陳文峰

(廣東深圳供電局，深圳 518000)

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著決定性的作用。到目前為止變壓器故障在電力設(shè)備的故障中仍占有較高的比例。國(guó)內(nèi)外變壓器的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，因繞組變形導(dǎo)致的變壓器事故的比例較高。變壓器繞組變形后，會(huì)留下嚴(yán)重的故障隱患。因此，積極開(kāi)展變壓器繞組變形檢測(cè)方面的工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的變壓器，并有計(jì)劃地進(jìn)行吊芯檢修，不但可以節(jié)省大量的人力、物力，且對(duì)防止變壓器突發(fā)性事故的發(fā)生也有極其重要的作用［1，2］。

常規(guī)的電氣實(shí)驗(yàn)，如局部放電實(shí)驗(yàn)和色譜分析等往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器繞組變形。最早使用的變壓器繞組變形診斷方法是集中參數(shù)檢測(cè)法。多年來(lái)的使用經(jīng)驗(yàn)表明，該方法不但對(duì)測(cè)試條件要求較高，而且檢測(cè)靈敏度太低，僅對(duì)那些繞組變形嚴(yán)重的變壓器有效。吊芯檢查除了需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力外，對(duì)判斷內(nèi)側(cè)繞組有無(wú)變形也是困難的。因此急需一種繞組變形的在線監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 繞組變形的定義

變壓器遭受短路沖擊時(shí)，繞組受到輻向力、軸向力和周向力(或扭矩)的作用，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形，即輻向位移、軸向位移和扭曲(或繞組轉(zhuǎn)動(dòng))，以及包括斷股、匝間短路、引線位移和靜電板引線斷開(kāi)等的特殊變形。從表面上看，特殊變形的變壓器繞組其尺寸未發(fā)生變化，但是變壓器等效電路中單位長(zhǎng)度的分布電感和電容卻發(fā)生了變化，因而繞組的頻率響應(yīng)特性發(fā)生了變化，故把這類變形稱之為特殊變形。實(shí)際運(yùn)行中的變壓器繞組變形有時(shí)是幾種變形同時(shí)發(fā)生的。

實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，除需要確定變壓器是否發(fā)生了繞組變形，更需要確定繞組的變形程度，以便決定變壓器是否繼續(xù)投運(yùn)。為此規(guī)定了3種狀態(tài):正常(或無(wú)明顯變形)、中度變形和嚴(yán)重變形。具體定義如下:

(1)正常(或無(wú)明顯變形)指變壓器繞組與出廠時(shí)狀態(tài)基本一致，或存在不明顯的繞組變形，但仍可以繼續(xù)運(yùn)行，無(wú)需檢修。

(2)中度變形指變壓器繞組發(fā)生了明顯的變形，在其他實(shí)驗(yàn)合格的情況下，變壓器可以臨時(shí)帶病運(yùn)行，但需要加強(qiáng)監(jiān)督，應(yīng)在適當(dāng)時(shí)機(jī)安排檢修。若再次遭受短路沖擊或承受過(guò)電壓，則有可能造成變壓器損壞。

(3)嚴(yán)重變形指變壓器發(fā)生了嚴(yán)重的繞組變形。在這種情況下，即使其他實(shí)驗(yàn)均合格，也不能繼續(xù)運(yùn)行，否則隨時(shí)可能發(fā)生損壞事故。

3 繞組變形的檢測(cè)方法

為了滿足電力系統(tǒng)要求，彌補(bǔ)常規(guī)電氣方法和吊罩檢查方法所存在的不足，國(guó)內(nèi)外對(duì)變壓器繞組變形的檢測(cè)均進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)分別對(duì)以下幾種方法及新技術(shù)的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹［3］。

3.1 低壓脈沖法

低壓脈沖法年由波蘭學(xué)者提出，現(xiàn)已被列入IEC及許多國(guó)家電力變壓器短路試驗(yàn)導(dǎo)則和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中。其原理如下:當(dāng)頻率超過(guò)1kHz時(shí)，變壓器的鐵芯基本上不起作用，繞組本身可視為一個(gè)由電阻、電感及電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)，繞組發(fā)生變形后，必然會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)的變化從而使繞組對(duì)低壓脈沖的響應(yīng)發(fā)生變化。這樣就可以通過(guò)比較繞組對(duì)低壓脈沖的響應(yīng)波形來(lái)判斷繞組是否發(fā)生了變形。

傳統(tǒng)的低壓脈沖法采用模擬示波器記錄繞組的低壓脈沖響應(yīng)，并從時(shí)域響應(yīng)波形的變化來(lái)判斷變壓器繞組有無(wú)變形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，將時(shí)域信號(hào)以數(shù)字形式記錄并傳輸給計(jì)算機(jī)做各種分析處理越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展得以改進(jìn)，時(shí)域響應(yīng)信號(hào)以數(shù)字形式記錄，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種分析處理。低壓脈沖法測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 低壓脈沖法測(cè)試原理圖

