多功能繞組變形檢測儀器的研發及其應用

摘要：傳統電力變壓器繞組變形檢測儀器往往采用單一測量方法，如單一的頻率響應法或低壓電抗法，功能比較少、繞組變形判據手段單一，容易導致繞組變形誤判、漏判等失誤。本文通過對一套多功能繞組變形檢測儀器的研發以及現場實際應用，為電力變壓器繞組變形狀態檢修提供了一種有效的檢測手段。

關鍵詞：繞組變形;頻率響應法;低壓電抗法;多功能

Abstract：Traditional winding deformation test instruments of power transformer generally use a single measurement method，such as a single Frequency Response Method or Low Voltage Reactance Method. They existing some problem，such as singleness function and winding deformation criteria single，and may cause inaccurate and omissive diagnosis. This article develops a set of multifunction winding deformation test instrument and applies it on site. It provides an effective test method for the test and maintenance of winding deformation status of power transformer.

Key Word：Winding deformation " Frequency Response Method " Low Voltage Reactance Method " Multifunction

引言

電力變壓器的安全穩定運行對于保證整個電網安全具有重要的意義。近些年來，由變壓器繞組變形直接或間接導致的變壓器損壞事故率居高不下，開展變壓器繞組變形檢測及其診斷方法的研究顯得非常有必要。

頻率響應法和低壓電抗法是目前國內最常用的兩種診斷繞組變形的方法。前者是通過檢測電力變壓器繞組的頻率響應特征曲線，通過分析相關系數大小以及比較波峰、波谷分布位置情況來進行繞組變形診斷分析的一種方法，檢測靈敏度高、重復性好、易于實施和判斷，目前已經在國內外電力系統中得到較為廣泛的應用。但同時該方法也存在現場測試易受電磁場的影響而使測試結果失真，無法定量描述繞組變形程度，通常需要原始記錄作為輔助對比分析否則容易出現誤判、漏判等明顯缺陷。后者是通過檢測變壓器繞組在工頻電壓下的短路阻抗值來判斷繞組是否變形，對某些變形類別比頻率響應法更敏感，有明確的標準可循，且每臺變壓器出廠時都有相應的銘牌值和原始測試值可供比較。由于該方法是采用單一的工頻頻率，易受干擾，敏感范圍存在局限性，且無法判斷繞組變形的位置和類型。

因此，頻率響應法和低壓電抗法已經形成互補之勢。為了準確檢測電力變壓器繞組變形，通常做法是分別使用一套頻響法檢測儀器和一套電抗法檢測儀器，進行兩次以上現場測試，這樣不僅直接增加了儀器的采購成本投入，也增加了工作人員的工作量，不方便現場繞組變形檢測工作的開展和實施。

1 開發方案

本文在分析、比較和總結現有繞組變形測試方法和檢測儀器優缺點的基礎上，通過研究頻率響應法和低壓電抗法的基本測試原理，并結合最新的電力電子技術和計算機算法，提出了一種多功能的電力變壓器繞組變形檢測儀器的開發方案。整個方案包括多功能電力變壓器繞組變形檢測儀器以及對應的測試分析軟件，如圖1所示：

圖1 開發方案簡圖

其中，高性能筆記本電腦上安裝有開發的專業的測試分析軟件，可實現變壓器銘牌管理以及繞組變形測試數據的處理、存儲以及圖形顯示、報表輸出等功能;多功能繞組變形檢測儀器進行繞組變形檢測的數據采集和初始計算，包括頻率響應特征和低壓電抗數據的采集、分析等，通過一款集成有頻率響應法和低壓電抗法測量功能的新型的繞組變形檢測儀器，可以實現電力變壓器繞組變形的有效檢測和診斷分析。

2 硬件設計

2.1 硬件結構

本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器的硬件結構框圖如圖2所示，儀器主要由供電模塊、通訊模塊、中央控制單元、頻響法測試單元以及電抗法測試單元等部分組成，核心結構是頻響法測試單元和電抗法測試單元。

其中：

供電電源模塊為通訊模塊、中央控制單元、頻響法測試單元、電抗法測試單元提供電能，確保各單元模塊的正常工作;

