一种基于等效网络的三相变压器绕组变形故障模拟装置

本发明属于电力变压器绕组变形检测领域，尤其涉及一种基于等效网络的三相变压器绕组变形故障模拟装置。

背景技术：

1、近年来，我国电力事业的发展势头迅猛，电网容量日益增加，人们对整个电网的运行安全性和供电可靠性都提出了更高的要求。因此，及时、准确地发现及检修变压器绕组变形故障是减小变压器运行事故、提高系统安全性的重要措施之一。目前用于变压器绕组变形故障检测的方法主要有频率响应分析法(frequency response analysis，fra)和短路阻抗法(short circuit impedance，sci)。其中，sci是通过测量变压器绕组在工频(50hz)下的阻抗或漏抗的变化来判断变压器绕组是否存在变形；fra测试则是通过在变压器绕组的首端加载激励信号，同时测试其末端的响应信号，从而得到表征变压器绕组机械状态的频响特征曲线，进而判断变压器绕组状态。但采用上述两种检测方法时，现场变压器需进行停运操作，这不仅会影响电网的正常运行，且会造成极大的经济损失。图4为变压器a相高压绕组发生匝间短路故障的场景，此时变压器应进行及时地停运和检修，以免影响电网的正常运行，而且变压器发生绕组变形后具有不可逆性和故障类型单一的特点，故仅利用现场故障变压器获取的数据难以满足基于fra和sci的绕组变形诊断方法研究的样本需求。

2、因此，急需一种可以便捷实现多种变压器绕组机械性故障类型(匝间短路、轴向位移、径向位移等)、程度和位置模拟的实验平台。现有专利cn 112992496a和cn 114035116a虽提出了一种可模拟多种变压器绕组变形故障的装置，但其无法调整故障程度和位置。同时，上述装置以实体变压器为基础，通过可拆换部件的设置来模拟绕组变形故障，无形中增加了操作的复杂性，且便携性较差。专利cn112082467a虽通过构建变压器绕组等效硬件电路来模拟绕组故障的方式，提高了模拟装置的可操作性和便携性，但并未考虑故障类型和程度的可调节性，且其等效电路仅为单绕组，并不符合实际变压器的绕组结构。为解决上述问题，本专利基于等效网络及其硬件电路发明了具有绕组变形故障类型、程度，以及位置模拟功能的三相变压器绕组变形故障模拟装置。

技术实现思路

1、针对现有变压器绕组变形故障模拟装置成本较高的技术问题，本发明提出一种基于等效网络的三相变压器绕组变形故障模拟装置，该装置重量轻、体积小、制作简单，同时成本较低。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于等效网络的三相变压器绕组变形故障模拟装置，包括金属机箱，金属机箱内设置有等效电路板，金属机箱顶部设置有接地端口、接线端口和双控开关组，金属机箱与接地端口相连接，接地端口、接线端口和双控开关组均与等效电路板相连接，接线端口包括高压绕组接线端口和低压绕组接线端口，高压绕组接线端口和低压绕组接线端口均与等效电路板相连接；

3、高压绕组接线端口包括高压绕组输入端口组和高压绕组输出端口组，高压绕组输入端口组包括a相高压绕组输入端口、b相高压绕组输入端口和c相高压绕组输入端口，高压绕组输出端口组包括a相高压绕组输出端口、b相高压绕组输出端口和c相高压绕组输出端口，a相高压绕组输入端口、b相高压绕组输入端口、c相高压绕组输入端口、a相高压绕组输出端口、b相高压绕组输出端口和c相高压绕组输出端口均与等效电路板相连接；

4、低压绕组接线端口包括低压绕组输入端口组和低压绕组输出端口组，低压绕组输入端口组包括a相低压绕组输入端口、b相低压绕组输入端口和c相低压绕组输入端口，低压绕组输出端口组包括a相低压绕组输出端口、b相低压绕组输出端口和c相低压绕组输出端口，a相低压绕组输入端口、b相低压绕组输入端口、c相低压绕组输入端口、a相低压绕组输出端口、b相低压绕组输出端口和c相低压绕组输出端口均与等效电路板相连接。

5、所述等效电路板包括a相绕组电路、b相绕组电路和c相绕组电路，a相绕组电路、b相绕组电路和c相绕组电路均与接地端口和接线端口相连接，a相绕组电路与双控开关组相连接。双控开关组包括a相高压绕组双控开关组和a相低压绕组双控开关组，每个开关组均包含9种故障模拟双控开关，分别为上部匝间短路双控开关、中部匝间短路双控开关、下部匝间短路双控开关、上部轴向位移双控开关、中部轴向位移双控开关、下部轴向位移双控开关、上部径向位移双控开关、中部径向位移双控开关和下部径向位移双控开关，双控开关组的开关均与等效电路板相连接。

