楊 晟，張文離，徐 飛

（國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030002）

變壓器繞組變形的頻率響應分析法探討

楊 晟，張文離，徐 飛

（國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030002）

為了準確判斷電力變壓器發(fā)生繞組變形后的結構變化及嚴重程度，基于頻率響應分析法的基本原理，總結了現(xiàn)場綜合分析測試數(shù)據(jù)的方法，同時結合一起實際案例加以說明，最后提出用頻率響應分析法做變壓器繞組變形試驗時的注意事項，實踐證明測試方法與控制措施有效可行。

變壓器；繞組變形；頻率響應分析法

0 引言

在變壓器的事故中，由于繞組的強度不夠，在運行中難免要受到各種短路沖擊，其中出口短路和近區(qū)短路對變壓器的危害尤為嚴重，約占變壓器事故總臺次的38%～45%。這些短路故障在變壓器中通常會引起數(shù)十倍的額定電流，使其承受巨大的機械力和電動力，有可能造成繞組變形，導致惡性事故。另外，變壓器在運輸、安裝過程中由于繞組的強度不足，在受到不同程度的撞擊下也可能發(fā)生繞組變形，為變壓器的安全運行留下隱患[1]。變壓器繞組變形包括縱向和橫向尺寸的變化，表現(xiàn)在整體位移和下陷，繞組鼓包、扭曲、擠壓和匝間短路等。為了防患于未然，對于發(fā)生異常狀態(tài)的變壓器，在不解體前提下，檢測變壓器繞組變形勢在必行。目前，檢測變壓器繞組變形常用的有低壓脈沖法、短路阻抗法、繞組電容法、特性試驗法和頻率響應法[2]。大量實踐證明，頻率響應法能靈敏、準確地反映繞組的變形且測得的波形具有很好的重復性和穩(wěn)定性，對變形的評估可靠性甚高。

1 頻率響應分析法

頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形是將一掃頻信號從變壓器繞組的一端輸入，在另一端檢測響應信號，并將響應信號的振幅和相位作為頻率的函數(shù)繪出頻譜曲線。當變壓器結構定型后，其幅頻響應特性是一定的。對同一繞組進行縱向和橫向對比分析，根據(jù)其變化程度即可判斷可能發(fā)生的繞組變形[3-4]。

1.1 基本模型

從低頻到高頻連續(xù)改變激勵源Us的頻率f，測量其響應端電壓U2和激勵端電壓U1的信號幅值之比，從而獲得繞組幅頻響應特性。原理圖如圖1所示。

圖1 檢測原理等效電路圖

電壓幅值之比常用對數(shù)形式表示，即

式中：H（f）——頻率f時傳遞函數(shù)的模；

U2（f）——頻率f時響應端電壓的有效值；

U1（f）——頻率f時激勵端電壓的有效值。

1.2 接線方式

a）選定被測變壓器的輸入端和測量端，將變壓器繞組分接開關調到最大分接位置。

b）將輸入、檢測電纜接地屏蔽線連接在變壓器金屬外殼上，與變壓器外殼接觸電阻不得大于1Ω，接地線應盡量短且不纏繞。

c）通過線夾把輸入、檢測電纜分別連接到選定的輸入、測量套管端頭。

d）通過電纜連接儀器相應端子。

e）啟動計算機中的相應程序，輸入被測變壓器的相關參數(shù)，操作“測量”菜單中的［啟動測量］項或相應的快捷鍵即可啟動測量。

1.3 檢測程序

a）測量并記錄變壓器高低壓繞組的頻率響應特性曲線（低壓繞組為重點測量對象）。

b）比較同一變壓器相同電壓等級的三相繞組和同相繞組歷年測試的頻譜曲線，對差異較大的繞組在確定接線無誤和接線良好的情況下重新進行測量，保證該繞組測量結果的重復性和真實性，排除人為因素造成的誤差。

c）若測得的曲線帶有大量毛刺，則應檢查連接部位是否可靠，是否存在接觸不良與斷線情況。

d）若測得的曲線三相一致性較差，應先對差異較大的繞組的歷年頻譜曲線進行對比，判斷是否為歷史缺陷。若縱向對比差異也較大，則應檢查接地線是否可靠連接，改換后重新進行測量，確保數(shù)據(jù)一致。

1.4 定量判據(jù)

