專利名稱：頻響法分析繞組變形測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子儀器，涉及電力變壓器繞組變形測試儀器，特別是一種頻響 法分析繞組變形測試儀。
背景技術(shù)：
變壓器繞組變形是指繞組受機(jī)械力和電動力的作用，繞組的尺寸和形狀發(fā)生了不 可逆轉(zhuǎn)的變化。電力變壓器在運(yùn)輸安裝過程中可能受到碰撞沖擊，引起內(nèi)部的繞組扭動變 形移位；在運(yùn)行中難以避免的要承受各種短路沖擊，其中出口短路對變壓器的危害尤其嚴(yán) 重。盡管現(xiàn)代化的斷路器能夠快速的將短路故障從電路切除，但往往因某種原因自動裝置 不動作，使得變壓器線圈在短路電流熱和電動力的作用下，在很短時間內(nèi)造成線圈變形，嚴(yán) 重的甚至?xí)?dǎo)致相間短路，繞組燒毀。電力變壓器發(fā)生繞組變形后，有的會立即損壞發(fā)生事 故，更多的是仍能運(yùn)行一段時間。由于常規(guī)電氣試驗(yàn)如電阻測量、變比測量及電容量測量等 很難發(fā)現(xiàn)繞組的變形，這對電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在嚴(yán)重威脅。因此，對承受過機(jī)械力及電動力 作用的變壓器進(jìn)行繞組變形的試驗(yàn)和診斷是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種具有抗干擾能力強(qiáng)，重復(fù)性強(qiáng)，高靈敏度，高準(zhǔn)確 度，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，易于操作的頻響法分析繞組變形測試儀。本實(shí)用新型的目是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。頻響法分析繞組變形測試儀主要是由微處理器、CPLD、DDS、功放、信號放大器、A/ D轉(zhuǎn)換器、SRAM組成，其中微處理器通過SPI總線控制DDS產(chǎn)生并輸出頻率，此頻率通過 功放產(chǎn)生信號源，從被測繞組取樣回來的信號經(jīng)放大，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器把轉(zhuǎn)換信號存 到SRAM中，再由MCU讀取和處理，送到串口總線，最后在微機(jī)控制下將信號曲線顯示在屏幕 上。本實(shí)用新型具有抗干擾能力強(qiáng)，重復(fù)性強(qiáng)，高靈敏度，高準(zhǔn)確度，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，低成 本、低功耗、體積小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

圖1本實(shí)用新型原理框圖圖2本實(shí)用新型電路圖圖3繞組變形測試信號原理圖圖4本實(shí)用新型測試接線示圖
具體實(shí)施方式
以下對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述，并結(jié)合附圖作詳細(xì)說明。變壓器繞組的二端口網(wǎng)絡(luò)其特性可在頻域上用傳遞函數(shù)H(jw) = V0(Jw)Ai(Jw)來描述，而H(jw)是時域上單位沖擊響應(yīng)h(t)的傅立葉變換。FRA法即頻率響應(yīng)分析法，將 一穩(wěn)定的正弦掃描電壓信號施加到被試變壓器繞組的一端，同時記錄該端和其他端點(diǎn)上的 電壓幅值及相角，從而得到該被試?yán)@組的一組頻響特性，即H(jw)。當(dāng)繞組發(fā)生變形時，內(nèi)部 參數(shù)的變化將導(dǎo)致傳遞函數(shù)H(jw)的變化，分析和比較頻響特性，從而判斷繞組是否發(fā)生 變形。頻率響應(yīng)分析法(FRA)有抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的靈敏度。采用FRA法在一定的頻率范圍內(nèi)，對變壓器某一繞組的一端施加一系列特定頻 率的信號，測量其兩端的響應(yīng)信號，即可得到該變壓器繞組響應(yīng)特性F F(f) = 201g(V1/V2) 其中f-每一點(diǎn)的試驗(yàn)頻率(10KHZ 100KHZ) ；V1-變壓器被試?yán)@組首端信號電 壓；V2-變壓器被試?yán)@組末端信號電壓。兩條頻率響應(yīng)特性曲線(1和2)差值其中=E12-兩條頻響曲線的差值(方均根值)；Eli-第1條頻響曲線i點(diǎn)幅值dB ； F2i-第2條頻響曲線i點(diǎn)幅值dB ；N-離散點(diǎn)總數(shù)(高壓側(cè)計(jì)算頻率范圍是10 515KHZ，中 壓、低壓側(cè)計(jì)算頻率范圍是10 700KHZ)。FRA法所必須解決的問題將FRA法成功地應(yīng)用到變壓器繞組變形測試上，除必須具有一套完整的判斷方法 外，還必須具備能得到穩(wěn)定、真實(shí)的變壓器繞組頻響特性曲線的條件a)測試頻率范圍的確定由于受變壓器電壓等級、額定容量、短路阻抗、繞組及貼 心排列方式等因素影響，為確定變壓器繞組是否變形，測定時必須采用不同的實(shí)驗(yàn)頻率以 提高變形測試的有效性。在確定測試頻率范圍時必須滿足4點(diǎn)要求①可排除鐵心勵磁特 性不同的影響；②整個測試范圍內(nèi)必須具有足夠多的諧振點(diǎn)，以滿足判斷是否變形的要求； ③測試線排列方式對測試結(jié)果影響甚微；④測試儀器價(jià)格不因頻帶寬度的增加而明顯的上 漲。