基于掃頻阻抗法的變壓器繞組變形測試技術研究

仇一凡，周 興，李忠晶，鞠登峰，趙殿斌

(國網電力科學研究院，北京100000)

電力變壓器的安全可靠運行將直接關系著整個電網的運行穩定性。但是在變壓器運行時不可避免要遭受突發短路故障，短路時產生的強大短路電流將使繞組受到巨大的電動力，如果超過繞組的抗短路沖擊能力，將導致繞組發生變形故障，影響變壓器穩定運行。另外，運輸過程中機械力的作用也有可能使繞組發生變形現象［1］。

變壓器繞組發生變形后，有的會立即損壞，而大部分變壓器會繼續運行一段時間，這段時間變壓器的性能并不穩固，存在安全隱患。繞組變形輕則導致變壓器各運行指標不正常，重則直接導致變壓器癱瘓，進而影響到電力系統的穩定性［2－3］。基于此，本文通過研究頻響法和短路阻抗法的診斷機理后，提出一種診斷變壓器繞組變形的掃頻阻抗法，并通過搭建變壓器模型和實驗予以了驗證。

1 變壓器繞組變形的成因及種類

1.1 變壓器繞組變形的成因

變壓器繞組之所以會發生變形，究其原因:1)電力變壓器在運行過程中，不可避免要遭受各種短路故障電流的沖擊。在較高的溫度下，導線的機械強度變小，電動力容易使繞組破壞或變形。2)電力變壓器在長途運輸、安裝或吊罩過程中，會受到意外的沖撞、顛簸和振動等，導致繞組變形。3)保護系統存在死區或動作失靈，導致了變壓器承受穩定短路電流作用的時間較長，也會造成變壓器繞組變形［4］。

1.2 變壓器繞組變形的種類

1)徑向拉伸:一般出現在變壓器的高壓側中央位置，幅度不大。

2)徑向壓縮:一般出現在變壓器的低壓側，中央上下等幅度。

3)軸向延伸:通常位于低壓側頂端。

4)軸向壓縮:位于變壓器高壓側繞組中間。

5)軸向套疊:高、低壓側均可能出現。

6)匝間短路故障。

2 變壓器變形測量方法

繞組變形測試方法主要有阻抗法、低壓脈沖法及頻率響應法［5］。

2.1 阻抗法

當變壓器的負荷阻抗變為零時，其輸入端的等效阻抗就是變壓器的短路阻抗。短路阻抗由電阻分量和電抗分量組成。在大型變壓器的短路阻抗中，電阻分量所占比例很小，此時的短路阻抗值約等于電抗分量。變壓器繞組的漏電抗其實就是變壓器的短路電抗分量，由縱向漏電抗和橫向漏電抗兩部分組成，但通常橫向漏電抗所占比例不大。由于漏電抗值與變壓器繞組的尺寸密切相關，當繞組發生形變時必然會引起漏電抗的變化，從而改變變壓器的短路阻抗值［6］。阻抗法由于受條件所限，現場很難達到額定電流(尤其對大型變壓器)，且對測試儀表的檢測精度要求很高，往往難以獲得必要的檢測靈敏度，有時僅對那些繞組變形嚴重的變壓器有效。但阻抗法實施簡單，又有標準可循，仍不失為一種互補的手段，適用于中、低壓等級變壓器。

2.2 低壓脈沖法

低壓脈沖法的測試原理如圖1所示。

圖1 低壓脈沖法的測試原理圖Fig．1 Test schematic diagram of low voltage pulse method

在變壓器繞組的一端對地加入標準脈沖電壓信號(100 V)，利用數字化記錄設備同時測量繞組兩端的對地電壓信號Uo(t)和Ui(t)，并進行相應的處理，最終得到該變壓器繞組的傳遞函數H(t)或H(jω)，即

根據波形變化來判斷變壓器繞組變形。

2.3 頻響法

頻率響應法的檢測原理如圖2所示。

在繞組的一端輸入掃頻電壓信號Us(依次輸入不同頻率的正弦波電壓信號)，通過信號處理設備同時檢測不同掃描頻率下繞組兩端的對地電壓信號Ui(n)和Uo(n)，在進行相應的處理后，最終得到被測變壓器繞組的傳遞函數H(n)=20log［Uo(n)/Ui(n)］。將頻率響應描繪成曲線來判斷變壓器繞組變形［7］。

