时发现数据如有异常、超标被试设备往往已经投运，不可能再停电进行重新测试。
(3)传统测试模式下，测试数据处理等后期工作量大。传统测试模式下，测试人员的现场测试数据只是完成了工作的一小部分，回到班组后需要计算、对比测试数据，出具测试报告，人工计算量很大。

发明内容
针对上述的问题，本发明提供了一种变压器绕组变形测试装置，在变压器出现故障之前及时发现故障，并进行提示，降低变压器的故障率和运行风险，同时大幅度减少检测的人工工作量，有效保障变压器的安全运行。本发明的变压器绕组变形测试装置，包括有与数据总线双向连接的微处理器和信号采集单元，其中信号采集单元还连接有信号处理单元；数据总线输出连接有正弦波变频电路和相位切换单元，所述的正弦波变频电路对相位切换单元输出连接，相位切换单元通过负载变压器与所述的信号处理单元连接；还具有顺序输入连接的AC电压输入单元、EMI (电磁干扰)滤波整流单元、PFC (功率因数校正)单元和逆变电路，逆变电路对所述的正弦波变频电路输出连接。传统的测试仪器只能进行变压器的阻抗测试或频率测试，主要受限原因是测试电源的限制，普通的阻抗测试仪使用市电作为测试电源，不具备变频的功能；普通的频率响应测试仪可以变换频率但电压一般为12V以下，不具备带负载的能力，不能准确的给出阻抗值。因此正弦波变频电路是本发明装置的核心部分。正弦波变频电路具有调频、调压、限流、保护等功能。采用自然采样法的原理计算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉宽和脉冲间隙时间，生成SPWM (正弦脉宽调制信号)，使正弦波变频电路输出与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变器输出电压的频率和幅值。测试装置以测试数据作为判定参考，能够及时发现变压器出现变形，以便在事故之前就能够发现并提示出问题，同时测试装置还可以一次性测试变压器三相的阻抗值和频率特性。进一步的，测试装置中还具有对数据总线输入连接的保护电路，和与保护电路连接的状态指示单元。其中可以包括过压保护电路、过流保护电路、短路保护电路和温度保护电路等。保护电路发现异常后，可以通过声音或显示装置进行报警，保护状态可通过微处理器手动读取。具体的，在所述的正弦波变频电路中，控制集成块的信号输出脚连接第一导通元件的控制管脚，第一导通元件的另一管脚通过第一变压元件与限流电阻连接后接地，第一变压元件还与串联的第一电感、第二电感和第三电感连接至外围电路。其中所述的第一导通元件可以为场效应管，也可以为其它具有类似导通功能的元件，如三极管等。通过控制集成块使PFC单元提高变频电源的功率因数，输入的AC电压扩展至AC90V到AC260V全域，控制集成块的输出峰值电流为1A，因而可使场效应管形式的第一导通元件的栅极电容迅速充电与放电。第一变压元件利用电流互感从第一导通元件进行取样，因此在平均电流传感控制方法上，改进了测试装置的综合效率。PWM (脉宽调制信号)部分主要通过第一变压元件、限流电阻、第一导通元件共同来实现。在正弦波变频电路中还通过单端变换器和斜率补偿，实现了占空比的精确控制。大幅值振荡器和电流输入乘法器增强了抗噪声干扰性。斜率补偿电路可编程，过电压比较器在负载断开时可避免失控。当电压在峰值附近时第一电感、第二电感和第三电感存贮能量，当电压在O附近时释放能量。具体的，在所述的逆变电路中，具有第一 PWM控制模块和第二 PWM控制模块，其中第一 PWM控制模块通过第二导通元件的控制管脚与第三导通元件的导通管脚相连，第二PWM控制模块通过第四导通元件的控制管脚与第五导通元件的导通管脚相连；第二导通元件和第三导通元件与第四导通元件和第五导通元件之间耦接有第二 变压元件和第三变压元件，第三变压元件的一个输入端连接与第二导通元件的控制管脚和导通管脚之间；第二变压元件的次级和第三变压元件的次级分别连接有两组整流二极管。其中优选的，所述的第二导通元件、第三导通元件、第四导通元件和第五导通元件均为场效应管，也可以为其它具有类似导通功能的元件，如三极管等。第一 PWM控制模块和第二 PWM控制模块的PWM信号控制场效应管形式的第二导通元件、第三导通元件、第四导通元件、第五导通元件交替开关控制电压再通过第二变压元件和第三变压元件耦合到次级，再通过次级的整流二极管实现逆变。在逆变电路中还有电流控制型脉宽调制器。所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有显著提高，是目前比较理想的新型控制器。优选的，在信号采集单元中设置有2 5个数据采集通道和两个缓存单元。采用FPGA (现场可编程门阵列)控制技术，实现两个高速高精度采集通道的数据采集，每通道最高采样率500Ksps。两个缓存单元能够使采集系统一直处于采集状态中，保证数据的连续性。在扫频的过程中，信号具有突发性、动态范围大，无法预先设置好恰当的测量量程。对于大动态范围的信号，采用五路并行采集技术，分别对40dB、60dB、80dB和IOOdB四种线性放大信号及O IOOdB对数检波信号进行并行采样。测试得知，本发明的变压器绕组变形测试装置，测试的频率能够在IOHz 2kHz，功率为3000VA，为准确测量提供了良好的基础。能够准确的计算出工频下的变压器阻抗值、感抗值，可以与变压器铭牌值进行比对，并且能够在变压器出现故障之前及时发现故障，明显的降低了变压器的故障率和运行风险，同时也大幅度减少检测的人工工作量，有效的保障了变压器的安全运行。以下结合实施例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。