綜合考慮各方面因素，現(xiàn)場進(jìn)行變壓器繞組變形測試頻帶范圍以IkHz IMHz為宜。b)提高抗干擾水平變壓器繞組變形現(xiàn)場測試需要解決干擾問題，干擾信號主要 來自現(xiàn)場的無線電干擾、變電站內(nèi)其他帶電設(shè)備的電暈信號、地網(wǎng)的干擾信號、測試儀器 所用電源干擾信號等。為得到可信、準(zhǔn)確的變壓器繞組頻響曲線，必須通過抑制干擾信號幅 值或提高測試信號幅值來提高信噪比。c)提高測試系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定性由于變壓器繞組變形判斷主要通過短路前后 頻響曲線來比較進(jìn)行，故測試系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定性對提高繞組變形測試判斷的準(zhǔn)確性非常 重要。為此必須解決①提高信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定性，盡量減少頻率漂移；②為保證不同環(huán) 境溫度下測試結(jié)果的重復(fù)性，必須盡量減少測試系統(tǒng)個元件的溫度漂移；③應(yīng)用軟件濾波 技術(shù)彌補(bǔ)單純硬件濾波的不足，提高濾波系統(tǒng)的穩(wěn)定性；④針對不同的環(huán)境干擾程度，妥善 處理信號發(fā)生器掃描信號的頻率步長，最大程度抑制現(xiàn)場干擾；⑤在測試時間允許時，適當(dāng) 增加頻率測試點(diǎn)，最大限度保證頻響曲線的連續(xù)性。d)最大限度的保證被試品的穩(wěn)定性變壓器繞組變形測試時建議按下列方法進(jìn)行，以使變壓器具有相對穩(wěn)定的測試狀態(tài)①在變壓器出線套管處拆除鐵心，夾件引下線以 外的變壓器所有進(jìn)出線，是變壓器處于完全隔離狀態(tài)。②已拆除的進(jìn)出線與變壓器套管間 保持足夠的空間距離，進(jìn)出線必須直接接地，以免感應(yīng)電壓不同影響測試結(jié)果。③電容型套 管的末屏需要直接接地，以免套管電容量明顯不同影響測試結(jié)果；④對具有分接抽頭的變 壓器，在測試前必須在同一檔位上進(jìn)行，尤其比較短路前后狀況的測試必須在同一檔位上 進(jìn)行，以免造成誤判斷；⑤記錄變壓器繞組變形測試時的油溫及環(huán)境溫度；⑥對與某一特 定接線組別的變壓器，正常測試時應(yīng)具有一種固定接線方式，以免因接線方式不同而造成 頻響曲線差異，對與以短路前后頻響差異作為判據(jù)的測試，測試接線方式需要相同。參照圖1、圖2，頻響法分析繞組變形測試儀主要是由微處理器、CPLD, DDS、功放、 信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM組成，上述所使用的芯片是微處理器采用ARM中的STM32系 列；DDS采用AD公司的AD9856，AD9856是美國ADI生產(chǎn)的正交數(shù)字化變頻器，其內(nèi)部集成 了 1個高速直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、1個12位高速、高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、時鐘倍頻電 路、數(shù)字濾波器及其他數(shù)字信號處理功能模塊。它具有低成本、低功耗、體積小、動態(tài)范圍大 等優(yōu)點(diǎn)。+3V單電源供電，直流到80MHz的輸出帶寬；信號放大器用AD843JN和AD712 ；功放 芯片用 AD8016 ；高速 A/D 用 ADS805 ；CPLD 用 EPM240。其中先由上位機(jī)PC界面控制對微處理器進(jìn)行數(shù)控指令，微處理ARM內(nèi)帶自編程 程序，能由于上位機(jī)實(shí)時高速對話，完成上位機(jī)的命令。微處理由ARM接到指示后，通過SPI 總線控制AD9856信號起動，產(chǎn)生0 IMHz的輸出頻率范圍，AD9856輸出信號經(jīng)Rjl3、Rjl4 精密電阻取樣，經(jīng)C28、C27、C26頻段帶的電容信號耦合，又經(jīng)過精密電阻Rjl5、Rjl6、Rjl7、 Rj 18電容C29、C30等分壓耦合。信號進(jìn)入AD843放大器，進(jìn)行信號整形放大后輸入到大電 流功放管AD8016，AD8016是由兩路放大電路信號疊加合成，采用正輸入阻抗法，增大輸出 電流，放大驅(qū)動的電流可達(dá)600mA，保證了在寬頻帶下的正弦波輸出不失真，產(chǎn)生的正弦波 幅值為5V，頻率在0 IMHz可變化的信號源，為測試時提供了基準(zhǔn)源。取樣回來的信號經(jīng)信號放大器放大后，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器直接把轉(zhuǎn)換的信號存 到SRAM中，再由MCU讀取和處理，送到出口總線，最后在微機(jī)控制下將信號曲線顯示在屏幕 上，達(dá)到直觀、更容易讓人根據(jù)判斷原則分析出變壓器是否變形和完美的視覺效果。參照圖3，采樣信號分成兩路，一路輸入信號；一路是輸出信號。分成兩路的目的 是可以減少測試線或其他的原因干擾，原本真實(shí)地反應(yīng)信號變化，輸入信號端采樣被測繞 組的始端信號，經(jīng)放大器AD843隔離放大后到高速ADS805，ADS805是可達(dá)到20MHz的頻率 轉(zhuǎn)換。因ADS805是單采集信號，所以又經(jīng)AD712放大器來抬高電平以滿足交流信號的轉(zhuǎn)換， 采集到的轉(zhuǎn)換信號經(jīng)過總線存儲到SRAM中，再由MCU讀取和處理。