楊 晟，張文離，徐 飛

（國(guó)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(yīng)分析法探討

楊 晟，張文離，徐 飛

（國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030002）

為了準(zhǔn)確判斷電力變壓器發(fā)生繞組變形后的結(jié)構(gòu)變化及嚴(yán)重程度，基于頻率響應(yīng)分析法的基本原理，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)綜合分析測(cè)試數(shù)據(jù)的方法，同時(shí)結(jié)合一起實(shí)際案例加以說(shuō)明，最后提出用頻率響應(yīng)分析法做變壓器繞組變形試驗(yàn)時(shí)的注意事項(xiàng)，實(shí)踐證明測(cè)試方法與控制措施有效可行。

變壓器；繞組變形；頻率響應(yīng)分析法

0 引言

在變壓器的事故中，由于繞組的強(qiáng)度不夠，在運(yùn)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(duì)變壓器的危害尤為嚴(yán)重，約占變壓器事故總臺(tái)次的38%～45%。這些短路故障在變壓器中通常會(huì)引起數(shù)十倍的額定電流，使其承受巨大的機(jī)械力和電動(dòng)力，有可能造成繞組變形，導(dǎo)致惡性事故。另外，變壓器在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中由于繞組的強(qiáng)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(yùn)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(duì)于發(fā)生異常狀態(tài)的變壓器，在不解體前提下，檢測(cè)變壓器繞組變形勢(shì)在必行。目前，檢測(cè)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(yàn)法和頻率響應(yīng)法[2]。大量實(shí)踐證明，頻率響應(yīng)法能靈敏、準(zhǔn)確地反映繞組的變形且測(cè)得的波形具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，對(duì)變形的評(píng)估可靠性甚高。

1 頻率響應(yīng)分析法

頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形是將一掃頻信號(hào)從變壓器繞組的一端輸入，在另一端檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)，并將響應(yīng)信號(hào)的振幅和相位作為頻率的函數(shù)繪出頻譜曲線。當(dāng)變壓器結(jié)構(gòu)定型后，其幅頻響應(yīng)特性是一定的。對(duì)同一繞組進(jìn)行縱向和橫向?qū)Ρ确治?，根?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(lì)源Us的頻率f，測(cè)量其響應(yīng)端電壓U2和激勵(lì)端電壓U1的信號(hào)幅值之比，從而獲得繞組幅頻響應(yīng)特性。原理圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)原理等效電路圖

電壓幅值之比常用對(duì)數(shù)形式表示，即

式中：H（f）——頻率f時(shí)傳遞函數(shù)的模；

U2（f）——頻率f時(shí)響應(yīng)端電壓的有效值；

U1（f）——頻率f時(shí)激勵(lì)端電壓的有效值。

1.2 接線方式

a）選定被測(cè)變壓器的輸入端和測(cè)量端，將變壓器繞組分接開(kāi)關(guān)調(diào)到最大分接位置。

b）將輸入、檢測(cè)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(yīng)盡量短且不纏繞。

c）通過(guò)線夾把輸入、檢測(cè)電纜分別連接到選定的輸入、測(cè)量套管端頭。

d）通過(guò)電纜連接儀器相應(yīng)端子。

e）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)中的相應(yīng)程序，輸入被測(cè)變壓器的相關(guān)參數(shù)，操作“測(cè)量”菜單中的［啟動(dòng)測(cè)量］項(xiàng)或相應(yīng)的快捷鍵即可啟動(dòng)測(cè)量。

1.3 檢測(cè)程序

a）測(cè)量并記錄變壓器高低壓繞組的頻率響應(yīng)特性曲線（低壓繞組為重點(diǎn)測(cè)量對(duì)象）。

b）比較同一變壓器相同電壓等級(jí)的三相繞組和同相繞組歷年測(cè)試的頻譜曲線，對(duì)差異較大的繞組在確定接線無(wú)誤和接線良好的情況下重新進(jìn)行測(cè)量，保證該繞組測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和真實(shí)性，排除人為因素造成的誤差。

c）若測(cè)得的曲線帶有大量毛刺，則應(yīng)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(cè)得的曲線三相一致性較差，應(yīng)先對(duì)差異較大的繞組的歷年頻譜曲線進(jìn)行對(duì)比，判斷是否為歷史缺陷。若縱向?qū)Ρ炔町愐草^大，則應(yīng)檢查接地線是否可靠連接，改換后重新進(jìn)行測(cè)量，確保數(shù)據(jù)一致。

1.4 定量判據(jù)

有文獻(xiàn)提出用變壓器繞組變形前后頻率響應(yīng)曲線的相關(guān)系數(shù)ρxy和曲線上系列采樣點(diǎn)的均方差Exy來(lái)定量判斷變壓器繞組變形，可比較容易地判斷被試?yán)@組狀態(tài)。相關(guān)系數(shù)主要用來(lái)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(duì)差值。則有

式中：x（i）——頻率響應(yīng)曲線X第i個(gè)采樣點(diǎn)的值；

y（i）——頻率響應(yīng)曲線Y第i個(gè)采樣點(diǎn)的值；

i=1，2，…，N；N為采樣總點(diǎn)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(yīng)曲線差異的定量判據(jù)。

2 變壓器繞組變形測(cè)試數(shù)據(jù)的分析判斷

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行變壓器繞組變形測(cè)試數(shù)據(jù)分析判斷時(shí)，測(cè)試儀器計(jì)算出的相關(guān)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(yàn)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(lái)直觀判斷繞組變形情況。