图I为本发明变压器绕组变形测试装置的结构框图。图2为图I中正弦波变频电路的部分电路图。图3为图I中逆变电路的部分电路图。
具体实施例方式如图I所示变压器绕组变形测试装置，包括有与数据总线双向连接的微处理器和信号采集单元，其中信号采集单元还连接有信号处理单元；数据总线输出连接有正弦波变频电路和相位切换单元，所述的正弦波变频电路对相位切换单元输出连接，相位切换单元通过负载变压器与所述的信号处理单元连接。还具有顺序输入连接的AC90V AC260V的AC电压输入单元、EMI滤波整流单元、PFC单元和逆变电路，逆变电路对所述的正弦波变频电路输出连接。通过正弦波变频电路计 算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉宽和脉冲间隙时间，生成SPWM(正弦脉宽调制信号)，使正弦波变频电路输出与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变器输出电压的频率和幅值。还具有对数据总线输入连接的保护电路，和与保护电路连接的状态指示单元。所述的保护电路包括过压保护电路、过流保护电路、短路保护电路和温度保护电路。如图2所示的正弦波变频电路中，控制集成块U2的信号输出脚连接第一导通元件Q2的控制管脚，场效应管结构的第一导通元件Q2的另一管脚通过第一变压元件Tl与限流电阻R21连接后接地，第一变压元件Tl还与串联的第一电感L3、第二电感L4和第三电感L5连接至外围电路。通过ML4812型号的控制集成块U2使PFC单元提高变频电源的功率因数，输入的AC电压扩展至AC90V到AC260V全域，控制集成块U2的输出峰值电流为1A，因而可使24N60C3型号的场效应管形式的第一导通元件Q2的栅极电容迅速充电与放电。第一变压元件Tl利用电流互感从第一导通元件Q2进行取样，因此在平均电流传感控制方法上，改进了测试装置的综合效率。PWM (脉宽调制信号)部分主要通过第一变压元件Tl、限流电阻R21、第一导通元件Q2共同来实现。在正弦波变频电路中还通过单端变换器和斜率补偿，实现了占空比的精确控制。大幅值振荡器和电流输入乘法器增强了抗噪声干扰性。斜率补偿电路可编程，过电压比较器在负载断开时可避免失控。当电压在峰值附近时第一电感L3、第二电感L4和第三电感L5存贮能量，当电压在O附近时释放能量。在所述的逆变电路中，具有SG3525型号的第一 PWM控制模块U7和第二 PWM控制模块U8，其中第一 PWM控制模块U7通过第二导通元件Q3的控制管脚与第三导通元件Q4的导通管脚相连，第二 PWM控制模块U8通过第四导通元件Q5的控制管脚与第五导通元件Q6的导通管脚相连；第二导通兀件Q3和第三导通兀件Q4与第四导通兀件Q5和第五导通兀件Q6之间耦接有第二变压元件T2和第三变压元件T3，第三变压元件T3的一个输入端连接与第二导通元件Q3的控制管脚和导通管脚之间；其中第二导通元件Q3、第三导通元件Q4、第四导通元件Q5和第五导通元件Q6均为场效应管结构。第二变压元件T2的次级和第三变压元件T3的次级分别连接有两组整流二极管。在逆变电路中还有电流控制型脉宽调制器。所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有显著提高，是目前比较理想的新型控制器。在信号采集单元中，采用FPGA (现场可编程门阵列)控制技术，通过两个高速高精度的采集通道对数据进行采集，一个电压测量通道，一个电流测量通道，电压测量通道的输入范围为O 400V，电流通道的输入范围为O 20A，每通道最高采样率为500ksps，每个采集通道量化精度为16位。同时采用负延时、循环、双缓存的采样技术，使信号采集单元一直 处于采集状态中，双循环的缓存设计保证了数据的连续性。在扫频的过程中，信号具有突发性、动态范围大，无法预先设置好恰当的测量量程；对于大动态范围的信号，采用五路并行采集技术，分别对40dB、60dB、80dB和IOOdB四种线性放大信号及O IOOdB对数检波信号进行并行采样。这样做的有点是信号采集要实现IOOdB的动态范围，即十万分之一的精度，单纯采用高分辨率的AD器件很难实现，即使实现也会造价昂贵。因此采用四通道同时采样技术，即同时对40dB、60dB、80dB和IOOdB增益通道进行采集，如果被测信号较小(即没有超过高增益通道最大量程)，则将以该通道所采集的信号为有效数据，否则将认为被测信号较大，自动以另一个低增益通道所采集的信号为有效数据。该方式的优点是不需要预先设置量程，适应于在宽动态范围内，对突发性信号的波形进行高精度采集。采用16bit模数转换器，采集精度做到13bit，每个量程内的测量精度为1/(2~13)，足以保证每个量程内O. 1%以上的测试精度。