李慧，劉永超

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.國網(wǎng)濟(jì)南市長清區(qū)供電公司，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，人們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)都離不開電力能源的供應(yīng)。因此，電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性對于社會的和諧發(fā)展有著非常重要的影響。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力設(shè)備不斷增多，電網(wǎng)設(shè)備的日常維護(hù)和故障診斷就成為電力企業(yè)運(yùn)營管理中的關(guān)鍵，一旦電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，不僅維修成本高、時間長，而且還會造成大面積停電，造成非常嚴(yán)重的負(fù)面影響。在電網(wǎng)系統(tǒng)中變壓器設(shè)備作為重要的供電設(shè)備，對其進(jìn)行科學(xué)合理的日常維護(hù)和故障診斷有著非常重要的影響[1]。其中繞組變形是變壓器設(shè)備常見故障之一，也是誘發(fā)其他類型故障的主要原因。因此，針對繞組變形故障進(jìn)行快速有效的檢測和診斷，是預(yù)防大型變壓器設(shè)備故障的重要措施。本文通過變壓器動力學(xué)特性對繞組故障進(jìn)行深入分析，改進(jìn)現(xiàn)有的故障診斷方法，提升變壓器繞組故障檢測效率，最大限度地確保電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 大型變壓器設(shè)備工作原理

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，用電需求量不斷上升，為了解決不斷增加的用電缺口，國家電網(wǎng)不斷擴(kuò)大發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量和電網(wǎng)規(guī)模，同時在電網(wǎng)自動化管理方面也進(jìn)行有效的戰(zhàn)略部署。在電網(wǎng)自動化管理過程中，對于設(shè)備故障的檢修與維護(hù)工作提出了更加嚴(yán)格的要求。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，一些設(shè)備故障會引發(fā)大面積的停電風(fēng)險(xiǎn)，對于工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展都會造成一定的負(fù)面影響，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)變壓器故障隱患，提升變壓器設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，避免故障造成的停電風(fēng)險(xiǎn)，對大型變壓器設(shè)備繞組變形故障診斷進(jìn)行深入研究是非常必要的[2]。

電力工業(yè)使用的大型變壓器設(shè)備是用來轉(zhuǎn)換交流電流、交流電路和特性阻抗的一種電力設(shè)備，常見的變壓器是由變壓器鐵芯和電磁線圈構(gòu)成，電磁線圈有兩個或者更多的繞阻，繞組本身使用導(dǎo)電材料制作，并且在外部覆蓋絕緣層。大型變壓器設(shè)備主要工作原理是一次電磁線圈中有交流電路通過時，鐵芯會伴隨產(chǎn)生溝通交流磁通量，并且在二次電磁線圈中造成工作電壓。

2 大型變壓器設(shè)備常見故障評價

大型變壓器設(shè)備應(yīng)用范圍廣，故障率較高，根據(jù)不同類型，故障表現(xiàn)的形式存在一定差異。常見的變壓器故障包括電路故障、繞組故障、磁路故障以及油路故障等類型。下面就對大型變壓器常見故障進(jìn)行簡要分析：

2.1 電路故障

大型變壓器設(shè)備電路故障主要表現(xiàn)為長時間承受電壓、電流以及強(qiáng)電磁力的沖擊，造成變壓器電路絕緣老化、絕緣受損、電路受潮等問題，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器絕緣失效，變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷導(dǎo)致導(dǎo)線短路、接地、斷路、擊穿等現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)短路故障，短路電流沖擊力會對變壓器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損傷甚至燒毀變壓器。

2.2 繞組故障

繞組是變壓器的主要零部件，繞組故障也是導(dǎo)致變壓器其他故障和事故發(fā)生的直接原因。變壓器設(shè)備繞組變形的誘因包括自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、生產(chǎn)制造工藝不合格，容易受到外力影響導(dǎo)致繞組幾何形狀發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，包括繞組線圈位置發(fā)生偏移、繞組扭曲以及鼓包等，進(jìn)而導(dǎo)致繞組承受正常允許的短路電流能力變差。大型變壓器設(shè)備一旦出現(xiàn)繞組變形故障，如果不及時進(jìn)行修復(fù)或者更換，將會造成變壓器燒毀或者大面積停電等嚴(yán)重事故[3]。

2.3 磁路故障

變壓器主要通過鐵芯中的電流產(chǎn)生電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳遞，磁路故障的產(chǎn)生主要是由于鐵芯結(jié)構(gòu)受到損傷或者與接地鐵芯發(fā)生碰撞，固定鐵芯的螺栓松動，導(dǎo)致鐵芯松動，工作過程中產(chǎn)生異響，并且出現(xiàn)局部不良接觸從而產(chǎn)生發(fā)熱。此外，由于變壓器生產(chǎn)制造工藝缺陷導(dǎo)致鐵芯短路或者多點(diǎn)接地的情況，同樣會引發(fā)變壓器磁路故障產(chǎn)生。

2.4 油路故障

變壓器油具有良好的耐高溫性和絕緣性，可以提升變壓器設(shè)備的絕緣強(qiáng)度和使用壽命，對于大型變壓器設(shè)備有著非常重要的保護(hù)作用。變壓器油箱在受到外力作用下會導(dǎo)致機(jī)械損傷，造成變壓器滲漏，絕緣油污染，使得原本的絕緣特性受損。一旦變壓器油液進(jìn)水，不僅會降低變壓器的耐受電壓，而且水分子的存在會對導(dǎo)線造成一定的銹蝕影響，降低變壓器設(shè)備的使用壽命。一旦油箱受損，混入雜質(zhì)使油道堵塞，也會影響散熱，使絕緣過于老化，從而發(fā)生短路故障。由于防雷措施不完善，也可能發(fā)生絕緣擊穿的情況。此外，變壓器高壓側(cè)多采用電容套管、產(chǎn)品質(zhì)量不合格有沙眼或裂紋，電容本身缺陷，內(nèi)部游離放電，密封效果差，有漏油現(xiàn)象，套管污穢都可能發(fā)生閃絡(luò)效應(yīng)[4]。