2.1 獨(dú)立波形分析

變壓器繞組變形分析時(shí)，一般按3個(gè)頻段（低、中、高）通過(guò)幅頻響應(yīng)特性曲線中各個(gè)波峰和波谷的分布特點(diǎn)及曲線位置的變化，來(lái)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(dāng)波峰和波谷位置左移時(shí)，預(yù)示著繞組軸向壓縮；波峰和波谷位置右移時(shí)，預(yù)示著繞組匝間短路或幅向鼓包；曲線整體左移時(shí)，預(yù)示著繞組整體橫向整體移位；波峰和波谷趨于分散時(shí)，預(yù)示著繞組縱向整體移位。該頻段下，繞組電感的變化會(huì)導(dǎo)致曲線波峰或波谷移動(dòng)明顯，而匝間、對(duì)地電容對(duì)其影響不突出。

2.1.2 中頻段（100～600 kHz）

此頻段對(duì)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(yù)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(guò)該頻段內(nèi)較多的波峰和波谷靈敏地反映出來(lái)。

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(shuō)明繞組對(duì)地電容發(fā)生改變，預(yù)示其存在整體位移或引線位移，也就是說(shuō)繞組的局部結(jié)構(gòu)有點(diǎn)變化，在此頻段反映就較明顯。

2.2 復(fù)合波形分析

復(fù)合波形分析是結(jié)合變壓器結(jié)構(gòu)、故障情況及試驗(yàn)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(tái)變壓器、同一分接開(kāi)關(guān)位置、同一繞組、不同時(shí)期下同種檢測(cè)方式獲取的幅頻響應(yīng)特性曲線。此方法的優(yōu)點(diǎn)是幅頻曲線對(duì)比性強(qiáng)，有較高的判斷準(zhǔn)確性和檢測(cè)靈敏度，不足之處是要有原始數(shù)據(jù)，且受檢測(cè)條件的影響較大。

圖2 某變壓器繞組受沖擊前后幅頻響應(yīng)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(cè)三相頻響曲線，這是由于變壓器三相繞組之間的結(jié)構(gòu)基本是一致的，具有相對(duì)的可比性，必要時(shí)可參考同廠家同批次產(chǎn)品判斷是否是設(shè)計(jì)差異的結(jié)果。此方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需原始數(shù)據(jù)，不足之處是應(yīng)排除三相相似變形、本身固有差異。

3 應(yīng)用實(shí)例

某變電站220 kV 1號(hào)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(jié)組別為“YNyn0d11”。

2007年5月，在該變壓器近區(qū)發(fā)生短路后對(duì)其進(jìn)行了電氣試驗(yàn)，結(jié)果為：與歷年數(shù)據(jù)比較，絕緣電阻在合格范圍內(nèi)；三側(cè)繞組直流電阻值無(wú)明顯變化，不平衡率小于1%；油色譜試驗(yàn)無(wú)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(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 繞組電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1中H-M、L、G代表高壓對(duì)中壓、低壓及地；M-H、L、G代表中壓對(duì)高壓、低壓及地；L-H、M、G代表低壓對(duì)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(yīng)分析法進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)。通過(guò)三側(cè)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(wú)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(yuǎn)，可以初步判斷A相繞組發(fā)生繞組變形。隨后，調(diào)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(jìn)行縱向比較，得到圖3所示波形曲線。

圖3 低壓側(cè)繞組A相故障前后對(duì)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(duì)該變壓器進(jìn)行了吊罩檢查，檢查結(jié)果為該變壓器A相低壓繞組整體下移。

4 注意事項(xiàng)

用頻率響應(yīng)分析法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)@組變形時(shí)還要注意以下幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題[6]。

a）變壓器繞組套管引線應(yīng)全部解開(kāi)變形試驗(yàn)應(yīng)在充分放電后，根據(jù)接線方式和檢測(cè)程序進(jìn)行，分別記錄各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性曲線。

b）變壓器繞組變形宜在最高分接位置下試驗(yàn)，或者保證每次試驗(yàn)時(shí)分接開(kāi)關(guān)的位置相同。

c）試驗(yàn)前確保拆除的引線盡可能遠(yuǎn)離套管（引線無(wú)法拆除者，將套管末屏作為響應(yīng)端）。

d）接地線應(yīng)可靠連接在鐵芯接地引出端的螺栓上，嚴(yán)禁隨意纏繞。

e）所有測(cè)試連接線連接可靠，保持穩(wěn)定，進(jìn)而減小其對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

5 結(jié)論

電力變壓器發(fā)生繞組變形后將會(huì)嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而頻率響應(yīng)分析法可以檢測(cè)繞組是否變形、變形嚴(yán)重程度及發(fā)生部位，進(jìn)而決定變壓器能否繼續(xù)投入運(yùn)行的重要手段。在測(cè)試時(shí)，要注意“拆除引線遠(yuǎn)離套管”等幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析時(shí)，利用獨(dú)立加復(fù)合、橫向加縱向的分析方法會(huì)對(duì)繞組變形情況的準(zhǔn)確快速判斷起到事半功倍的效果。實(shí)踐證明變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)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(yàn)［J］.電力學(xué)報(bào)，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(yīng)法對(duì)變壓器繞組變形的測(cè)試與分析［J］.科技信息，2011（27）：748-750.

［4］ 陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：302-306.

［5］ 秦家遠(yuǎn)，劉興文，申積良.電力變壓器頻率響應(yīng)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(yàn)方法技術(shù)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(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，助理工程師，從事電力設(shè)備高壓試驗(yàn)工作；

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

徐 飛（1987-），男，山西五臺(tái)人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事電力設(shè)備高壓試驗(yàn)工作。