頻率響應分析法測試變壓器繞組變形的影響因素分析

李 頡，劉忠順，劉 勇

(滄州供電公司，河北 滄州 061001)

變壓器繞組變形的原因主要有2種：一種是變壓器在遭受出口或近區(qū)短路時，由于短路電流在繞組中產(chǎn)生強大的電動力而使繞組變形；另一種是由于變壓器在運輸途中或安裝過程中受到嚴重的機械碰撞而導致繞組變形。雖然很多時候繞組變形不會立刻對變壓器的正常運行產(chǎn)生影響，但是由于積累效應，最終可能會發(fā)展為絕緣事故。因此針對大型變壓器開展繞組變形測試工作十分必要。目前，業(yè)內(nèi)人士普遍認為頻率響應分析法(簡稱“頻響法”)是檢測變壓器繞組變形較為有效的方法之一。

1 頻響法的測試原理

當變壓器繞組在較高頻率(頻率大于1 kHz)電壓的作用下，每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感(互感)、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙口網(wǎng)絡，其內(nèi)部特性可通過傳遞函數(shù)H(jω)進行描述。如果繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變，導致其等效網(wǎng)絡傳遞函數(shù)H(jω)的零點和極點發(fā)生變化，從而使網(wǎng)絡的頻響特性發(fā)生變化。

變壓器繞組的頻響特性采用掃頻檢測方式獲得，如圖1所示。連續(xù)改變外施正弦波激勵源Vs的頻率f(角頻率ω=2πf)，測量在不同頻率下的響應端電壓V2和激勵端電壓V1的信號幅值之比，獲得指定激勵端和響應端情況下的繞組頻響特性。

L-繞組單位長度內(nèi)的分布電感； K-繞組單位長度內(nèi)的匝間、餅間分布電容； C-繞組單位長度內(nèi)對地分布電容；V1-等效網(wǎng)絡的激勵端電壓； V2-等效網(wǎng)絡的響應端電壓；Vs-正弦波激勵信號源電壓； Rs-信號源輸出阻抗；R-匹配電阻

測得的頻響特性曲線常用對數(shù)形式表示，即對電壓幅值之比進行如下處理：

H(f)=20Log[V2(f)/V1(f)]

式中：H(f)為頻率f時傳遞函數(shù)的模│H(jω)│；V2(f)和V1(f)為頻率為f時響應端和激勵端電壓的峰值或有效值│V2(jω)│和│V1(jω)│[1]。

用頻響法判斷變壓器繞組變形，主要是對繞組的頻響特性曲線進行縱向或橫向比較，并綜合考慮變壓器的短路情況、變壓器結(jié)構(gòu)、電氣試驗及油中溶解氣體分析等因素。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，可以直觀的反映出變壓器繞組狀況。一般選用1～1 000 kHz的掃頻范圍和1 000個線性分布的掃描頻點進行測試，能夠靈敏的反映出繞組電感、電容的變化情

況，測試結(jié)果會以頻響特性曲線的形式記錄下來。

2 現(xiàn)場測試步驟

以使用TDT-6型測試儀對110 kV/10 kV三相雙繞組變壓器進行測試為例，測試可以按以下步驟進行。

a. 具備條件后，拆除變壓器引線、繞組充分放電及調(diào)整有載分接開關(guān)位置(一般選擇1檔進行測試，可以檢測到全部的調(diào)壓繞組及主繞組)[2]。

b. 選擇檢測接線方式，即正確選擇輸入端和檢測端。常見的接線方式如圖2所示。

圖2 常見的接線方式(測試高壓側(cè)V相)

c. 按照圖2所示的方法進行現(xiàn)場接線。注意將輸入單元和檢測單元的GND(接地端子)最好接在變壓器鐵心的同一接地點上，并要接觸良好。

d. 按照一定的次序進行測試。高壓側(cè)繞組按照O-U、O-V、O-W進行逐相測量；低壓側(cè)繞組按照u-v、v-w、w-u順序相間測量(非測試相懸空即可)，通過主機的掃頻，在電腦中就可得到繞組頻響特性曲線。