低壓脈沖法的主要用途是確定變壓器是否通過(guò)短路試驗(yàn)，但在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，尚受測(cè)試過(guò)程中各種電磁干擾的影響，可重復(fù)性較差，且對(duì)繞組首端位置的故障響應(yīng)不靈敏，較難判斷繞組變形位置。

3.2 振動(dòng)法

振動(dòng)法是通過(guò)貼在變壓器器身上油箱的振動(dòng)傳感器，在線監(jiān)測(cè)繞組及鐵芯的狀況，良好狀態(tài)變壓器的振動(dòng)特征向量包括繞組和鐵芯振動(dòng)信號(hào)的頻譜、功率譜、能量譜等作為指紋留用，一旦變壓器繞組發(fā)生故障，當(dāng)前振動(dòng)特征向量的變化就會(huì)快速地反映出來(lái)。這種方法最早是在電抗器上使用，對(duì)于在電力變壓器上使用振動(dòng)測(cè)試，加拿大、俄羅斯及美國(guó)等已進(jìn)行了多方面的研究。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試系統(tǒng)與整個(gè)電力系統(tǒng)沒(méi)有電氣連接，可安全、可靠地實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的目的。其缺點(diǎn)在于，電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生短路故障，如果在突然短路的變壓器內(nèi)部繞組發(fā)生故障，將導(dǎo)致帶電繞組與油箱接觸，油箱可能帶有很高電壓另外，暫態(tài)感應(yīng)也會(huì)在變壓器器身上產(chǎn)生高電位，對(duì)測(cè)試儀器和人身安全都有影響。

3.3 短路阻抗法

阻抗法是通過(guò)測(cè)量工頻電壓下，變壓器繞組的短路阻抗或漏抗來(lái)診斷繞組變形的。短路阻抗是指負(fù)荷阻抗為零時(shí)變壓器輸入端的等效阻抗。漏抗是繞組和繞組之間、繞組內(nèi)部、繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映。短路阻抗包括漏抗和繞組的電阻分量對(duì)于110kV及以上的大型變壓器電阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小短路阻抗主要是漏抗的數(shù)值，因此阻抗可以反映漏抗的變化，并且測(cè)量阻抗比測(cè)量漏抗更容易實(shí)現(xiàn)。

變壓器的漏抗值由繞組的幾何尺寸決定變壓器繞組結(jié)構(gòu)的改變必然會(huì)引起變壓器漏電抗的變化從而引起變壓器短路阻抗的改變。因此可用短路阻抗的變化來(lái)判斷變壓器繞組是否變形，只要將測(cè)得的短路阻抗與變壓器正常時(shí)的測(cè)量值(如出廠數(shù)據(jù))相比即可。

阻抗法的靈敏度較低，且需要?jiǎng)佑煤芏嗟脑囼?yàn)設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，誤診率較高，一般與其他方法配合使用。

3.4 在線監(jiān)測(cè)漏抗法

由于變壓器短路阻抗中的電感分量與繞組幾何尺寸及相對(duì)位置有關(guān)，因此可以通過(guò)在線檢測(cè)變壓器短路電抗的變化分析繞組狀況。理論和實(shí)踐都說(shuō)明，在線測(cè)量短路電抗，不需要停運(yùn)變壓器就能隨時(shí)監(jiān)視繞組狀況，比離線方法更具時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。

在線監(jiān)測(cè)漏抗法無(wú)需額外施加激勵(lì)，它既可研制獨(dú)立的裝置，也可作為微機(jī)型變壓器后備保護(hù)裝置或在變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)、不受干擾、判據(jù)明確等特點(diǎn)。能夠?yàn)槔@組狀況提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的指示必要時(shí)使變壓器退出運(yùn)行。該方法除了能夠監(jiān)測(cè)繞組變形外，也可以結(jié)合其他的一些檢測(cè)方法作為判別變壓器內(nèi)部故障的一種手段。

3.5 內(nèi)窺鏡法

內(nèi)窺鏡法稱為視頻窺視技術(shù)，它是將一個(gè)配有高強(qiáng)光源及高清晰數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的探頭深入變壓器的繞組之間或繞組與鐵芯之間進(jìn)行實(shí)物拍照，對(duì)繞組情況可做到一目了然，很直觀的得出變壓器繞組是否變形、內(nèi)部是否有異物、放電點(diǎn)位置、繞組排列是否整齊等，這是一個(gè)全新方法。

利用此技術(shù)，只需現(xiàn)場(chǎng)吊罩，不需將變壓器返廠拆鐵扼、拔線圈檢查繞組狀況，大大縮短變壓器停電時(shí)間。但是該方法很難對(duì)變壓器繞組進(jìn)行全面檢查，而且探頭及其配套光纜要進(jìn)入變壓器內(nèi)部，易帶入雜質(zhì)，所以該方法在工程應(yīng)用上需進(jìn)一步的研究。