在测试系统的软件控制中，采用相关比较法即先采用横向比较法，选取相同型号、结构、材质及电压等级的绕组进行试验，比较在同一频点下的负载损耗及短路阻抗值。再通过纵向比较法，测试采集的负载损耗和短路阻抗同历史或出厂数据比较。然后通过横向、纵向比较短路阻抗的幅频响应图谱，验证在IOHz 2kHz数据测试精度。最后通过FFT(快速傅立叶变换)技术计算出短路阻抗与频率函数图谱Zke=H Cf)关系，通过显示屏显示出幅频响应特性曲线。f = IOHz 2kHz范围取值。利用相关系数值的范围来判定横向、纵向比较的结果，以判定变压器绕组的劣化程度。在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换(DFT)，以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征，但是算法计算量大，耗时长，不利于计算机实时对信号进行处理。因此至DFT被发现以来，在很长的一段时间内都不能被应用到实际的工程项目中，直到一种快速的离散傅立叶计算方法(FFT)被发现。使得离散傅立叶变换才在实际的工程中得到广泛应用。需要强调的是，FFT并不是一种新的频域特征获取方式，而是DFT的一种快速实现算法。DFT的计算公式
权利要求
1.变压器绕组变形测试装置，其特征为 包括有与数据总线双向连接的微处理器和信号采集单元，其中信号采集单元还连接有信号处理单元； 数据总线输出连接有正弦波变频电路和相位切换单元，所述的正弦波变频电路对相位切换单元输出连接，相位切换单元通过负载变压器与所述的信号处理单元连接； 还具有顺序输入连接的AC电压输入单元、EMI滤波整流单元、PFC单元和逆变电路，逆变电路对所述的正弦波变频电路输出连接。
2.如权利要求I所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为还具有对数据总线输入连接的保护电路，和与保护电路连接的状态指示单元。
3.如权利要求2所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为所述的保护电路包括过压保护电路、过流保护电路、短路保护电路和温度保护电路。
4.如权利要求I至3之一所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为在所述的正弦波变频电路中，控制集成块(U2)的信号输出脚连接第一导通元件(Q2)的控制管脚，第一导通元件(Q2)的另一管脚通过第一变压元件(Tl)与限流电阻(R21)连接后接地，第一变压元件(Tl)还与串联的第一电感(L3)、第二电感(L4)和第三电感(L5)连接至外围电路。
5.如权利要求4所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为所述的第一导通元件(Q2)为场效应管。
6.如权利要求I至3之一所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为在所述的逆变电路中，具有第一 PWM控制模块(U7 )和第二 PWM控制模块(U8 )，其中第一 PWM控制模块(U7 )通过第二导通元件(Q3)的控制管脚与第三导通元件(Q4)的导通管脚相连，第二 PWM控制模块(U8)通过第四导通元件(Q5)的控制管脚与第五导通元件(Q6)的导通管脚相连； 第二导通元件(Q3)和第三导通元件(Q4)与第四导通元件(Q5)和第五导通元件(Q6)之间耦接有第二变压元件(T2 )和第三变压元件(T3 )，第三变压元件(T3 )的一个输入端连接与第二导通元件(Q3)的控制管脚和导通管脚之间； 第二变压元件(T2)的次级和第三变压元件(T3)的次级分别连接有两组整流二极管。
7.如权利要求6所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为所述的第二导通元件(03)、第三导通元件(04)、第四导通元件(05)和第五导通元件(Q6)均为场效应管。
8.如权利要求I至3之一所述的变压器绕组变形测试装置，其特征为在信号采集单元中设置有2 5个数据采集通道和两个缓存单元。
全文摘要
本发明涉及变压器绕组变形测试装置，包括有与数据总线双向连接的微处理器和信号采集单元，其中信号采集单元还连接有信号处理单元；数据总线输出连接有正弦波变频电路和相位切换单元，所述的正弦波变频电路对相位切换单元输出连接，相位切换单元通过负载与所述的信号处理单元连接；还具有顺序输入连接的AC电压输入单元、EMI滤波整流单元、PFC单元和逆变电路。本发明的变压器绕组变形测试装置，能够准确的计算出工频下的变压器阻抗值、感抗值，可以与变压器铭牌值进行比对，并且能够在变压器出现故障之前及时发现故障，明显的降低了变压器的故障率和运行风险，同时也大幅度减少检测的人工工作量，有效的保障了变压器的安全运行。
文档编号G01R27/02GK102854389SQ20121037183
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者王彦良, 王继文, 孔令明, 李斌, 刘宗杰, 肖云东, 李晏, 殷艳华, 张建峰, 许磊, 王敏 申请人:山东电力集团公司济宁供电公司, 国家电网公司