6、所述a相绕组电路包括高压故障电路、低压故障电路、高压正常电路、低压正常电路和高低压耦合电路，高压故障电路通过高低压耦合电路与低压故障电路相连接，高压正常支路通过高低压耦合电路与低压正常电路相连接，高压故障电路包括高压上部故障电路、高压中部故障电路和高压下部故障电路，低压故障电路包括低压上部故障电路、低压中部故障电路和低压下部故障电路，高压上部故障电路、高压中部故障电路和高压下部故障电路均包括高压径向位移故障支路、高压短路故障支路和高压轴向位移故障支路，高压短路故障支路和高压轴向位移故障支路相并联，低压上部故障电路、低压中部故障电路和低压下部故障电路均包括低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路和低压径向位移故障支路，低压短路故障支路和低压轴向位移故障支路相并联。高压正常电路包括高压正常径向支路和高压正常轴向支路，低压正常电路包括低压正常径向支路和低压正常轴向支路；高低压耦合电路包括五个高低压耦合支路；

7、高压正常径向支路、高压正常轴向支路、第一个高低压耦合支路的一端和a相高压绕组输入端口相连接，高压正常径向支路的另一端通过接地端口接地，第一个高低压耦合支路的另一端、低压正常轴向支路、低压正常径向支路的一端与a相低压绕组输入端口相连接，低压正常径向支路的另一端通过接地端口接地；

8、高压正常轴向支路的另一端与高压上部故障电路中的高压短路故障支路、高压径向位移故障支路、高压轴向位移故障支路的一端和第二个高低压耦合支路的一端相连，高压上部故障电路中的高压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地，第二个高低压耦合支路的另一端与低压正常轴向支路的另一端和低压上部故障电路中的低压短路故障支路、低压径向位移故障支路、低压轴向位移故障支路的一端相连接，低压上部故障电路中的低压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地；

9、高压上部故障电路中的高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的另一端与高压中部故障电路中的高压径向位移故障支路、高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的一端和第三个高低压耦合支路的一端相连接，高压中部故障电路中的高压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地，第三个高低压耦合支路的另一端与低压上部故障电路中的低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的另一端和低压中部故障电路中的低压径向位移故障支路、低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的一端相连接，低压中部故障电路中的低压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地；

10、高压中部故障电路中的高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的另一端与高压下部故障电路中的高压径向位移故障支路、高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的一端和第四个高低压耦合支路的一端相连接，高压下部故障电路中的高压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地，第四个高低压耦合支路的另一端与低压中部故障电路中的低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的另一端和低压下部故障电路中的低压径向位移故障支路、低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的一端相连接，低压下部故障电路中的低压径向位移故障支路的另一端通过接地端口接地；

11、高压下部故障电路中的高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的另一端与下一组高压正常径向支路、第五个高低压耦合支路的一端和a相高压绕组输出端口相连接，下一组高压正常径向支路的另一端通过接地端口接地，第五个高低压耦合支路的另一端与低压下部故障电路中的低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的另一端和下一组低压正常径向支路的一端、a相低压绕组输出端口相连接，下一组低压正常径向支路的另一端通过接地端口接地。

12、所述高压径向位移故障电路和低压径向位移故障电路均包括故障模拟电容ⅰ、正常模拟电容ⅰ和双控开关ⅰ，正常模拟电容ⅰ的一端与双控开关ⅰ的端口ⅰ相连接，正常模拟电容ⅰ的另一端与接地端口相连，双控开关ⅰ的端口ⅱ与双控开关ⅱ的端口ⅱ相连接，故障模拟电容ⅰ的一端与双控开关ⅰ的端口ⅲ相连接，故障模拟电容ⅰ的另一端与接地端口相连；双控开关组的上部径向位移开关、中部径向位移开关和下部径向位移开关与高压径向位移故障电路和低压径向位移故障电路连接。

13、所述高压短路故障电路和低压短路故障电路均包括轴向电感和双控开关ⅱ，轴向电感包括正常电感i、正常电感ⅱ、正常电感ⅲ，正常电感i、正常电感ⅱ、正常电感ⅲ串联连接，双控开关ⅱ的端口ⅰ与轴向电感一端相连接，双控开关ⅱ的端口ⅱ与上一单元的轴向电感另一端相连接，双控开关ⅱ的端口ⅲ和轴向电感的另一端相连接。

