脈沖頻率響應法檢測繞組故障仿真分析

鄭 國

(四川水利職業技術學院， 四川 都江堰 611830)

脈沖頻率響應法檢測繞組故障仿真分析

鄭 國

(四川水利職業技術學院， 四川 都江堰 611830)

變壓器故障中比較常見的一種現象為繞組變形，該故障影響惡劣。檢測變壓器故障類型或者繞組的變形程度，對于故障的發展、繞組變形進一步惡化，保障電網的安全穩定運行具有深遠意義。總結了繞組變形檢測的常用方法，并提出了一種利用方波脈沖作為注入信號，檢測繞組故障的新思路。并通過PSPICE仿真試驗，驗證了該方法的有效性。通過對比正弦掃頻信號、雙指數波信號和方波信號，理論分析方波脈沖信號具有檢測頻率寬，幅值高，操作簡單等優點，得出其更適宜作為檢測繞組變形的注入信號；在PSPICE中建立繞組的高頻等效模型，通過改變繞組等效模型中對地電容和縱向電容，觀察故障前后繞組的頻響曲線，驗證方波脈沖檢測繞組變形的有效性。研究結果可對變壓器故障檢測方法提供參考。

脈沖信號; 變壓器繞組; 頻率響應

0 引 言

隨著我國電力行業的發展，電力系統的規模不斷擴大，變壓器的容量也隨之提高。變壓器作為電力輸送樞紐，其一旦發生故障，將對國民經濟造成不可估量的損失[1]。但是變壓器工作環境復雜，故障類型多樣。因此必須采用各種分析、監測手段，提前預防事故的發生，保障變壓器的安全運行。

根據有關資料顯示[2]，變壓器短路故障往往會對繞組造成不同程度的損壞，如軸向變形或者輻向變形，甚至造成器身移位和繞組斷股。究其原因是變壓器在長時間運行過程中自身機械強度下降，絕緣性能老化，容易引起短路故障。短路故障產生的電動力進一步惡化了變壓器機械強度，引起繞組的輕微變形，導致絕緣局部受損，產生局部放電進一步使絕緣性能惡化。因此，研究變壓器繞組狀態檢測具有十分重要意義。

低壓脈沖法是最早的變壓器繞組檢測方法之一，若變壓器繞組發生變形，等效的RLC參數就會相應地發生變化，其脈沖響應信號也隨之改變。其被列入IEEE標準中，但其缺點是重復性差[3]，對首端響應靈敏度差[4]。目前頻率響應分析法應用較為廣泛[5]。在高頻區域，變壓器繞組可以被看作一個由RLC組成的無源二端口網絡。

頻率響應法相對于低壓脈沖法，其操作簡單，可靠，重復性好，靈敏度高[4]。但是頻率響應法也有一定的缺點：檢測頻率不高，而繞組的輕微變形的信息往往存在于高頻。其次，傳統的頻率響應法只能離線檢測變壓器繞組故障，不確定因素較多。此外還有繞組變形的超聲波檢測法[6]，其利用超聲波測距的原理檢測繞組變形，當變壓器繞組發生故障之后，則超聲波經過的距離發生改變，由此可判定變壓器繞組故障類型和故障位置[7]。該方法操作簡便，原理簡單，測量精確，重復性較好。但當變壓器處于有油和無油狀態下，測量結果差異較大，不能有效判定繞組狀態，且易受油溫的影響[8]。

繞組故障的分析判別方法主要基于頻率響應曲線。通過對比故障前后的頻響曲線的差異，判別繞組故障類型和故障位置。大致可以分為兩類，① 橫向對比，對比同廠商同批次變壓器繞組的頻響曲線。② 縱向對比，對比變壓器繞組在不同時期的頻率響應曲線[9-10]。