3.6 頻率響應(yīng)分析法

頻響分析法是由加拿大學(xué)者提出的，隨后在世界各地得到廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為可以檢測(cè)相當(dāng)于短路阻抗變化0.2%的繞組變形或軸向尺寸變化0.3%的繞組變形［4］。在頻率高于1kHz時(shí)，變壓器繞組可以等效為一個(gè)無(wú)源、線形、單端輸入、單端輸出的網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如圖2所示。圖中，L為繞組每餅的電感，K為縱向電容，C為對(duì)地電容。

圖2 變壓器繞組等效電路

這種網(wǎng)絡(luò)可以用頻率特性來(lái)描述而且一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)著唯一的一條頻響特性曲線。當(dāng)繞組發(fā)生變形時(shí)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如電感或電容發(fā)生變化該網(wǎng)絡(luò)的頻響特性曲線也隨之變化。變壓器繞組頻響試驗(yàn)實(shí)際上就是通過(guò)比較變壓器事故前后繞組頻響特性曲線的變化來(lái)判斷繞組是否存在變形。

頻響分析法的實(shí)施過(guò)程為:將一正弦掃頻信號(hào)輸入被測(cè)變壓器，記錄輸入端和輸出端的電壓幅值和相位，通過(guò)處理得到被測(cè)繞組的頻響特性曲線，再通過(guò)比較當(dāng)前曲線和歷史曲線、不同相的曲線、同型號(hào)變壓器曲線等，判斷繞組是否存在變形。實(shí)踐證明，頻響法能夠?yàn)樽儔浩骼@組變形提供較準(zhǔn)確的診斷依據(jù)。其測(cè)量原理圖如圖3所示。

頻響分析法降低了電磁干擾的影響，具有測(cè)量靈敏度高、測(cè)試重復(fù)性較好、儀器操作簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。它可在變壓器不放油、不吊罩的情況下確定變壓器繞組有無(wú)形變，指導(dǎo)變壓器的搶修工作，縮短搶修時(shí)間。該方法已在國(guó)內(nèi)外變壓器運(yùn)行和生產(chǎn)部門得到推廣應(yīng)用，效果較好。但測(cè)試結(jié)果容易受到各種不確定性因的干擾，診斷結(jié)果具有某種不穩(wěn)定性。

圖3 頻響分析法原理接線圖

4 不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)目前各國(guó)普遍采用的變壓器診斷方法進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)低壓脈沖分析法在間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，重復(fù)性不好，用在同一天內(nèi)，確定變壓器是否通過(guò)短路實(shí)驗(yàn)時(shí)，其重復(fù)性是可以接受的。測(cè)試系統(tǒng)中出口引線的長(zhǎng)短對(duì)測(cè)試重復(fù)性影響較大。對(duì)測(cè)試變壓器繞組的首端故障不靈敏，尤其對(duì)變壓器首端餅間故障不靈敏，而且該法對(duì)變壓器各處故障的靈敏度也不一樣。

(2)振動(dòng)法對(duì)測(cè)試儀器以及人身安全都有影響。且這種方法受油溫以及有油無(wú)油狀態(tài)影響嚴(yán)重。

(3)短路阻抗法需要?jiǎng)佑谬嫶蟮膶?shí)驗(yàn)設(shè)備，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。而且靈敏度不高，難以保證測(cè)量精度，誤診率高達(dá)40%，在現(xiàn)場(chǎng)使用有很大困難?，F(xiàn)在的短路阻抗的測(cè)量方法都是離線測(cè)量，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器繞組的狀況。

(4)在線監(jiān)測(cè)漏抗法無(wú)需額外施加激勵(lì)，它既可研制獨(dú)立的裝置，也可作為微機(jī)型變壓器后備保護(hù)裝置或在變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)、不受干擾、判據(jù)明確等特點(diǎn)。

(5)內(nèi)窺鏡檢測(cè)法在現(xiàn)場(chǎng)有很大的局限性。

(6)頻率響應(yīng)分析法的測(cè)試重復(fù)性比較好，可用于系統(tǒng)中運(yùn)行變壓器繞組變形的檢測(cè)。對(duì)待測(cè)試?yán)@組首端故障不靈敏，尤其對(duì)變壓器首端餅間故障測(cè)試不靈敏。同時(shí)對(duì)變壓器各處故障的靈敏度也不一樣。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)附近的懸浮電極對(duì)測(cè)試重復(fù)性影響較小。

5 結(jié)論

綜上，頻響分析法與以上各種方法相比，有著試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單輕巧、測(cè)試靈敏度高、實(shí)驗(yàn)圖譜分析直觀、數(shù)據(jù)量值分析具有可比性等優(yōu)越性，具有較好的發(fā)展前景。

［1］袁國(guó)剛.大型電力變壓器繞組故障機(jī)理的理論與試驗(yàn)研究［D］.上海交通大學(xué)，2003.

［2］王鈕，徐大可，等.檢測(cè)變壓器繞組變形的低壓脈沖測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(5):13 －15.

［3］武劍利.頻響分析法檢測(cè)變壓器繞組變形的理論研究［D］.武漢大學(xué)，2004.

［4］何文林.變壓器繞組變形測(cè)試方法探討［J］.浙江電力，1996，15(6):28－29.