14、所述高压轴向位移故障电路和低压轴向位移故障电路包括故障模拟电容ⅱ、正常模拟电容ⅱ和双控开关ⅲ，正常模拟电容ⅱ的一端与双控开关ⅲ的端口ⅰ相连接，正常模拟电容ⅱ的另一端与轴向电感的另一端相连接，双控开关ⅲ的端口ⅱ与双控开关ⅱ的端口ⅱ相连接，故障模拟电容ⅱ的一端与双控开关ⅲ的端口ⅲ相连接，故障模拟电容ⅱ的另一端与轴向电感的另一端相连接；双控开关组的上部轴向位移开关、中部轴向位移开关和下部轴向位移开关与高压轴向位移故障电路和低压轴向位移故障电路连接。

15、所述高低压耦合电路包括五个高低压耦合支路，高低压耦合支路包括耦合电容和耦合电阻，耦合电容和耦合电阻相并联，第一个高低压耦合支路的一端与高压正常径向支路、高压正常轴向支路的一端和a相高压绕组输入端口相连接，第一个高低压耦合支路的另一端与低压正常轴向支路、低压正常径向支路的一端和a相低压绕组输入端口相连接；第二个高低压耦合支路的一端与高压上部故障电路中的高压径向位移故障电路、高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的一端和高压正常轴向支路的另一端相连接，第二个高低压耦合支路的另一端与低压上部故障电路中的低压短路故障电路、低压轴向位移故障支路和低压径向位移故障支路的一端、低压正常轴向支路的另一端相连接；第五个高低压耦合支路的一端与高压下部故障电路中的高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的另一端、高压正常径向支路的一端和a相高压绕组输出端口相连接，第五个高低压耦合支路的另一端与低压下部故障电路中的低压短路故障电路、低压轴向位移故障支路的另一端、低压正常径向支路的一端和a相低压绕组输出端口相连接；其余两个高低压耦合支路的一端与高压短路故障支路和高压轴向位移故障支路的另一端和下一组高压径向位移故障电路、高压短路故障支路和高压轴向位移故障支路的一端相连接，其余两个高低压耦合支路的另一端与低压短路故障电路和低压轴向位移故障支路的一端和下一组低压短路故障电路、低压轴向位移故障支路和低压径向位移故障支路的一端相连接。

16、所述高压正常径向支路和低压正常径向支路包括径向电容和径向电阻，径向电容和径向电阻相并联；第一个高压正常径向支路的一端与高低压耦合电路中第一个高低压耦合支路的一端、高压正常轴向支路的一端和a相高压绕组输入端口相连接，第一个高压正常径向支路的另一端通过接地端口接地；第二个高压正常径向支路的一端与高低压耦合电路中第五个高低压耦合支路的一端、高压下部故障电路中的高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的另一端和a相高压绕组输出端口相连接，第二个高压正常径向支路的另一端通过接地端口接地；第一个低压正常径向支路的一端与高低压耦合电路中第一个高低压耦合支路的另一端、低压正常轴向支路的一端和a相低压绕组输入端口相连接，第一个低压正常径向支路的另一端通过接地端口接地；第二个低压正常径向支路的一端与高低压耦合电路中第五个高低压耦合支路的另一端、高压下部故障电路中的低压短路故障支路、低压轴向位移故障支路的另一端和a相低压绕组输出端口相连接，第二个低压正常径向支路的另一端通过接地端口接地。

17、所述高压正常轴向支路和低压正常轴向支路包括轴向电感、轴向电容和轴向电阻，轴向电感包括电感ⅳ、电感ⅴ、电感ⅵ，电感ⅳ、电感ⅴ、电感ⅵ串联连接，轴向电感、轴向电容和轴向电阻相并联；高压正常轴向支路的一端与a相高压绕组输入端口、高压正常径向支路的一端和高低压耦合电路中第一个高低压耦合支路的一端连接，高压正常轴向支路的另一端与高压上部故障电路中的高压径向位移故障电路、高压短路故障支路、高压轴向位移故障支路的一端和高低压耦合电路中第二个高低压耦合支路的一端连接；低压正常轴向支路的一端与a相低压绕组输入端口、低压正常径向支路的一端和高低压耦合电路中第一个高低压耦合支路的另一端连接，低压正常轴向支路的另一端与低压上部故障电路中低压短路故障电路、低压轴向位移故障支路、低压径向位移故障支路的一端和高低压耦合电路中第二个高低压耦合支路的另一端相连接。