有文獻提出用變壓器繞組變形前后頻率響應曲線的相關系數(shù)ρxy和曲線上系列采樣點的均方差Exy來定量判斷變壓器繞組變形，可比較容易地判斷被試繞組狀態(tài)。相關系數(shù)主要用來描述兩條曲線間的相似程度，而均方差則描述兩者之間的絕對差值。則有

式中：x（i）——頻率響應曲線X第i個采樣點的值；

y（i）——頻率響應曲線Y第i個采樣點的值；

i=1，2，…，N；N為采樣總點數(shù)。

它們分別表示曲線相似程度和距離，ρxy越接近于1，兩曲線相似程度越高；Exy越小，兩曲線相距越近，故以ρxy和Exy為描述兩條頻率響應曲線差異的定量判據(jù)。

2 變壓器繞組變形測試數(shù)據(jù)的分析判斷

現(xiàn)場進行變壓器繞組變形測試數(shù)據(jù)分析判斷時，測試儀器計算出的相關系數(shù)ρxy和均方差Exy的定量判據(jù)僅是作為參考依據(jù)，更多的是試驗人員根據(jù)波形中波峰、波谷位置及數(shù)量變化，波形整體橫向、縱向位移情況來直觀判斷繞組變形情況。

2.1 獨立波形分析

變壓器繞組變形分析時，一般按3個頻段（低、中、高）通過幅頻響應特性曲線中各個波峰和波谷的分布特點及曲線位置的變化，來分析繞組的變形狀態(tài)。

2.1.1 低頻段（1～100 kHz）

低頻段中繞組呈感性，當波峰和波谷位置左移時，預示著繞組軸向壓縮；波峰和波谷位置右移時，預示著繞組匝間短路或幅向鼓包；曲線整體左移時，預示著繞組整體橫向整體移位；波峰和波谷趨于分散時，預示著繞組縱向整體移位。該頻段下，繞組電感的變化會導致曲線波峰或波谷移動明顯，而匝間、對地電容對其影響不突出。

2.1.2 中頻段（100～600 kHz）

此頻段對局部變形引起的匝間電容變化較為敏感，峰谷位置的明顯變化預示著有可能存在匝間扭曲、局部鼓包。繞組分布電感、電容的變化可以通過該頻段內較多的波峰和波谷靈敏地反映出來。

2.1.3 高頻段（>600 kHz）

在高頻段中，繞組感抗很大而容抗較小。曲線明顯變化說明繞組對地電容發(fā)生改變，預示其存在整體位移或引線位移，也就是說繞組的局部結構有點變化，在此頻段反映就較明顯。

2.2 復合波形分析

復合波形分析是結合變壓器結構、故障情況及試驗數(shù)據(jù)等縱向或橫向比較繞組的頻響特性曲線[5]。

2.2.1 縱向比較法

縱向比較法是比較同一臺變壓器、同一分接開關位置、同一繞組、不同時期下同種檢測方式獲取的幅頻響應特性曲線。此方法的優(yōu)點是幅頻曲線對比性強，有較高的判斷準確性和檢測靈敏度，不足之處是要有原始數(shù)據(jù)，且受檢測條件的影響較大。

圖2 某變壓器繞組受沖擊前后幅頻響應特性曲線

由圖2可以看出，受沖擊后頻響曲線中、高頻段的變化明顯，由此判定發(fā)生繞組變形。

2.2.2 橫向比較法

橫向比較法是比較同側三相頻響曲線，這是由于變壓器三相繞組之間的結構基本是一致的，具有相對的可比性，必要時可參考同廠家同批次產(chǎn)品判斷是否是設計差異的結果。此方法的優(yōu)點是無需原始數(shù)據(jù)，不足之處是應排除三相相似變形、本身固有差異。

3 應用實例

某變電站220 kV 1號主變壓器的型式為“SFSZ10-180000/220”，容量為“180000/180000/60000 kVA”，額定電壓為“（220±8×1.25%）/121/10.5 kV”，聯(lián)結組別為“YNyn0d11”。

2007年5月，在該變壓器近區(qū)發(fā)生短路后對其進行了電氣試驗，結果為：與歷年數(shù)據(jù)比較，絕緣電阻在合格范圍內；三側繞組直流電阻值無明顯變化，不平衡率小于1%；油色譜試驗無異常；但三相整體電容與歷年值比較有較大變化。電容量試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 繞組電容量試驗數(shù)據(jù)