e. 對測試數(shù)據(jù)采用縱向和橫向比較法進行診斷分析，若分析為干擾情況則需要進行重復測試[2]。

3 測試中的影響因素

3.1 變壓器繞組存在殘余電荷

變壓器繞組殘余電荷是進行頻響法測試時首先要考慮的問題。在變壓器經(jīng)過絕緣電阻試驗、泄漏電流試驗、外施耐壓試驗后，如果接地放電時間不足，很有可能在繞組中產(chǎn)生殘余電荷。由于頻響法測試儀屬于較精密、靈敏度較高的測試設備，測試電壓較低，如果在測試回路中存在殘余電荷，即使量很小，也會因較低信噪比而使測試結(jié)果嚴重失真。失真的頻響曲線特征為：在測試周期內(nèi)，由于函數(shù)幅值大小的急速突變，在頻響曲線中會接連出現(xiàn)高低交錯的大幅值尖頂波或鋸齒波。即使在曲線的中頻段也非常雜亂，沒有一定的趨勢，與正常測試的結(jié)果沒有任何相似性。

當測試中遇到這種情況時，應立即停止試驗并拆除試驗接線，將變壓器三側(cè)繞組三相短路接地放電，以消除殘余電荷。一般放電0.5 h以上即可恢復，殘余電荷積累得越多，需要放電時間越長。為避免變壓器殘余電荷在測試工作中所帶來的不便，試驗前應提前安排有關(guān)人員在變壓器停電后進行1 h以上的接地放電。另外，頻響法測試前應盡量避免進行其他的電氣試驗項目，尤其是變壓器的絕緣電阻、泄漏電流、外施耐壓試驗，如已進行過此類項目，則需要進行放電處理。

3.2 變壓器鐵心存在剩磁

由于剩磁的存在，會導致頻響特性曲線產(chǎn)生失真，其失真的頻響曲線雜亂無章、沒有規(guī)律,進行變壓器繞組直流電阻試驗會使鐵心產(chǎn)生剩磁。大型變壓器磁阻較小，尤其是三相五柱式變壓器。如果變壓器存在剩磁，則需要給鐵心去磁，去磁的方法有交流法和直流法。交流去磁可以按照空載試驗的接線，給變壓器施加額定電壓(有條件時加1.1倍額定電壓)，但不能突然切斷電源，必須使所加電壓緩慢且平穩(wěn)下降至零后切斷電源，可以三相同時進行。若現(xiàn)場不具備交流去磁的條件，可以選擇直流去磁。直流去磁需要單相進行，使用1個電流值可調(diào)的直流電源，先在繞組上通入不小于10 A的電流，穩(wěn)定后斷開，再反向加1個更小的電流，穩(wěn)定后斷開，再反向加1個更小的電流，穩(wěn)定后再斷開。如此不斷反復，每次所加的直流電流都比前一次減小約0.5 A，直至所加電流為0.5 A以下時止。這2種去磁方法實施起來不但過程復雜，而且需要很長時間。因此，在進行頻響法測試之前，應盡量避免進行繞組直流電阻試驗。

3.3 試驗電源引入干擾信號

圖3中是章西變電站1號主變壓器高壓側(cè)繞組U相在試驗中由于電源諧波分量較大而產(chǎn)生的失真曲線。失真曲線的特征是：曲線大體仍呈現(xiàn)一定正常趨勢，但在中頻段及部分高頻段會多次出現(xiàn)毛刺狀的尖角，但不影響曲線的趨勢走向。

遇此類情況時，可以在TDT-6型測試儀主機和試驗電源之間加裝1個小型的隔離變壓器(設備廠家可提供)來解決。使用專用的隔離變壓器后，測得的頻響特性曲線正常。

圖3 章西變電站1號主變壓器高壓側(cè)U相干擾曲線

3.4 試驗線夾接觸不良

試驗線夾經(jīng)過長期使用，彈簧的彈力不足，可能導致與套管導電桿接觸不良，使頻響特性曲線產(chǎn)生失真。圖4中虛線是楊集變電站1號主變壓器高壓側(cè)繞組U相由于試驗線夾與套管導電桿接觸不良而產(chǎn)生的干擾曲線。曲線的特征是：低頻段沒有豐富的波峰波谷，比較平滑，隨著頻率的升高曲線呈下降趨勢。

