运用CygnalC8051F单片机的变压器绕组变化测验机器分析

绪论

1. 1课题的研究背景和意义

    电能已经成为口常生产、生活中不可或缺的能源，是经济发展、社会进步的主要动力。而电能的长途传输要通过变压器来变换电压，因此变压器的安全运行对十保证电网的安全和可靠意义重大。一旦变压器损坏，由十其维修时间长、花费大、影响面广，将对国民经济造成重大损失。因此应当对变压器进行及时的故障检测，准确的故障诊断，降低故障发生概率，以保证电网的安全运行。
    近些年来，我国的电力事业发展迅猛。据最新资料统计显示，截至2010年底，全国发电装机容量为96641万千瓦，同比增长10.s6%，全年尽增容量9231万千瓦;另外受经济发展拉动，全国发电量达到42278亿千瓦时，同比增长14.8%。在“十二五”规划中，我国计划建设连接大型能源基地与主要负荷中心的“纵横”特高压骨干网架和13项直流输电工程，形成大规模的“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局。至此，我国大容量、大区域互联和西电东送等复杂系统的即将形成，因而对电力系统的安全运行和供电可靠性都提出了更高的要求。并目_随着超高压输电系统全国联网，紧凑型输电线路的建成，带有串补或静补的交流柔性超高压输电系统的采用，输电系统的短路电流将明显高十以往水平。这就要求变压器产品能够承受短路电流所产生的较大电动力和机械力[m
    研究表明，变压器绕组是变压器发生故障的主要部位。当变压器在运行过程中遭到短路故障电流冲击时，绕组内将流过很大的短路电流，并与漏磁场相互作用产生很大的电动力。这时绕组将受到巨大的、不均匀的径向电动力和轴向电动力作用。另外，变压器在运输、安装等过程中也可能受到意外的碰撞冲击、颠簸和震动等。在这些力
  (电动力或机械力)的作用下，绕组可能发生机械移位和变形，如线圈的轴向扭曲、辐向变形(根据受力不同，产生内线圈向内收缩或外线圈向外膨胀)、线圈断股、引线位移、匝间短路、局部线圈压缩或拉伸等等。这种变形并不能马上导致匝间短路、引起保护动作，这种带有变形的变压器常会在相当长的时间内带“病”运行。如果变压器不能得到及时的维修，累积效应会进一步加深，引发绝缘损伤、绕组短路和烧毁，最后导致大面积停电等事故，给国家和人民带来不可估量的损失。
    因此，研究变压器绕组发生变形的原因、检测方法和诊断方法，提前采取有效的预防措施，及时发现问题、解决问题，对减少变压器事故，延长变压器的使用寿命具有重要意义。目前该项检测受到国内外电力企业的广泛关注，已经成为了一个重要的研究课题。我国国家电网公司在国电发号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中，明确规定要把绕组变形试验列入变压器出厂、交接和发生短路事故后的必试项目

1. 2变压器绕组变形的检测方法

    上个世纪六十年代起，绕组变形检测技术就已经成为国外学者的研究重点，经过多年探索取得了很大的成果。随着我国经济的迅速发展，要求电力系统能安全、稳定地运行，因此变压器绕组变形检测也受到了越来越多的关注，已经成为变压器安全运行的重大课题。我国通常在出厂前或现场安装后对绕组进行检测，运行期间也会进行一系列常规检测，而故障后必定进行全面检测。检测中通过对相关特征量的测量来分析和判断绕组是否有位移、变形等异常现象发生。一般情况下，变压器绕组发生变形后，其部分特征量如电气参数、物理尺寸、几何形状以及温度等都与正常状态有较大差异。因此，以特征量比较为基础形成了多种绕组变形检测方法。但是，目前各种绕组变形检测方法均没有通用的状态量对绕组的状态进行描述和判断，也没有通用指标去量化绕组变形的程度，都是依据自己的测量理论基础，采用相应经验和判断标准判断绕组变形程度和变形位置
    在变压器受到短路电流冲击以后，运行单位一般都做常规电气试验和绝缘油分析来检查变压器的绝缘状况。检查结果表明，有的变压器电气试验和绝缘油分析结果均在预防性试验规程规定的范围内，但是吊罩检查却发现绕组已明显变形或绝缘垫块严重松动，这说明常规电气试验、油化试验等检测方法不能有效地发现变压器绕组变形性缺陷。而吊罩检查虽很直观，但需花费大量的人力、物力、财力，判断微弱变形以及内侧绕组有无变形仍旧有困难。为了满足电力系统要求，弥补常规电气方法和吊罩检查方法存在的不足，国内外学者对变压器绕组变形的检测进行了大量研究，并逐步形成了几种比较成熟的检测方法，如短路阻抗法、低压脉冲法、频响分析法等。
以下分别对这几种方法或技术进行简要的介绍。

