變壓器繞組與鐵心故障診斷技術

楊文睿，董鴻魁

(1.云南電網公司研究生科研工作站，昆明 650217;2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，昆明 650217)

0 前言

在變壓器故障中，鐵心故障和繞組故障是最為頻繁且嚴重的故障之一［1］，對變壓器繞組及鐵心故障進行研究，做到故障預警有重要意義。

1 故障診斷方法

1.1 離線法繞組檢測

離線法指在進行故障檢測時，變壓器需要退出運行。檢測變壓器繞組變形的主要方法有:短路試驗法，頻率響應法，低壓脈沖法等。

1.1.1 短路阻抗法

短路阻抗是當負載阻抗為零且負載電流為額定值時所測得的短路阻抗，相當于變壓器的內部等效阻抗。變壓器的短路阻抗由繞組的電阻和漏電抗構成，而漏電抗通常情況下大于繞組電阻。漏電抗是由漏磁通引起的，由橫向漏電抗和縱向漏電抗構成，一般情況下，橫向漏電抗比縱向漏電抗小得多。無論是橫向漏電抗還是縱向漏電抗，其電抗值都是由繞組的幾何尺寸及相互位置所決定的。也就是說，當外部工作參數一致的條件下，變壓器的短路阻抗是由繞組的結構所決定的。因此，通過測量電力變壓器的短路阻抗，并與正常時的阻抗進行比較，如果短路后測量的阻抗與正常時阻抗相比變化不大，則可認為繞組沒有變形，如果測試前后阻抗發生明顯變化，則表明繞組發生明顯變形［2］，測量繞組短路阻抗的方法是判斷繞組變形的傳統方法［3］。

1.1.2 頻響分析法

當變壓器繞組發生變形后，其等效網絡的相應部分參數也會發生改變，進而通過比較兩次測試的變化，就可能判斷變壓器繞組的狀態是否正常。實際采用頻響分析法進行測試時，首先將一穩定的正弦波掃頻信號施加到被試變壓器的一端，同時記錄該端和另一端的電壓幅值和相角，經處理可以得到被試變壓器的一組頻響曲線。通過對前后兩次響頻特性曲線進行對比即可判定變壓器繞組狀態［4］。

1.1.3 低壓脈沖法

低壓脈沖法測試原理與頻響分析法類似，不同之處是低壓脈沖法將頻響分析法中的掃頻信號發生器用低壓脈沖源替代。進行測試時首先將一穩定的低壓脈沖信號施加到被試變壓器的一端，同時記錄該端和另一端的響應信號。通過對前后兩次響應信號進行對比即可判定變壓器繞組狀態［5］。還提出了利用沖擊試驗進行絕緣診斷［6］。

1.2 在線法繞組檢測

上述方法對變壓器繞組狀態的檢測屬于離線檢測法，是一種故障發生后的被動防御模式，不能提早發現變形缺陷。且當于繞組形變不明顯時，例如繞組發生軸向壓緊力減小松動時，所測量的電氣參數并不發生變化，這些方法將不能進行判斷。隨著科學技術不斷發展，變壓器故障檢測也向著在線監測方向發展，這樣不僅避免不必要的檢修維護，且減少變壓器事故率，使電網能更安全可靠的運行。目前在線監測變壓器繞組狀況的主要方法有短路電抗在線測試法、傳遞函數法等。

1.2.1 短路電抗在線測試法

理論上講，短路電抗的在線測試可以通過測試電壓和電流來實現，其測試原理如圖1 所示。

根據辨識值與基準值的偏差量，參照國家標準和IEC 標準中關于電力變壓器短路耐受試驗前后的短路電抗的變化的規定，即可判斷繞組是否存在變形。通過短路電抗判斷繞組變形的靈敏度和可靠性，并研制了變壓器短路電抗在線測量系統［7－8］。

圖1 短路電抗的在線測試原理圖

1.2.2 傳遞函數法在線檢測

該方法是基于離線的傳遞函數法的思想，隨時監測運行中電力變壓器高壓側三個端子上的電壓和中性點對地電流，同時濾去信號中的50Hz等低頻分量;記錄分接開關位置和變壓器的溫度等有關信息。監測由于開關操作或者雷電沖擊引起的三個高壓端子上的暫態電壓和中性點的暫態電流，當另兩個端子上的電壓小于其中一個端子電壓的1/10 時，利用該端子的暫態電壓和流過中性點的暫態電流可以計算該端子的傳遞函數，與以前得到的該端的傳遞函數進行對比即可判定變壓器該相的繞組狀態。

1.3 鐵心故障檢測

現有的監測變壓器鐵心故障的方法都是判定運行的變壓器鐵心是否存在多點接地這種故障，通常采用油色譜分析和電氣測量兩種方法來檢測。

1.3.1 油樣氣相色譜分析

當變壓器發生故障時，為區分故障類型，可取油樣對油中含氣量及組份進行色譜分析。色譜分析中如發現氣體中的及烯烴組份含量較高，而和氣體含量和以往相比變化不大或含量正常，則說明鐵心過熱;色譜分析中如發現含有氣體，有可能是鐵心出現間歇性多點接地［9］。