圖4 楊集變電站1號主變壓器高壓側(cè)U相正常曲線與干擾曲線

遇到上述情況時，在排除前3種干擾因素后，應檢查2個試驗線夾是否和變壓器套管的導電桿接觸良好。 圖4中實線是對試驗線夾的接觸面進行處理后的測試結(jié)果，曲線的低頻段出現(xiàn)了豐富的波峰波谷。

3.5 測試線纜插頭接觸不良

TDT-6型測試儀的測試線纜插頭不太堅固，受到重力或擠壓后很容易變形，導致插頭無法接入主機；另外在接線過程中，線纜被拉扯后受力引起插頭的屏蔽層接觸不良；測試線纜插頭經(jīng)過多次插接，插頭的芯針可能會松動，導致信號不穩(wěn)定[2]。圖5為韓集變電站1號主變壓器高壓側(cè)W相的干擾曲線。

圖5 韓集變電站1號主變壓器高壓側(cè)W相干擾曲線

測試中在排除前4種干擾因素后，如果發(fā)現(xiàn)三相的頻響特性曲線橫比差異明顯，應檢查測試線纜的插頭與主機、阻抗單元以及屏蔽層之間是否接觸良好，針芯是否松動，可用萬用表測量導通情況，存在此問題時應及時處理。無法處理時，需更換備用的測試線進行測試。建議在測試附件箱中多配1～2根測試線，現(xiàn)場使用中出現(xiàn)問題的測試線應該在工作結(jié)束返回后及時修理完好。

3.6 阻抗單元與套管導電桿距離太近

圖6中虛線為泊鎮(zhèn)變電站1號主變壓器高壓側(cè)U相的頻響測試結(jié)果。測試時由于檢測端的阻抗單元纏繞在U相套管導電桿處，距離太近，使頻響特性曲線產(chǎn)生失真。原因可能是阻抗單元的接地端子與套管導電桿之間產(chǎn)生電容耦合而使非測量信號引入到測量回路。同理，如果輸入端阻抗單元與套管導電桿距離過近也會引入干擾信號。

圖6 泊鎮(zhèn)變電站1號主變壓器高壓側(cè)U相正常曲線與干擾曲線

為了避免這種情況，在現(xiàn)場進行試驗接線時，應注意2個阻抗單元的懸掛位置。將線夾夾好后要適當調(diào)整測試線的長度，使阻抗單元盡量遠離套管導電桿，但也不要下垂至套管法蘭處，如果距離接地體太近，同樣會產(chǎn)生干擾。最好將阻抗單元沿著測試線自然下垂至套管垂直方向的中點處，才能獲得良好的測試效果。圖6中實線為現(xiàn)場經(jīng)過對阻抗單元的位置進行調(diào)整后恢復正常的測試結(jié)果。

3.7 接地點選擇不當

案例1：對汪家鋪1號主變壓器高壓側(cè)U相進行頻響法測試時，由于接線人員沒有分辨清楚而選擇夾件接地作為測量接地點，之后又改為鐵心接地重新測試，2次測試的結(jié)果雖在低頻段十分吻合，但在中、高頻段由于函數(shù)幅值的變化而有所差異，見圖7。

圖7 汪家鋪1號主變壓器高壓側(cè)U相2次不同接地點的頻響曲線

案例2：圖8是姚官屯2號主變壓器低壓側(cè)繞組三相的頻響曲線，從圖中可以看出ca相的曲線明顯不同于其他兩相。不但幅值有很大的變化，波峰波谷出現(xiàn)的位置以及方向都不相同。似乎存在嚴重的繞組變形，但這也是干擾造成的。由于在進行ca相試驗時為了解決地線不夠長的問題而改動了阻抗單元接地點的位置，導致ca相頻響曲線產(chǎn)生嚴重失真。

