殘余電荷對變壓器繞組頻率響應影響的機理分析

唐民富 方 笑 田 維 羅思瑤

（1．國網湘西供電公司，湖南 吉首416000；2．國網益陽供電公司，湖南 益陽413000）

0 引言

繞組變形是指電力變壓器繞組在機械力或電動力作用下發生的軸向或徑向尺寸變化，通常表現出繞組局部扭曲、鼓包或移位等特征［1］。短路電流沖擊、外部沖撞等均有可能導致變壓器繞組發生變形，致使變壓器絕緣損壞，從而影響變壓器的安全運行。因此，當變壓器遭受近區短路故障、雷電和合閘沖擊，或經過長途運輸后，應開展繞組變形試驗。

當前變壓器繞組變形檢測工作中，頻率響應分析法（Frequency Response Analysis，FRA）簡稱頻響法，具有靈敏度高、綜合分析全面、應用廣泛的特點，但應用過程中對現場條件的要求也比較嚴格。

文獻［2］對繞組變形測試的頻響法理論進行了深入分析。文獻［3－5］從現場工作經驗出發詳細論述了應用頻響法測量變壓器繞組變形時的影響因素，但未對各類影響因素產生的機理進行理論分析。本文將從頻率響應分析法的基本理論出發，從理論角度對變壓器繞組殘余電荷的影響機理進行詳細分析。

1 頻響法基本原理

在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數構成的無源線性二端口網絡，其內部特性可通過傳遞函數H（jω）描述，如圖1所示。

圖1 頻響法原理圖

如果變壓器的繞組發生了變形，那么繞組內部的分布電感L、電容C等參數必然改變，導致等效網絡傳遞函數H（jω）的零點、極點發生變化，從而改變網絡的頻率響應特性。用頻響法檢測變壓器繞組變形，正是通過檢側變壓器各個繞組的幅頻響應特性，并對檢測結果進行縱向或橫向比較，根據幅頻響應特性的差異來判斷變壓器可能發生的繞組變形［1］。

變壓器繞組的幅頻響應特性曲線采用頻率掃描方式獲得。連續改變外施正弦波激勵源Us的頻率（角頻率ω＝2πf），測量在不同頻率下的響應端電壓U2和激勵源U1的信號幅值之比，即可獲得指定激勵端和響應端情況下繞組的幅頻響應曲線。

圖1中，L、C1及C2分別為繞組單位長度的分布電感、分布電容及對地分布電容，U1、U2分別為等效網絡的激勵端電壓和響應端電壓，Us為正弦波激勵信號源電壓，Rs為信號源輸出阻抗，R為匹配電阻。測得的幅頻響應曲線常用對數形式表示，即對電壓幅值進行如下處理：

式中，H（f）表示頻率為f時的傳遞函數的模｜H（jω）｜；U2（f）、U1（f）表示頻率為f時的響應端和激勵端電壓的峰值或有效值｜U2（jω）｜、｜U1（jω）｜。

2 殘余電荷對頻率響應的影響機理

用頻響法測量變壓器繞組變形的一個重要前提是變壓器繞組可以等效成一個無源的二端口網絡。此時，根據二端口網絡傳遞函數的性質可知一定滿足U2（f）＜U1（f），由于H（f）＝20log［U2（f）／U1（f）］，所以：

現場實際工作中，當變壓器剛停電或剛做完直流試驗項目后未進行充分放電時，在變壓器繞組中電容元件可能會帶有電荷，此時相當于變壓器繞組內部含有源元件，如圖2所示。

圖2 殘余電荷對頻響法的影響原理圖

在內部電容元件充有電荷的情況下應用繞組變形頻率響應分析法時，這些電容儲存的電荷會釋放出來，影響輸出函數U2（f），造成輸出結果的不確定性，會出現U2（f）≥U1（f）的情況，當U2（f）＞U1（f）時有 H（f）＞0，此時的繞組頻響曲線與不含電荷時相比將明顯抬高。

3 實例分析

某變電站發生主變跳閘事故后，檢修人員對變壓器進行繞組變形診斷試驗，在對低壓繞組進行測量后，試驗儀器給出的診斷結果是低壓繞組可能存在變形，頻率響應曲線如圖3所示。

對圖3進行仔細分析后發現，ab繞組的頻響曲線在中高頻后明顯上翹，其響應值明顯大于0。根據式（1）可知，在沒有干擾因素的情況下，由于U2（f）的幅值小于U1（f），H（f）應小于0，即整條頻率響應曲線應處于0刻度以下，圖中頻響曲線上翹超出0值極有可能是繞組內部具有殘余電荷所致。

圖3 未排除干擾前低壓繞組頻響曲線

放置一段時間并進行充分放電后，重新對該變壓器進行繞組變形測試，試驗儀器給出的測試結論為：低壓繞組未發生明顯變形，頻率響應曲線如圖4所示。

圖4 排除干擾后低壓繞組頻響曲線

從圖中可以看出，經過放置和充分放電后，低壓繞組頻率響應曲線全部處于0刻度以下，并具有較好的重合度，按照橫向比較方法可得出低壓繞組無明顯變形的結論。這證明了前面對于繞組殘余電荷對頻率響應結果影響推斷的正確性。

4 結語

（1）變壓器繞組殘存電荷時，殘余電荷對頻響曲線具有明顯影響，表現為抬高頻響曲線，使頻響曲線出現大于0的情況。

（2）在現場工作中，影響頻響曲線的因素很多，應多積累經驗，仔細甄別，去偽存真。

（3）用頻響法測量繞組變形，具有不能定量分析的缺陷，應結合其他如短路阻抗法、油色譜分析、電容量測試等相關手段進行綜合分析，避免以偏概全和誤判斷。

［1］DL／T911—2004 電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法［S］

［2］舒乃秋，武劍利，王曉琪．頻率響應分析法檢測電力變壓器繞組變形的理論研究［J］．變壓器，2005（10）：23～26

［3］曹小龍，胡春梅，曹小虎，等．變壓器頻率響應法測試結果的影響因素分析及改善［J］．高壓電器，2012（7）：81～87

［4］何平，文習山．變壓器繞組變形的頻率響應分析法綜述［J］．高電壓技術，2006（5）：37～41

［5］李晨，李強，孫昭昌，等．變壓器繞組變形的影響因素及出口短路后分析［J］．變壓器，2013（8）：66～70