C8051F类单片机基础上变压器绕组变形测定仪探究

第一章绪论

1.1 课题的研究背景和意义
电能已经成为日常生产、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于保证电网的安全和可靠意义重大。一旦变压器损坏，由于其维修时间长、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10.56%，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14.85%。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。并且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于以往水平。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。
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。而且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[2000]589 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。
   
    1.3 国内外频率响应分析法的研究现状....................... 13-14
    1.4 本文所做的工作 .......................14-16
第二章相关理论基础 .......................16-22
    2.1 变压器的分类和基本结构....................... 16
    2.2 变压器绕组变形产生的原因及危害....................... 16-18
    2.3 频率响应分析法基本原理 .......................18-19
    2.4 变压器绕组变形诊断方法 .......................19-22
第三章变压器绕组变形测试系统硬件设计 .......................22-40
    3.1 绕组变形测试系统的总体结构 .......................22-23
    3.2 C8051F 系列单片机简介 .......................23-26
        3.2.1 C8051F 系列单片机的特点....................... 23-24
        3.2.2 C8051F 系列单片机的选型....................... 24-26
    3.3 信号发生模块....................... 26-32
        3.3.1 信号发生模块总体结构....................... 26-27
        3.3.2 信号发生电路....................... 27-29
        3.3.3 信号滤波电路 .......................29-31
        3.3.4 功率放大电路 .......................31-32
    3.4 数据采集模块 .......................32-37
        3.4.1 有效值转换电路 .......................32-35
        3.4.2 程控放大电路....................... 35-37
    3.5 数据通信模块 .......................37-40
        3.5.1 双机通信 .......................37-38
        3.5.2 与上位机通信 .......................38-40
第四章变压器绕组变形测试系统软件设计....................... 40-52
    4.1 下位机软件 .......................40-45
        4.1.1 下位机软件总体流程 .......................40-41
        4.1.2 信号发生部分软件设计 .......................41-42
        4.1.3 信号滤波部分软件设计 .......................42-45
        4.1.4 信号采集部分软件设计....................... 45
    4.2 上位机诊断软件....................... 45-52
        4.2.1 诊断软件总体流程 .......................46-47
        4.2.2 获取频响指纹的特征点 .......................47-48
        4.2.3 计算特征点的幅值差异系数 .......................48-49
        4.2.4 计算特征点的频率差异系数 ....................... 49-51
        4.2.5 计算特征点的特征差异指数.......................51-52
第五章系统误差分析 ....................52-58
    5.1 误差理论分析....................... 52-54
    5.2 实验数据分析 .......................54-58

结论与展望

6.1 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。硬件方面设计了基于 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于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。

6.2 展望
由于个人水平有限，对本课题的研究还不够深入，测试系统还存在一些不完善的地方。作者认为，可以在以下几个方面做进一步的研究和改进：
1、运用基于频响指纹的特征差异指数分析法来诊断绕组是否变形以及变形程度，还需要进行大量的实验以取得更统一的量化标准。
2、扩展测试系统的功能，实现变压器绕组变形测试系统与诊断软件一体化设计，简化测试系统，同时在诊断软件的基础上考虑引入专家诊断系统，为准确诊断绕组变形提供参考。
3、从原理上对绕组变形进行分析和判断，正确拟合变压器绕组的传递函数，通过分析其零、极点的变化来准确诊断绕组是否变形。
4、构建准确的数学模型并进行仿真，对绕组变形的定位作进一步的研究，以期望能快速、准确的定位绕组变形的位置。