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　　依次对PSpice软件背景介绍,即PSpice仿真软件仿真说明,而后分析研究建立起绕组等值电路模型,模型建立应用到的方法是有限元法算法;响应信号从模型中输出依托于扫频信号在模型中的输入操作,通过相应信号获得频率响应曲线[1];最后分析得出内部谐振是导致出现波峰波谷变化的原因,在此基础上得出等值电路中的电气参数变化是最直接原因。通俗来说,电气参数的最直接变化引发了响应曲线中波峰波谷的震荡变化,再配合频率响应法用来检测绕组变形情况。

　　1 PSpice仿真

　　1975年位于加州大学伯克利分校的电子研究室独立研发了通用模拟电路仿真器(SPICE),该电子研究室研究电路仿真器的最初目的是对电路设计进行检验,判断电路设计最终成果是否符合标准以及要求,后来逐渐应用到电路性能的试验中,其优点是可做出大量关于复杂电路的计算分析,常被应用于IC模拟电路和数模混合电路当中。同时具有可移植性高、性能卓越两大优越性,应用它搭建模型的步骤简单高效,进行的操作只有参数设定与模型级别设定。SPICE仿真器分支中包含了Spice,它的算法与原始SPICE电路仿真器相同。技术的不断升级,以及实践中不断发现问题解决问题,当前的仿真软件已经支持蒙特卡洛仿真法并能够兼容模拟数字信号处理的不同功能,轻松的判断电路失效的内在问题,提升了产品在实践中生产与应用的可实施性[2]。

　　2 电力变压器绕组正常时的频率响应特性仿真研究

　　压控振荡器常被用作为扫频信号源的发送媒介,原理是压控振荡器支持正弦波信号的稳定持续输出,此外信号的频率可以反复扫描,扫描位置是一个特定范围,这一范围会随时间发生改变(图1)[3]。扫频信号源具备优点:能够提供频率变化的信号,以供观察;拥有较少谐波含量的宽带线性扫频;能够实现大功率的输出,适用于大型电气设备;输出的速度可以由人工操作控制调节,具备扫频功能。

　　检测周期时间过长是设备应用实践中最大的缺点,采用间隔方法输入1kHz到1MHz的频率[4]。除以上问题,局限性还表现在频段限制,谐波在高频电压下更明显,因此需要对高频段进行深入研究研究方法,可通过谐振频率公式逐渐运算推导得出,具体过程为:将集中参数模型与试验的某段绕组等效看待,谐振频率公式可表述任意区域内的频率情况,其中f0为谐振频率在正常绕组下的数值。

　　假设:在这一绕组当中位移数值发生改变,实际情形中L的波动变化几乎没有、忽略不计,则只有C的数值发生变化,故障状态下的频率表述为1f,继续对则公式(1)进行推导得:

　　观察公式(2),谐振频率的变化大程度上受到电容变化量C的影响,在高频及低频环境下C不同,且低频下数值最高,得出检测结果会受到C影响。本文选用频段范围是1kHz到1MHz,在高频段的绕组位移以及松动是常被忽视的问题。在注入信号波形情况下的绕组故障分析问题,本文主要借鉴了重庆大学姚陈果教授的相关实验研究,对绕组在高频下变形问题采用方波脉冲进行研究(图2)。

　　方波脉冲常被广泛应用在实践中,优点很多[5]:电容储备量大,负载不会影响波形,持续输出稳定波形;信号幅值高,受电磁干扰影响小,拥有适用高频段检测的宽频谱。

　　3 正常工况时的频率响应特性仿真研究

　　等值电路模型的基本组成单元为双饼式,幅频特性的分析基础是绕组中存在的分布网络,共分成等效的7级(图3)。依靠有限元法计算的相关电感值、等值纵向电容、对地电容参数分析研究图3,模型的基础单元是双饼式,所以相应的电感值、电容计算结果应当因乘以2,获得结果:等值纵向电容K1143.86pF,对地电容C74.26pF,电感L1224.4μH。

　　变压器绕组电感参数与电容的分布情况为均匀,将电压设定为扫频信号源并应用到仿真中,定义1kHz升高至1MHz的频率进行倍频扫频(Dacade),10000是每个扫描点的数量级。当将设备软件开关打开之后获得绕组频响曲线,图像上表现为震荡形式的曲线,完整的频响曲线中波峰与波谷的数量分别是6与7,二者以交替的形式逐步出现(图4)。

　　通过图4,获得如下结论:绕组的幅频响应曲线包含波谷、波峰,互相交替出现,呈现出震荡;预定范围区域内的仿真研究,不同数级模型对应的波峰波谷数量存在规律,当模型级数为i级,波谷波峰在幅响曲线上的数量分别是i与i-1级;通常情况,谐振变化意味着振幅、频率发生改变,导致与正常结果之间存在差异,通过差异对比判断绕组变形与否。

　　4 绕组发生变形后的频率响应特性仿真研究

　　通过上文推导的电气参数公式由于其实践与应用存在局限与模糊性、难以达到精准,且实际效果不及有限元法,为精准性考虑选取有限元法计算电气参数,利用PSpice软件与有限元法计算获得的参数构建绕组电路模型,利用此模型得到的频响曲线情况,分析变化情况,求得变形的类型与特征。

　　绕组的轴心偏移模型建立依靠ANSYSMaxwell,高压绕组轴心出现偏移故障呈现的顶视图如图5。对不同的偏移情况进行模拟获得的数据表明,轴心偏移发生更改并未导致电感与等值电容参数的变化,但是对地电容发生了较大的变化,表1计算结果是建立在轴心发生30mm偏移的7个绕组单元与对地电容的对比值,高低压之间对地电容的变化数值最大。

　　表1 高压绕组轴心偏移35mm后的对地电容

　　基于上述数据进行频响曲线受到轴线偏移的结果分析。首先分析偏移距离,在软件实验中设定偏移量为5、15、30mm,并采用5个单元进行实验,将获得结果与正常结果进行对比表明,位置偏移导致谐振点偏向低频方向,二者之间呈现出正相关的变化规律。分析单元数量的偏移对结果的影响,实验变量分别为3、5、7个单元,并且每个单元设置统一的轴心偏移距离皆是30mm,将所得结果与正常频响曲线对比,可知谐振点向低频方向的移动距离与轴心偏移单元数量之间存在正相关。

　　5 结语

　　正常状态下绕组频率响应曲线一般通过仿真软件PSpice获得,这条曲线的特点是存在交替出现的波峰与波谷,两个不断交替出现的峰值连成一条连贯的震荡曲线。提出建议在1kHz到1MHz频率范围内注入扫频信号,并且在高频检测中利用方波脉冲有利于提高检测精度。针对不同的模型,利用本文方法进行实验对比,验证了本文所提方法的有效性。

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