18、所述b相绕组电路和c相绕组电路均包括高压绕组电路、高低压耦合电路和低压绕组电路，高压绕组和低压绕组通过高低压耦合电路相连接；所述高压绕组电路包括四个串联的高压正常绕组电路，高压正常绕组电路包括电阻ⅰ、电阻ⅱ、电容ⅰ、电容ⅱ、电感ⅰ、电感ⅱ和电感ⅲ，电感ⅰ、电感ⅱ和电感ⅲ串联连接，电阻ⅰ和电容ⅰ并联连接，电阻ⅰ的一端与电感ⅰ的一端相连接，电阻ⅰ的另一端与电感ⅲ和下一个高压正常绕组电路的电阻ⅰ的一端相连接，电阻ⅱ和电容ⅱ相并联，电阻ⅱ和电容ⅱ的一端与电阻ⅰ的一端相连接，电阻ⅱ和电容ⅱ的另一端通过接地端口接地；

19、所述低压绕组电路包括四个串联的低压正常绕组电路，低压正常绕组电路包括电阻ⅲ、电阻ⅳ、电容ⅲ、电容ⅳ、电感ⅳ，电阻ⅲ和电容ⅲ并联连接，电阻ⅲ的一端与电感ⅳ的一端相连接，电阻ⅲ的另一端与电感ⅳ和下一个低压正常绕组电路的电阻ⅲ的一端相连接，电阻ⅳ和电容ⅳ相并联，电阻ⅳ和电容ⅳ的一端与电阻ⅲ的一端相连接，电阻ⅳ和电容ⅳ的另一端连接接地端口；

20、所述高低压耦合电路包括电容ⅴ和电阻ⅴ，电容ⅴ和电阻ⅴ并联连接，电阻ⅴ的一端与电感ⅳ的一端相连接，电阻ⅴ的另一端与电阻ⅰ和电感ⅰ的一端相连接；

21、高压绕组电路的输入端口与电感ⅰ、电阻ⅰ、电阻ⅱ、电容ⅰ和电容ⅱ的一端相连接，高压绕组电路的输出端口与电感ⅲ、电阻ⅰ和电容ⅰ的另一端、电阻ⅱ和电容ⅱ的另一端相连接；低压绕组电路的输入端口与电阻ⅲ、电阻ⅳ、电容ⅲ、电容ⅳ、电感ⅳ的一端相连接，低压绕组电路的输出端口与电阻ⅲ、电容ⅲ、电感ⅳ的另一端、电阻ⅳ、电容ⅳ的一端相连接。

22、本发明的有益效果为：

23、(1)该装置不仅考虑了每相高、低压绕组的电感、轴向电容及径向电容，且增加了高、低压绕组间的耦合电容以体现绕组间的耦合关系，这使得模拟的故障会更加贴近真实情况，提高了实验结果的准确性。

24、(2)利用双控开关对梯形网络中某一单元的电感值和电容值进行改变，从而实现匝间短路、轴向位移、径向位移等绕组机械性故障的模拟。与现有通过更换机械部件进行绕组变形故障模拟的装置相比，本发明中双控开关的设置大大地提高了故障模拟的效率，降低了人力成本。

25、(3)该装置机箱主要由表面涂抹绝缘材料的铝合金制成，金属外壳能够有效屏蔽外部干扰，在此基础上进一步对装置机箱做了接地处理，减少了由机箱电位改变造成的杂散电容影响，提高了测试重复性。

26、(4)该装置模拟的变压器正常与不同绕组故障状态下的频率响应和短路阻抗数据皆存在较大差异，证明了该装置用于模拟不同绕组故障类型、位置及程度的可行性。

27、(5)该装置的a相高压绕组和低压绕组等效电路皆设置了故障模拟单元，而b、c相则均为正常绕组等效电路，故绕组变形诊断的纵向及横向比较皆可利用该装置进行实训，降低了企业的培训成本。同时，通过改变引出于机箱顶盖的绕组首、末端端口的接线方式，亦可实现对三相变压器不同联结组的模拟，体现了该装置的灵活性及全面性。

28、(6)由于该装置利用电感、电容等小型非线性元件搭建，故其相对于由实体变压器改造形成的绕组故障模拟装置具有重量轻、体积小、制作简单，以及成本低等优点。