3 變壓器故障設(shè)備繞組故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對大型變壓器設(shè)備繞組故障診斷，比較常用的方式包括：短路阻抗診斷、低壓脈沖診斷、頻率響應(yīng)診斷以及電容變量診斷法等。

3.1 短路阻抗診斷法

短路阻抗診斷主要是根據(jù)變壓器設(shè)備負(fù)載阻抗繞組的電抗值來判斷其幾何結(jié)構(gòu)，由于變壓器設(shè)備繞組電抗值大小主要由繞組幾何結(jié)構(gòu)和位置決定，當(dāng)繞組受到外力作用產(chǎn)生形變，電抗值隨之改變。因此，可以通過檢測變壓器設(shè)備中短路電抗值大小，來判斷繞組是否發(fā)生形變。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于檢測短路阻抗的靈敏度較低，而且根據(jù)短路阻抗判斷繞組形變的分析過程較長，不利于大面積的推廣使用。

3.2 低壓脈沖診斷法

通過檢測大型變壓器設(shè)備的低壓脈沖來判斷繞組發(fā)生形變的依據(jù)，是利用等值電路中，各個單元參數(shù)分布轉(zhuǎn)化成波形上的結(jié)構(gòu)變化，使用高頻響應(yīng)示波器，將一些微小的變化等效放大，便于清晰直觀的反映出來。然后借助小波分析法去除干擾，準(zhǔn)確獲取繞組形變的特征量。該方法相較于短路阻抗診斷法有較強(qiáng)的精確性，但是容易受到電磁因素的干擾，重復(fù)性較差。

3.3 頻率響應(yīng)診斷法

大型變壓器設(shè)備在高頻率狀態(tài)下工作，可以等效為一個電容、電感分布參數(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，根據(jù)頻率響應(yīng)建立繞組的幾何形狀的函數(shù)特征曲線，當(dāng)繞組結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，函數(shù)特征曲線會發(fā)生改變，根據(jù)函數(shù)特征曲線推算出變壓器繞組的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。頻率響應(yīng)診斷法通過軟件分析減少了大量的檢測儀器設(shè)備，因此應(yīng)用成本較低，并且有效的避免了電磁干擾的影響，重復(fù)性較強(qiáng)，目前在大型變壓器設(shè)備繞組故障診斷中的應(yīng)用較為廣泛。

3.4 電容變量診斷法

變壓器設(shè)備在工作過程中可以視為一個電阻、電容、電感的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，繞組的等值電容可以直接反映出繞組與周圍環(huán)境之間的相對位移。在正常情況下，繞組在工作過程中的電容量變化范圍較小，當(dāng)繞組受到外力作用，或者遭受短路沖擊后，幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電容量將會隨即發(fā)生變化。如果檢測到變壓器設(shè)備的繞組電容量發(fā)生大范圍的波動，則說明變壓器繞組存在變形故障。

4 基于頻率響應(yīng)法檢測變壓器繞組變形的仿真分析

變壓器設(shè)備在高頻信號作用下可以等效為一個由分布電感、電容組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體如下圖1所示：

圖1 變壓器繞組等效仿真圖

圖1中，L代表便要求繞組電感，K代表變壓器繞組電容，C代表變壓器對地電容，R代表電阻。在仿真分析中，假設(shè)變壓器繞組的參數(shù)都均勻分布，建立等效電路模型，然后在繞組一側(cè)輸入電流信號，通過掃描獲得頻響曲線，各級參數(shù)發(fā)生變化時，變壓器繞組頻響曲線會相應(yīng)發(fā)生改變，并且變現(xiàn)出一定的規(guī)律性，變壓器等效參數(shù)減小時，頻響曲線會轉(zhuǎn)移到高頻方向，當(dāng)繞組等效參數(shù)增大后，頻響曲線會向低頻方向移動[5]。改變繞組的位置信息和參數(shù)信息可以取得頻響曲線偏移的位置參數(shù)和頻響曲線變化幅度參數(shù)。根據(jù)變壓器繞組幾何結(jié)構(gòu)或者位置發(fā)生的變化與頻響曲線之間的相互關(guān)系，依靠頻響曲線波峰、波谷的頻率偏移和頻響曲線幅值變化，可以進(jìn)一步圖算出便要其設(shè)備繞組是否存在變形故障。

5 結(jié)論

綜上所述，電力工業(yè)的發(fā)展對推動國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著非常中重要的意義。因此，確保電力設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是電力企業(yè)運(yùn)營中的重點(diǎn)工作。在大型變壓器設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，對繞組變形故障進(jìn)行檢測屬于十分必要的一項(xiàng)內(nèi)容，通過頻率響應(yīng)分析法，對大型變壓器設(shè)備繞組故障進(jìn)行在線檢測，根據(jù)函數(shù)特征曲線推算出變壓器繞組的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對大型變壓器設(shè)備的在線檢測，從而可及時發(fā)現(xiàn)故障，傳遞故障信息，以便及時進(jìn)行處理，保證變壓器能夠?qū)Ω谜＿\(yùn)行。