通訊模塊實現多功能繞組變形檢測儀器與高性能筆記本電腦的連接和通訊，確保各種測試指令和測試數據的正常傳輸;

中央控制單元包括計算模塊、邏輯控制模塊和程序存儲模塊，計算模塊用于測試所得頻率響應特征數據和電抗數據的分析計算;邏輯控制模塊用于控制測試指令的正確動作的正常工作;程序存儲模塊用于存儲外部寫入硬件的Verilog HDL語言程序。另外，邏輯控制模塊還可控制計算模塊和程序存儲模塊的正常運行;

頻響法測試單元包括信號發生模塊、波形處理和濾波模塊、功率放大模塊、信號調理模塊、數據轉換模塊、高速緩存模塊，主要用來實現對待測電力變壓器繞組變形的頻率響應法測試;

電抗法測試單元包括試驗電源輸入模塊、電流采集模塊、電壓采集模塊、信號調理模塊、數據轉換模塊、高速緩存模塊，主要用來實現對待測電力變壓器繞組變形的低壓電抗法測試。

2.2 頻率響應法檢測原理

在較高頻率電壓作用下，電力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雙端口網絡，其內部特性可通過傳遞函數 描述，如圖3所示。若繞組發生變形，繞組內部的分布電感、電容等參數必然改變，導致其等效網絡傳遞函數 的零點和極點發生變化，使網絡的頻率響應特性發生變化，從而可以判斷電力變壓器繞組是否發生變形以及變形的位置、程度等。

圖2 多功能繞組變形檢測儀器結構框圖

圖3 電力變壓器繞組等效二端網絡圖

頻率響應法是指在電力變壓器繞組的一端對地注入一個寬頻率范圍的掃頻信號，通常為1kHz～1000kHz，然后通過測量繞組另一端的響應信號，從而獲得電力變壓器繞組傳遞函數的頻率響應特性曲線。其測量基本原理如圖3所示，在繞組的一端輸入一個頻率不斷改變的激勵電壓信號 ，同時通過相應的電壓信號采集裝置采集施加在繞組上的激勵信號 以及繞組上的響應電壓信號 ，并按對應的公式進行計算、處理，最終得到被測變壓器繞組的傳遞函數 。

電力變壓器繞組等效二端網絡的傳遞函數表示公式如下：

由圖3電力變壓器繞組等效二端網絡圖可知，當頻率較低時，電感較小，容抗較大，電感起主要作用，等效電路呈現出感性;隨著頻率的增加，感抗變大，容抗變小，二者同時起作用;當頻率繼續增加時，電容起主要作用，繞組中電壓分布不均勻，頻譜圖實際上就是反映繞組在不同頻率下電壓分布不均勻的情況。當在某一頻率下會達到極端情況，即產生諧振，電壓會出現極不均勻分布，在頻響曲線上表現為波峰和波谷，波峰表示發生串聯諧振，波谷表示發生并聯諧振。據此，DL/T911-2004中將1kHz～1000kHz頻率段劃分為低頻段（1kHz～100kHz）、中頻段（100kHz～600kHz）、高頻段（600kHz～以上）三個，通過橫向和縱向比較頻響曲線的諧振點個數、位置、幅值、趨勢等來判斷響應特征曲線的相似度以及一致性，并用相關系數、均方差等特征值來定量表示響應特征曲線的相似程度。

2.3 低壓電抗法檢測原理

低壓電抗法是通過測量外加的工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏電抗等動穩定狀態參數，從而來反映電力變壓器繞組的變形情況，如繞組移位、匝間開路或短路等變形故障。當所施加的電壓頻率固定時，變壓器的漏電抗值是由繞組的幾何尺寸所決定的，變壓器繞組結構狀態的改變勢必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數值的改變。因此，可將短路阻抗的改變作為判斷被試變壓器繞組性能的一種有效手段，其測量原理如圖4所示。