3 掃頻阻抗法研究

3.1 低頻時等效模型

當頻率較低時(一般f＜1 Hz)，分布電容的影響可以忽略，變壓器可以作為集中參數模型來等效，采用T型等效網絡描述，如圖3所示。

圖3 單相變壓器T網絡等效模型Fig．3 T network equivalent model of single-phase transformer

繞組變形測試相當于進行短路阻抗的測試，當繞組發生變形時，由變形引起的漏抗變化可以通過短路阻抗值的變化反映出來［8］。

3.2 高頻時等效模型

當頻率比較高時(f＞100 kHz)，變壓器每個繞組可看成一個由電阻、電容、電感等分布參數構成的無源線性雙端網絡，如圖4所示。

忽略繞組電阻，相當于用頻響法對變壓器進行測試。匝間短路、餅間短路、繞組扭曲變形、鼓包突起或高壓引線移位等現象，都會引起分布參數的變化從而改變頻響特性曲線。如果測試時加大掃頻信號功率，使測試信號增強，就可提高抗干擾能力，大大降低不良環境因素引起的影響［9－10］。

3.3 診斷機理

由變壓器在不同頻段下的等效模型可知，在低頻段時變壓器可由T網絡等效模型來等效，此時繞組和鐵芯的等效電感、電阻起主要作用。若由電感量的變化而引起繞組變形，則將表現在頻譜的低頻段;而變壓器等效電容的變化則主要在高頻段有所反應。也就是說，用掃頻阻抗法對變壓器繞組變形進行測試時，短路阻抗特性反映在低頻段，頻率響應特性反映在高頻段［11］。

掃頻阻抗法測試時將二次側短路，這是掃頻阻抗法測試結果中計算短路阻抗值的接線依據。分別對被測繞組信號輸入、輸出端的電壓信號進行采集，經過處理可以得到反映繞組頻率響應特性和短路阻抗特性的量。相關的參數計算如下［12］:

頻率響應法的計算方法:

短路阻抗法的計算方法:

為研究繞組的短路阻抗特性，可以進行如下處理:

得到

式中，R0是等效電阻，大小一般取50 Ω。

取短路阻抗的實部即為電阻，取虛部即為電抗，可以在全頻段內繪制R－f、Z－f特性曲線，通過比較變壓器遭受短路故障前后的變化程度，來判斷繞組變形的情況。從掃頻阻抗法診斷機理可知，經過數值分析，可以將變壓器短路阻抗在50 Hz工頻下的數值計算出來，并用銘牌上的數值與其進行比較，由此可成為判斷變壓器繞組是否發生變形的參數之一。此外，根據繞組等效模型分析，由掃頻阻抗法得出的中高頻段響應特性曲線仍可參照頻響法進行判斷分析。綜上所述，可以對得到的短路阻抗曲線繼續進行分析，得到R－f、Z－f特征曲線，繼而研究這些參數對不同情況下繞組變形的靈敏度，作為判斷變壓器繞組是否變形的新依據。

3.4 掃頻阻抗法與頻響法的對比

掃頻阻抗法對測試結果引入了新的判斷參考參數，可為繞組變形診斷提供更多有價值的參考依據，在診斷變壓器繞組變形上比頻響法更有效，而且測試結果富含更多信息量。現將掃頻阻抗法與頻響法的進行比較，如表1所示。

4 掃頻阻抗法實驗驗證

4.1 改進后頻響法試驗

改進后頻響法測試接線原理如圖5所示。

采用掃頻阻抗法進行測試，將變壓器未加壓側短接，在加壓側施加＞100 W的大功率掃頻信號，通過測量裝置測試激勵和響應信號。圖5中電流表測量的是流過一次側的電流。

試驗儀器為基于TDT型改進的繞組變形測試系統，外加設備為大功率信號發生器。模型變壓器參數:容量40 MVA，電壓等級110/38.5/10.5 kV，聯結組標號為YNyn0d11。