1.3.2 測試絕緣電阻

停電后，將引到油箱外部的鐵心接地片和夾件接地片打開，用兆歐表分別測試鐵心和夾件對地絕緣電阻，如果鐵心對地的絕緣電阻為零，則表明鐵心有多點接地故障;如果夾件對地的絕緣電阻為零，則表明夾件有多點接地故障。

1.3.3 檢測鐵心故障方法

變壓器鐵心接地導線和外引的接地套管相連接，利用其外引接地套管，接入電流表，測量地線上有無電流。變壓器正常接地時，因無電流回路形成，地線上電流很小或等于零;當鐵心出現多點接地時，鐵心主磁通周圍有短路匝存在，匝內將有環流流通，其環流的大小取決于磁通被包圍的多少，一般可達幾十安培。測量地線中有無電流，可很準確地判斷鐵心有無多點接地故障［10］。

2 鐵心故障診斷方法

上文中提到的離線法檢測繞組形變雖然可行，但是需要將變壓器退出運行，試驗進行起來不夠經濟方便，在線監測法測繞組形變則需要在變壓器運行情況下接入電氣量，試驗進行有安全隱患，且不能保障對電力系統沒有影響。當繞組有形變隱患，緊固螺母和鐵壓釘有松時油中總烴及各組分含量常保持正常，因此油色譜分析等方法不能反映類似的機械結構缺陷的問題。而振動法是通過測量分析油箱表面的振動來預測繞組鐵心故障的方法，監測時設備與整個電力系統沒有電氣連接，對整個電力系統的正常運行無任何影響，可以安全、可靠地達到在線監測的目的。而且振動法不僅僅可以檢測出短路引起的繞組變形故障，還可檢測出鐵心、夾件和其余結構件的松動故障。因此，基于振動法的變壓器繞組和鐵心的故障診斷方法是對傳統變壓器故障診斷方法的補充和完善，有很大的研究價值。當電力變壓器處于穩定運行時，硅鋼片的磁致伸縮引起了鐵心振動，繞組在負載電流的電場力作用下產生振動。繞組及鐵心的振動通過變壓器器身和油傳遞到變壓器的油箱，引起油箱的振動。因此變壓器油箱表面的振動與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態密切相關。

要通過振動信號判斷繞組和鐵心的運行狀態，首先要將繞組和鐵心對應的特征信號分離出來。變壓器勵磁電流在鐵心中產生的主磁通在空載、負載變化時大小基本保持不變，因此鐵心的振動在空載、負載及負載變化時也基本不變。當變壓器在空載條件下運行時，負載電流為零，沒有電場力的作用，因此繞組振動可以忽略不計，此時的振動可以看做是由變壓器鐵心振動引起。所以在剔除風扇、油泵的振動信號后，變壓器空載運行條件下所測得的振動信號即是變壓器的鐵心振動信號。

而當變壓器在負載情況下的振動信號是由鐵心、繞組振動及風扇、油泵等冷卻裝置共同振動信號的疊加。在小于100Hz 范圍內，集中的是由冷卻系統引起的振動，因此可以較容易的將冷卻系統振動從中剔除。而在變壓器空載運行條件下可以測得鐵心振動信號，因此從負載情況下得到的振動信號中剔除冷卻系統振動信號和鐵心振動信號，即可得到變壓器繞組振動信號［11］。當取得繞組和鐵心的振動特征信號后，通過分析其幅值是否大于正常閾值即可判定鐵心、繞組是否發生故障。

對振動分析法在變壓器鐵心松動、繞組變形狀態監測技術方面作了大量的研究，取得了很多的研究成果［12］。汲勝昌教授還引入小波包分析提取變壓器箱壁的振動信號的特征信息［13］。上海交通大學的謝岸坡等從動力學建模入手，建立了較完善的繞組和鐵心分析模型，通過深入的理論分析和試驗研究，找出變壓器不同運行狀況時在預緊力的作用下繞組和箱體的振動特征［14］。

3 結束語

對比發現振動法檢測繞組、鐵心狀況可以避免很多問題，綜合考慮下來是比較經濟安全的檢測方法，目前對變壓器振動的研究已經有很多，但是還面臨很多問題。

1)通過振動特征信號對變壓器繞組及鐵心進行故障判斷需要知道變壓器原始的鐵心及繞組振動數據，且不同型號類型的變壓器原始數據也不相同，這方面數據收集存在困難。

2)用振動法進行故障診斷時，故障閾值的設定沒有統一標準，需要大量數據來研究設定報警閾值。

3)其它電氣量對特征信號的影響及消除，例如直流偏磁對電力變壓器振動特性號的影響。

4)目前對變壓器振動檢測法已有大量的研究，但是大部分還停留在理論研究階段，基本上沒有實際應用的推廣。

5)目前研究的基于振動法的檢測設備大都是短時記錄的，不能連續長期的對變壓器進行振動監測，如果能長期進行振動監測，則通過分析數據可以更清楚直觀的反映變壓器運行狀態。

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