圖4 低壓電抗法測量原理圖

短路阻抗 是指當負載阻抗為零時，電力變壓器內部的等值阻抗，包括短路電抗 ，就是繞組的漏電抗以及繞組電阻 兩部分。

短路阻抗值的計算公式如下所示：

在現場測試中，首先通常是在低電壓情況下進行電力變壓器繞組對的短路阻抗、漏電抗測量，并且通常將被測變壓器低壓側短路，高壓側施加外部試驗電壓，如單相AC220V或三相AC380V，由此可測試得到變壓器繞組對的短路阻抗值。然后，通過與變壓器銘牌值或歷史測試值之間的比較，包括縱比和橫比，可比較直觀地反映變壓器繞組間的相對變化情況。最后，在依據DL/1093導則規定的限值要求判斷變壓器的繞組變形情況，從而實現電力變壓器繞組運行狀態的判斷。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器的主程序流程圖如圖5所示：

圖5 "主程序流程圖

其中，儀器的主程序過程說明如下：

（1）上電，打開電源開關，儀器初始化，電源LED燈常亮，通訊LED燈亮一會后自動熄滅;

（2）打開高性能筆記本電腦，運行后臺測試分析軟件，單擊“連接儀器”按鈕，實現筆記本電腦與儀器的通訊聯機;

（3）在后臺測試分析軟件上選擇相應的菜單選項，輸入和編輯變壓器銘牌參數，進行變壓器參數管理;

（4）在后臺測試分析軟件上選擇繞組變形的測試方法，分別包括頻率響應法和低壓電抗法兩種，選定好測試方法后，發出相應的繞組變形測試指令;

（5）儀器接收后臺測試分析軟件發出的繞組變形測試指令，并根據指令的要求開始執行繞組變形測試，分別包括繞組的頻率響應法測試和低壓電抗法測試;

（6）在執行測試過程中，用戶可根據需要隨時中斷測試，儀器可實時偵測軟件是否發出中斷測試的指令。若儀器未接收到中斷測試指令，則繼續進行步驟（7）～（9），若儀器接收到中斷測試指令，則執行步驟（10），儀器中止測試，測試結束，并等待下一次測量;

（7）完成一相或一個繞組對的繞組變形測試（頻率響應測試或短路阻抗測試），將測試所得結果，如頻率響應特征曲線、短路阻抗值等，顯示在后臺測試分析軟件上;

（8）判斷各相繞組或各個繞組對是否全部完成繞組變形測試。若有未進行繞組變形測試的相或繞組對，則返回步驟（4），繼續進行繞組變形測試;若完成全部相和繞組對的繞組變形測試，則繼續進行步驟（9）;

（9）對全部相和（或）繞組對的繞組變形頻率響應和電抗測量結果進行統計分析，形成測試報告，用戶可根據需要，輸出相應的頻率響應測試報告和低壓電抗測試報告;

（10）統計分析完成后，結束測試，并等待下一次的繞組變形測試。

3.2 中斷子程序設計

本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器的中斷子程序流程圖如圖6所示：

圖6 "中斷子程序

其中，儀器的中斷子程序過程說明如下：

（1）儀器內部中斷采集子程序初始化，開始中斷采集;

（2）儀器讀取事先存儲在中斷寄存器中的程序信息;

（3）信息讀取完成后，發出中斷指令，同時進行判斷。若用戶單擊“中斷采集”按鈕，則代表發出中斷采集指令，此時，繼續進行步驟（3）～（6）;若用戶未單擊“中斷采集”按鈕，則代表未發出中斷采集指令，此時執行步驟（7），中斷返回;

（4）儀器接收中斷指令，并進行判斷是否接收。若接收，則繼續執行步驟（5）～（6）;若不接收，此時執行步驟（7），中斷返回;

（5）儀器接收中斷指令后，讀取數據，并接收緩存的信息;

（6）信號采集結束，中止采集;

（7）中斷過程結束，中斷返回。

4 應用案例

某變電站#2主變為特變電工股份有限公司新疆變壓器廠2007年1月份生產的三繞組電力變壓器，型號為SFPSZ9-H-180000/220，額定容量為180MVA，聯結方式為YNynyn，額定電壓為220kV/110kV/35kV。自2008年1月投入運行至今，還未有做過繞組變形測試。