輸出信號采集由于經(jīng)過被測試品后，信號有所減弱，經(jīng)過采樣換檔(由繼電器換 檔)到AD843放大器處理與上述輸入信號采集原理一樣到高速ADS805進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存儲到 SRAM中去處理，再送到串口線，最后在微機(jī)控制下將信號描點(diǎn)成曲線顯示在屏幕上，每一相 描成一條曲線，并用不同顏色區(qū)分，達(dá)到直觀，更容易讓人判斷分折出變壓器的繞組變形狀 態(tài)。參照圖4，F(xiàn)RA法對運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行測試之前，首先必須將變壓器與電網(wǎng)完全 隔離，并注意感應(yīng)電壓對測試系統(tǒng)的影響，這一方面是為測試系統(tǒng)及測試人員的安全 ’另一 方面是為把變壓器隨安裝位置不同及不平衡的母線電容的影響降到最小。對于狀態(tài)良好變
5壓器以頻響曲線留底為目的的變形測試，通常將變壓器的分接位置調(diào)整到測試線圈的最大 電壓分接位置。測試儀器的工作電源為交流220V，測試系統(tǒng)與被試變壓器間用3根長度足 夠的屏蔽，電纜連接所有電纜終端都有匹配電阻及過電壓保護(hù)器，3根屏蔽電纜中的1根用 于將信號發(fā)生器的掃頻信號輸人到被試變壓器繞組的某一端，其余2根電纜分別將繞組兩 側(cè)的電壓信號輸送到雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，電壓信號取自變壓器出線套管與變壓器外 殼之間。測試儀器的外殼通過測試線的外屏蔽接地。不同接線組別的變壓器，F(xiàn)RA法變壓器繞組變形測試的原理接線如表1。表1 測試原理接線
權(quán)利要求一種頻響法分析繞組變形測試儀，其特征在于是由微處理器、CPLD、DDS、功放、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM組成，其中微處理器通過SPI總線控制DDS產(chǎn)生并輸出頻率，此頻率通過功放產(chǎn)生信號源，從被測繞組取樣回來的信號經(jīng)放大，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器把轉(zhuǎn)換信號存到SRAM中，再由MCU讀取和處理，送到串口總線，最后在微機(jī)控制下將信號曲線顯示在屏幕上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的微處理器采用ARM中的STM32系 歹丨J芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的DDS采用AD9856芯片，其內(nèi)部集 成了 1個高速直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、1個12位高速、高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、時鐘倍頻 電路、數(shù)字濾波器及其他數(shù)字信號處理功能模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的信號放大器用AD843JN和AD712-H-· I I心片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的功放芯片用AD8016。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的高速A/D轉(zhuǎn)換器用ADS805芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試儀，其特征在于所述的CPLD用EPM240芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的測試儀，其特征在于所述的微處理器通過SPI總線控制 DDS中的AD9856，產(chǎn)生0 IMHz的輸出頻率，此信號通過AD843JN —級放大后輸入到大電 流功放管AD8016產(chǎn)生幅值為5V、頻率在0 IMHz信號源。
專利摘要本實(shí)用新型屬于電子儀器，涉及電力變壓器繞組變形測試儀器，特別是一種頻響法分析繞組變形測試儀，是由微處理器、CPLD、DDS、功放、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM組成，其中微處理器通過SPI總線控制DDS產(chǎn)生并輸出頻率，此頻率通過功放產(chǎn)生信號源，從被測繞組取樣回來的信號經(jīng)放大，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器把轉(zhuǎn)換信號存到SRAM中，再由MCU讀取和處理，送到串口總線，最后在微機(jī)控制下將信號曲線顯示在屏幕上。本實(shí)用新型具有抗干擾能力強(qiáng)，重復(fù)性強(qiáng)，高靈敏度，高準(zhǔn)確度，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，低成本、低功耗、體積小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01R31/06GK201666935SQ20092013944
公開日2010年12月8日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者吳戰(zhàn)雄, 蔡國清, 陳世光 申請人:福建省普華電子科技有限公司