表1中H-M、L、G代表高壓對中壓、低壓及地；M-H、L、G代表中壓對高壓、低壓及地；L-H、M、G代表低壓對高壓、中壓及地。

由表1判斷有繞組變形發(fā)生，基于頻率響應分析法進行繞組變形試驗。通過三側繞組的頻響曲線可得出高、中壓繞組的三相頻響曲線擬合程度較好，可判斷其無變形發(fā)生。而低壓繞組A相與其他兩相頻響曲線相差較遠，可以初步判斷A相繞組發(fā)生繞組變形。隨后，調用低壓繞組A相的頻響曲線原始數(shù)據(jù)，與故障后的曲線進行縱向比較，得到圖3所示波形曲線。

圖3 低壓側繞組A相故障前后對比頻響曲線

從圖3可以看出，A相低壓繞組受沖擊后：中低頻段（1～600 kHz）曲線波峰、波谷部分發(fā)生縱向不同程度的偏移；高頻段（600～1 000 kHz）曲線波峰、波谷位置及數(shù)量發(fā)生明顯變化，且趨于分散。由此可以初步判斷變壓器繞組發(fā)生整體位移變形現(xiàn)象。綜合以上情況，對該變壓器進行了吊罩檢查，檢查結果為該變壓器A相低壓繞組整體下移。

4 注意事項

用頻率響應分析法在現(xiàn)場測試繞組變形時還要注意以下幾個細節(jié)問題[6]。

a）變壓器繞組套管引線應全部解開變形試驗應在充分放電后，根據(jù)接線方式和檢測程序進行，分別記錄各個繞組的幅頻響應特性曲線。

b）變壓器繞組變形宜在最高分接位置下試驗，或者保證每次試驗時分接開關的位置相同。

c）試驗前確保拆除的引線盡可能遠離套管（引線無法拆除者，將套管末屏作為響應端）。

d）接地線應可靠連接在鐵芯接地引出端的螺栓上，嚴禁隨意纏繞。

e）所有測試連接線連接可靠，保持穩(wěn)定，進而減小其對測試數(shù)據(jù)的影響。

5 結論

電力變壓器發(fā)生繞組變形后將會嚴重威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而頻率響應分析法可以檢測繞組是否變形、變形嚴重程度及發(fā)生部位，進而決定變壓器能否繼續(xù)投入運行的重要手段。在測試時，要注意“拆除引線遠離套管”等幾個細節(jié)問題。對測試數(shù)據(jù)分析時，利用獨立加復合、橫向加縱向的分析方法會對繞組變形情況的準確快速判斷起到事半功倍的效果。實踐證明變壓器繞組變形的頻率響應分析方法與控制措施有效可行。

［1］ 劉文濤.正確看待變壓器繞組變形試驗［J］.電力學報，2006，21（4）：482-484.

［2］ 王麗君，劉勛.一起電力變壓器繞組變形的綜合分析［J］.變壓器，2011，48（6）：68-70.

［3］ 趙家嶠，王道明.頻率響應法對變壓器繞組變形的測試與分析［J］.科技信息，2011（27）：748-750.

［4］ 陳化鋼.電力設備預防性試驗方法及診斷技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：302-306.

［5］ 秦家遠，劉興文，申積良.電力變壓器頻率響應分析法綜述［J］.湖南電力，2009，29（4）：60-62.

［6］ 趙克境，趙巖，潘曉冬.變壓器繞組變形試驗方法技術分析［J］.黑龍江電力，2006，28（2）：119-121.

Probe into Frequency Response Analysis for Transformer Winding Deformation

YANG Sheng，ZHANGWen-li，XU Fei
（State Grid Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030002，China）

In order to accurately determine the structural changes caused by power transformer winding deformation，frequency-response-based principle was adopted to comprehensively analyse the data tested on-site.An actual case was introduced to further illustrate it，then，matters needing attention when frequency-response-based method is adopted to do transformer winding deformation testwere put forward.Practicehas proved themeasures feasible and effective.

transformer；winding deformation；frequency responseanalysismethod

TM406

A

1671-0320（2014）03-0011-04

2014-03-13，

2014-04-13

楊 晟（1985-），男，山西孝義人，2010年畢業(yè)于山東大學電氣工程及其自動化專業(yè)，碩士，助理工程師，從事電力設備高壓試驗工作；

張文離（1964-），女，山西太原人，1991年畢業(yè)于山西大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，助理工程師，技師，從事電力設備高壓試驗工作；

徐 飛（1987-），男，山西五臺人，2009年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，助理工程師，從事電力設備高壓試驗工作。