在實驗室中，為了更加全面地分析數據，通常對頻響曲線中每一個諧振點都進行分析計算，比較前后頻響曲線中諧振點頻率和幅值的偏移。設故障前繞組在諧振點A處的頻率為f1，幅值為M1，故障后繞組在A處的頻率為f2，幅值為M2。其中頻率的變化量Δf=f2-f1,幅值的變化量ΔM=M2-M1。若Δf<0，則表示繞組發生故障之后，諧振點A處的頻率向右偏移，反之則向左偏移。若ΔM>0，則表示繞組發生故障后，諧振點A處的幅值向上偏移，反之則向下偏移。通過對比每一個諧振點頻率和幅值的變化量，即可判斷頻響曲線的差異。

基于該原理，以及考慮現有的繞組檢測方法的局限性，本文首先理論分析了注入信號波形對繞組故障檢測的影響，繼而利用PSPICE建立繞組高頻等效模型，仿真分析方波脈沖的頻譜。為了模擬典型繞組故障，分別改變其對地電容和縱向電容。理論分析及仿真結果均表明，利用方波脈沖能有效檢測繞組的微小故障，且靈敏度較好。研究結果可對變壓器故障檢測方法提供一定的參考。

1 注入信號波形理論分析

不同類型的信號源，對于檢測繞組變形的有效性不同。信號源選擇的第一要素就是方便，需選擇實驗室或現場容易產生的波形，常見的波形有雙指數波，正弦掃頻信號，方波脈沖等。本文對這幾種不同類型的信號源進行理論分析，選擇最優信號源。

1.1正弦掃頻信號

傳統的頻率響應分析法采用正弦掃頻信號作為激勵信號源，正弦掃頻信號可以輸出穩態正弦波信號，而且正弦波的頻率在一定時間內可以不斷變化。但是，傳統的頻率響應法使用的掃頻信號有很大的局限性。

首先，一般的正弦掃頻信號是由商用網絡分析儀產生，其價格昂貴，而且正弦波的幅值很低，最高也只能達到25 V[9]。而在變電站中，電磁信號強烈，電磁干擾嚴重，若采用幅值最高25 V的正弦掃頻信號作為激勵源，其激勵信號很容易被電磁信號所掩蓋。

其次，傳統的頻響法需要間歇注入多種頻率的正弦穩態信號，其檢測周期長。而且檢測頻率較低，根據電力行業標準，頻響法注入正弦波頻率最高為1 MHz。而研究表明，繞組輕微變形的信息更多地集中在高頻段，在高頻段更容易檢測到變壓器繞組的微小變形。

變壓器繞組也可以等效為傳輸線。繞組變形等效為輸電線路上的間斷點或者是線路上阻抗的變化。阻抗的變化量取決于線路變化的長度，輸電線路的波長越短，就更容易檢測到繞組微小的變化[10-11]。例如，60 Hz時，1/4波長為1 250 km；1 MHz對應的1/4波長為75 m；而在10 MHz時，1/4波長只有7.5 m。顯然，頻率越高，靈敏度越高。在1 MHz以下，繞組松動和微小偏移并不容易被發現。在1～3 MHz之間繞組變形可以被檢測到，但是對實驗裝置有嚴格的要求。

綜上所述，產生正弦掃頻信號的儀器價格昂貴，信號幅值低，檢測頻率低，周期長，忽略了繞組輕微變形在高頻的諧振信息，因此其不適宜作為繞組故障檢測的注入信號。

1.2雙指數波

雙指數波在實驗室中容易產生，而且應用廣泛。下面就雙指數波應用于變壓器繞組故障檢測的有效性進行研究分析。雙指數波通常由二階零輸入響應電路(見圖1)產生：

圖1 二階零輸入響應電路

(1)

(2)

(3)

由上式可知，當電阻R發生變化時，對應的P1和P2也將改變。進而引起雙指數波的波形參數發生變化。因此，如果采用雙指數波檢測繞組變形故障，不同繞組的電阻值不同，則在繞組上就會產生波形參數不同的雙指數波，簡而言之，雙指數波易受負載電阻的影響，導致檢測有效性降低。綜上所述，雙指數波不適宜作為繞組變形檢測的注入信號。