表1 頻響法和掃頻阻抗法比較Tab．1 Comparison of frequency response analysis method with sweep frequency impedance Method

繞組變形試系統滿足的技術指標如表2所示。

表2 繞組變形測試系統技術指標Tab．2 Index of the wind deformation test system

4.2 掃頻阻抗法實驗驗證

將變壓器低壓繞組開路，在0.03～1 MHz頻段內進行掃頻測試獲得頻響曲線;再將低壓繞組短路，進行0.03～1 MHz掃頻測試獲得頻響曲線及短路阻抗曲線，如圖6所示。

由圖6可知:

1)當頻率大于45 kHz時，低壓側在短路和開路時的兩條曲線重合度很高，說明副邊是否短路對測試結果影響不大。

2)當頻率降到9 kHz以下時，用這兩種方法測試得到的曲線差異較大，測量得到的短路阻抗值與銘牌值很接近，且在誤差的允許范圍之內，因此低頻時可用測量得到的短路阻抗值與銘牌值進行比較來判斷變壓器繞組是否變形。

3)9～45 kHz基本為過渡區，表現為由差別較大逐漸趨于一致，處于這部分的曲線尚需深入研究。

將模型變壓器二次繞組短接，模擬14－18繞組短接故障前后曲線對比，14－18繞組短接相當于改變了繞組內部的電感量，測試曲線如圖7所示。

由圖7可知:模型變壓器在二次側短路的情況下，將14－18繞組進行短接測試，相當使繞組的電感量發生了變化，曲線在低頻段發生了明顯的平移，發展趨勢和頻率基本成正比例關系，反映了短路阻抗發生的變化;曲線的波峰波谷在高頻段發生移位與反向，反映了測試曲線在高頻段時波峰波谷的幅值－頻率的情況。在模型變壓器14－18繞組短接的情況下，對模型變壓器的二次側開路和短路情況進行測試，如圖8所示。

從圖8可以看到，在低頻段曲線的平移較為明顯，反映了Z－f關系，而曲線在高頻段的重合性較好，說明在低頻段掃頻阻抗法可以反映短路情況下阻抗的變化，在高頻段又能夠反映頻響法的特性。將模型變壓器模擬26－28匝間短路，在二次短路情況下進行的測試，如圖9所示。

圖7 二次短路情況下，14－18繞組短接前后的掃頻曲線對比圖Fig．7 Comparison of 14 －18 winding sweep frequency curve before and after short in case of the secondary side short

圖8 14－18繞組短接，二次短路和開路情況下掃頻曲線對比圖Fig．8 Comparison of sweep frequency curve 14 －18 winding short circuit，in case of the secondary side short and open ciruit

圖9 二次短路情況下，26－28匝間短路前后的掃頻曲線對比圖Fig．9 Comparison of 26 －28 winding sweep frequency curve before and after short in case of the secondary side short

由圖9可知:曲線在低頻段的線性部分偏移不明顯，表明阻抗發生少量變化;同時高頻段的幅頻響應發生明顯變化，說明在短路情況下掃頻阻抗法能夠反映頻響法和短路阻抗法的特性。26－28繞組短路，二次短路和開路情況下前后的掃頻曲線對比如圖10所示。

圖10 26－28繞組短路，二次短路和開路情況下前后的掃頻曲線對比圖Fig．10 Comparison of sweep frequency curve arcund 26－28 winding short circuit secondary side short and open circuit

由圖10可以看到:曲線在低頻段部分發生明顯的平移，反應了Z－f的變化;高頻段發生不明顯平移，反應了匝間短路對匝間電容的影響。參考圖10，說明改進后頻響法在二次側短路情況下測試靈敏度較好。

綜上所述，掃頻阻抗法通過一次測量，可以獲得頻響特性曲線與阻抗特性曲線;經過計算可獲得短路阻抗值，能有機地將兩種方法融合在一起，同時也驗證了實驗結果的正確性。

5 結語

掃頻阻抗法結合頻響法和短路阻抗法的優點，實現了一次測量獲得全頻段的短路特性曲線和頻響特性曲線。實驗證實了該方法是一種新型有效的繞組診斷方法。

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