圖8 姚官屯2號主變壓器10 kV側(cè)三相繞組的干擾曲線

頻響法試驗時對于測量接地的要求很嚴，輸入端與檢測端2個阻抗單元的GND(接地端子)應該保持同點、可靠的接地。選擇不同接地點會給測試結(jié)果帶來差異，因此變壓器在第1次測試時一旦選定了某個接地點(最好是頂部的鐵心接地)，以后每一次測試都要固定下來。建議做好現(xiàn)場記錄，將該變壓器測量接地點的位置加以說明，另外，接地點在試驗過程中不應更改，避免出現(xiàn)圖8所示的情況。測試時常遇到接地線長度不夠的情況，因此建議選用2根6 m長的專用地線(外有塑料絕緣層的多股軟銅線，截面4 mm2，中間不要有接頭)，對于多數(shù)220 kV及以下變壓器而言該長度足夠。

3.8 電焊機引起的干擾

在測試過程中，如果有人使用電焊機在變壓器外殼上進行焊接作業(yè)，會在每次焊接時在頻響曲線中產(chǎn)生一個向上突變的噪點。這種情況在主機掃頻過程中就可以及時發(fā)現(xiàn)。若有人在變壓器外殼上進行焊接作業(yè)，應停止測試，排除干擾后重新測試。

4 測試中的注意事項

a. 頻響法測試一定要在變壓器繞組直流電阻試驗之前進行。

b. 頻響法測試前盡量避免進行變壓器本體的絕緣電阻、泄漏電流和外施耐壓試驗，并保證有足夠的接地放電時間。

c. 必須拆除與變壓器套管相連的所有引線，并使其盡量遠離被測變壓器套管的導電桿。

d. 注意有載分接開關(guān)的檔位是否與歷史的測試檔位相符，建議每次測試時將分接開關(guān)的位置都調(diào)至1檔(最高檔位)。

e. 不是初次試驗時，應確認選擇了正確的輸入端與檢測端，以保持與歷史的接線方式相符。

f. 接線時線夾要與套管導電桿接觸良好。

g. 選擇明顯可靠的測量接地點。鐵心引出套管在變壓器頂部是最好的測量接地點。如果鐵心套管不在頂部，可根據(jù)現(xiàn)場情況適當選擇一個位置接地，但要保證接地良好并在整個測試過程中保持不變。特殊選擇的接地點的具體位置應做好記錄，以便在下一次測試時作為參考，避免由于接地點選擇的不同而使測試結(jié)果產(chǎn)生差異。

h. 測試時主機與試驗電源之間要加裝試驗專用隔離變壓器[2]。

i. 測試時，變壓器所有的電容套管末屏、鐵心、夾件都必須保持良好可靠的接地。

j. 測試中不要抖動線纜，以免損壞儀器或影響測試結(jié)果。

k. 測試中避免有人使用電焊機在主變壓器外殼上進行電焊作業(yè)。

5 結(jié)束語

頻響特性數(shù)據(jù)是反映變壓器繞組狀態(tài)的重要參量。在實際的現(xiàn)場測試中，如果測得比較另類的曲線，不要輕易下定論。首先要認真辨別并排除各種干擾因素的影響，這樣測試獲得的數(shù)據(jù)才真實。對于制造工藝良好的大型變壓器，其三相繞組的結(jié)構(gòu)基本一致，測得的頻響特性曲線通常具有一定的可比性，在沒有原始數(shù)據(jù)的情況下，可以通過三相橫比來分析判斷繞組的狀態(tài)。但必須注意，三相繞組的頻響特性曲線不一致時，不能判斷一定存在繞組變形，因此還要參考其他試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，全面診斷。雖然頻響法試驗時現(xiàn)場的干擾因素較多，但只要遵循文中所述的幾個原則和消除干擾的方法，把握關(guān)鍵點，操作嚴格，一般會排除干擾并得到正確的結(jié)果。

參考文獻：

[1] DL/T 911-2004，電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法[S]．

[2] 畢建剛，王獻麗，高克利.變壓器繞組變形現(xiàn)場測試中應注意的問題[J].變壓器，2009，46(12)：29-31，36.