1.3方波脈沖

在實驗室中可以產生不同波形參數的方波脈沖，方波脈沖在很多高新技術領域都有廣泛的應用[13-14]。理想的方波脈沖只有脈沖寬度和幅值這兩個波形參數，然而，實際的方波脈沖還應包括前沿上升時間和后沿時間參數等。采用方波脈沖作為變壓器故障檢測的注入脈沖有多方面的優勢。

相對于正弦掃頻信號，方波脈沖的頻譜很寬。而正弦掃頻信號需要重復輸入多個頻率的正弦波，其檢測周期長。并且方波脈沖的幅值很容易提高，而正弦掃頻信號的幅值較小，容易受到電磁干擾的影響。相比于雙指數波信號，方波脈沖發生器的內部電容值較大，不容易受到負載阻值的影響，然而雙指數波信號易受繞組電阻的影響。對比可得，采用方波脈沖更適宜變壓器繞組故障檢測。

2 脈沖信號應用于繞組故障檢測的仿真分析

2.1仿真的基本設置及繞組參數

繞組的頻率響應曲線在高頻區域含有更為豐富的信息，在高頻區域，更易檢測到繞組的輕微變形。而且，脈沖信號的電壓波形經過傅立葉變換后，其主頻通常為數十MHz。所以，建立繞組的高頻等效模型就尤為重要。文獻[15]中提出了多種變壓器繞組的等效模型，主要分為兩大類，一類是黑盒模型或者端口模型，另一類是物理模型。端口模型主要采用數學方程的形式描述變壓器的端口傳輸特性，與變壓器的內部狀況和物理特性沒有任何聯系。而物理模型卻對變壓器的每個部分都進行詳細地仿真分析，此類模型主要采用RLC等效網絡參數。在繞組的高頻檢測中，仿真模型越詳細越好，文獻[15]中提出的變壓器繞組通用模型，可在不知道變壓器具體參數的前提下，研究繞組在高頻段的輕微變形。因此，本文通過文獻[15]中提出的繞組模型，建立了PSPICE軟件仿真電路，仿真了脈沖信號檢測繞組變形的效果。

圖2所示為繞組高頻等效模型。模型將繞組分成很多相同的單元，單元個數由變壓器的真實情況和程序的運算能力共同決定。采用R、L、C等效電路模擬變壓器繞組。電路中的每一單元包括對地電容(Cg)，串聯電容(Cs)，串聯電感(L)和電阻(R)。在本模型中，使用50個單元來模擬多匝的變壓器繞組。L表示線圈導線電感，Cg表示繞組和大地之間的電容，Cs表示匝間電容，R表示繞組電阻。并聯電阻(Rg)表示繞組和外殼間的介質損耗，與Cs并聯的電阻(Rs)表示匝間的介質損耗。

圖2 繞組高頻等效模型

2.2繞組縱向電容變化后的仿真分析

在變壓器的實際運行過程中，繞組可能發生各種各樣的故障。繞組的絕緣損壞和軸向偏移都會引起縱向電容的變化。本文仿真研究繞組縱向電容變化后，方波脈沖檢測的靈敏度。其中方波脈沖的幅值設為500 V，脈沖寬度設為500 ns，前沿上升時間為20 ns。在本次仿真中，選取第三匝繞組，使其縱向電容由原來的5.1 pF下降為5 pF和4.8 pF，減小量分別為2%和5%，來模擬繞組縱向故障。當仿真的縱向電容變化量不大時，方波脈沖檢測到靈敏度。

仿真結果如圖3所示。圖中重點分析差異較大的3個諧振點，諧振頻率為5.04、5.76和7.64 MHz處的諧振導納幅值如表1所示。

從表1數據中可以看出，當縱向電容發生微小的變化時，其諧振點的諧振頻率基本不發生變化。只有在電容變化量為5%時，在5.04 MHz的諧振點處，諧振頻率向高頻方向偏移了40 kHz。但是，縱向電容的變化對幅值影響很大。在5.04 MHz的諧振頻率處，當電容量減小2%時，其導納幅值比健康繞組的導納幅值增加了0.196，較健康繞組的導納幅值增加了4%。當電容量減小了5%時，其導納幅值急劇增加，較健康繞組導納幅值增加了20%。同樣，在7.64 MHz的諧振頻率處，當電容量減小5%時，其導納幅值較健康繞組增加了160%。