2. 1短路阻抗法

    短路阻抗法(Short-Circuit Reactance)简称为SCR法，短路阻抗法是最早开始应用的变压器绕组变形检测方法。其原理是通过测量变压器绕组在工频电压作用下的短路阻抗或漏抗，由短路阻抗或漏抗值的变化来诊断绕组是否发生变形。变压器的短路阻抗是指变压器的负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗，它反映了绕组之间或绕组和油箱之间漏磁通形成的感应磁势。短路阻抗包含电阻分量和电抗分量，对十110kV及以上的大型变压器，电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗主要是电抗分量值。而变压器的短路电抗分量，就是变压器绕组的漏电抗。变压器的漏电抗由横向漏电抗和纵向漏电抗组成，通常横向所占比例很小。在频率一定的情况下，变压器的漏电抗值由绕组的几何尺寸所决定，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变[m
    短路阻抗法的基本思想即通过测量变压器绕组中漏电抗的变化来检测绕组的是否变形。实际测量一般在电压较低的交流电源作用下进行


3 变压器绕组变形测............ 22-40
    3.1 绕组变形测试系统............ 22-23
    3.2 C8051F 系列单片机简介 23-26
        3.2.1 C8051F 系列............ 23-24
        3.2.2 C8051F 系列............ 24-26
    3.3 信号发生模............ 26-32
        3.3.1 信号发生模块............26-27
        3.3.2 信号发生............ 27-29
        3.3.3 信号滤波............ 29-31
        3.3.4 功率放大............ 31-32
    3.4 数据采集............ 32-37
        3.4.1 有效值转换............ 32-35
        3.4.2 程控放大............ 35-37
    3.5 数据通信............ 37-40
        3.5.1 双机通信............ 37-38
        3.5.2 与上位机通............ 38-40
4 变压器绕组变形测试............ 40-52
    4.1 下位机软件............ 40-45
        4.1.1 下位机软件总体............ 40-41
        4.1.2 信号发生部分............ 41-42
        4.1.3 信号滤波部分............ 42-45
        4.1.4 信号采集部分............ 45
    4.2 上位机诊断............ 45-52
        4.2.1 诊断软件总体............ 46-47
        4.2.2 获取频响指纹的............ 47-48
        4.2.3 计算特征点的幅值............ 48-49
        4.2.4 计算特征点的频率............ 49-51
        4.2.5 计算特征点的特征............ 51-52


结论
    本文在阅读大量文献的基础上，根据频率响应分析法的检测原理，改进了原测试系统的软硬件设计。硬件方面设计了基十C8051F005的变压器绕组变形测试系统，完成了扫频信号产生、信号滤波、信号采集及数据存储等功能;软件部分则研究了基十变压器绕组频响指纹的特征差异指数分析法，以此为基础设计诊断软件。本课题所做的工作主要有以下几方面:
    1、研究了几种变压器绕组变形检测方法，分析总结出这些方法各自的优、缺点。其中重点介绍了抗干扰能力强、测量重复性好的频率响应分析法，并分析了几种基十频响法的上位机诊断方法。本课题的研究重点是设计可靠、稳定的绕组变形测试系统，探讨如何快速、准确地诊断出绕组是否变形。
    2,设计了基十C8051F005的变压器绕组变形测试系统的软硬件。硬件方面采用了双单片机处理系统，两个单片机分别负责信号的采集和管理。测试系统使用DDS片产生扫频信号，通过程控滤波器对信号进行了滤波，利用有效值转换芯片完成了信号的采集，最后实现了与上位机通信和SD卡存储等。