為獲取該#2主變壓器繞組的信息，了解該主變三相繞組的運行狀況，同時也為了驗證本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器的有效性和實用性，特對#2主變的三相繞組進行現場繞組變形實際測試，并結合目前市場上廣泛應用的某繞組變形測試儀以及某單一短路阻抗測試儀的測量結果進行比較分析。現場測試所得部分結果說明如下：

使用多功能繞組變形檢測儀器對該#2主變壓器的高壓側繞組進行頻率響應法測試，所得頻率響應特征結果如下圖7所示：

圖7 "使用多功能繞組變形檢測儀器測試所得220kV高壓側頻率響應曲線

使用某繞組變形測試儀進行繞組變形頻率響應法測試，所得頻率響應特征結果如下圖8所示：

圖8 "使用某繞組變形測試儀測試所得220kV高壓側繞組的頻率響應曲線

表1 #2主變220kV高壓側頻率響應特征曲線的相關系數值

繞組類別 相關系數 1～100kHz

低頻段 100～600 kHz中頻段 600～1000 kHz高頻段 1～1000 kHz全頻段

多功能繞組變形檢測儀

220 kV高壓側 R21 2.889 2.122 0.509 1.076

R23 2.915 2.210 0.461 1.743

R31 2.782 2.821 0.926 1.172

某繞組變形測試儀

220 kV高壓側 R21 2.23 2.34 1.25 1.93

R23 2.09 2.38 0.74 1.23

R31 2.40 2.81 1.09 1.46

使用本多功能繞組變形檢測儀器和某短路阻抗測試儀對#2主變的高壓-中壓繞組對進行低壓電抗法測試，結果如下表3所示：

表3 #2主變高-中繞組對低壓電抗法測量結果

多功能繞組變形檢測儀

繞組對 銘牌值 AO BO CO ABC 橫比 縱比

高壓-中壓 13.29 13.2615 13.2031 13.2166 13.2490 0.442 -0.309

某短路阻抗測試儀

繞組對 銘牌值 A B C

高壓-中壓 13.29 13.283 13.276 13.271

單位：%

根據表3的測量結果分析可知，該#2主變高-中繞組對的短路阻抗值與銘牌值（額定第三分接檔）的縱比誤差lt;lt;±1.60%，三相之間最大相對誤差（橫比）lt;lt;±2.00%。按照DL/T1093-2008導則規定的要求，該繞組對的短路阻抗值的橫比誤差和縱比誤差均在要求注意值范圍之內。同時，根據該#2主變高壓側繞組的頻率響應特征曲線變化趨勢，可以看出頻率響應特征曲線的一致性在低、中頻段比較好，高頻段存在一定的差異，根據DL/T911-2004導則，并結合低壓電抗法測試結果，可以初步判斷：#2主變高壓側繞組未發生明顯變形，頻率響應特征曲線差異主要是由A、B、C三相繞組間的結構差異造成的。

另外，上述現場測試結果也可以看出，使用本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器與使用某繞組變形測試儀和某短路阻抗測試儀所得的測試結果基本一致，從而證明了本多功能繞組變形檢測儀器是確實有效的。同時，該多功能繞組變形檢測儀器一款設備即可實現普通繞組變形測試儀和短路阻抗測試儀兩款設備所具備的頻率響應法和低壓電抗法檢測功能，功能非常完善，現場測試攜帶非常方便，實用性良好。

結論

頻率響應法和低壓電抗法是目前診斷電力變壓器繞組運行狀態常用的兩種檢測方法。本文設計開發的多功能繞組變形檢測儀器有別于傳統單一檢測原理的繞組變形測量儀器，同時采用頻率響應法和低壓電抗法兩種測量原理，功能上更為完善，現場實用性更強，能夠有效避免傳統單一檢測方法儀器現場測試時所面臨的問題，具有較高的現場應用價值。

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作者簡介：

劉楠（1983—），男，大學本科，云南電網有限責任公司西雙版納供電局，工程師，西雙版納供電局局變管所副主任，主要負責版納局變電站檢修、運維等工作。