圖3 繞組縱向電電容變化后的頻響曲線

表1 繞組縱向電容變化前后，諧振點幅值和頻率的變化量

綜上所述，當繞組的縱向電容發生微小變化時，其故障前后頻響曲線處諧振點的諧振頻率變化不大，但是其導納幅值卻發生了顯著的變化，遠遠大于電容量的變化率。因此，采用方波脈沖檢測繞組縱向電容變化的靈敏度較高。

2.3繞組對地電容變化后的仿真分析

繞組整體發生機械位移，往往會導致對地電容發生變化。本文改變繞組的對地電容，研究方波脈沖檢測的靈敏性。在高頻仿真模型中，繞組的對地電容值均為0.12pF。在繞組仿真模型中部，取其中一匝繞組，將其對地電容值分別減小2%和5%，以模擬繞組的機械位移。脈沖的參數不變，仿真結果如圖4所示。

同樣，僅針對第3、4、5個諧振點進行分析。取故障前后的諧振點的頻率和導納幅值，如表2所示。

由表2可見，當繞組對地電容發生微小變化時，頻響曲線上諧振點的諧振頻率基本不發生偏移。只有在7.64 MHz的諧振頻率處，當對地電容變化量為5%時，其諧振頻率才向高頻方向偏移了40 kHz。在5.76 MHz的諧振頻率處，當對地電容減小2%時，其導納幅值較健康繞組減小了19%，當對地電容減小5%時，其導納幅值較健康繞組減小了22%。因此，對地電容變化前后，頻響曲線上導納幅值的變化量遠大于對地電容的變化量。綜上所述，當繞組故障導致對地電容變化時，方波脈沖檢測的靈敏度較高。

圖4 對地電容變化后的頻響曲線

表2 繞組對地電容變化前后，諧振點幅值和頻率的變化量

3 結 語

(1) 相對于正弦掃頻信號，方波脈沖的頻譜很寬；相比于雙指數波信號，方波脈沖發生器的內部電容值較大，不容易受到負載阻值的影響。采用方波脈沖更適宜變壓器繞組故障檢測。

(2) 對于繞組縱向電容發生的微小變化，在5.04 MHz的諧振頻率處，當電容量減小2%時，其導納幅值比健康繞組的導納幅值增加了4%，當電容量減小了5%時，其導納幅值急劇增加，較健康繞組導納幅值增加了20%。故障前后頻響曲線處諧振點的諧振頻率變化不大，但是其導納幅值卻發生了顯著的變化，遠遠大于電容量的變化率。采用方波脈沖檢測繞組縱向電容變化的靈敏度較高。

(3) 對于繞組對地電容發生的微小變化，在5.76 MHz的諧振頻率處，當對地電容減小2%時，其導納幅值較健康繞組減小了19%，當對地電容減小5%時，其導納幅值較健康繞組減小了22%。對地電容變化前后，頻響曲線上導納幅值的變化量遠大于對地電容的變化量，表明方波脈沖檢測的靈敏度較高。

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Simulation Analysis on the Feasibility of Transformers Winding Fault Detection Based on Impulse Signal Wave Response

ZHENGGuo

(Sichuan Water Conservancy Vocational College,Dujianyyan 611830,Sichuan,China)

Winding deformation is one of the most common types of transformer faults.It is important to detect the fault type and the degree of deformation in time,and to prevent the further deterioration of deformation and to ensure the stable operation of the transformer.This paper summarizes the common methods of winding deformation detection,and puts forward a new way to detect the faults by using the square wave pulse as the injection signal.And through PSPICE simulation and field test,the effectiveness of the method is verified.The main content of the paper is as follows: by contrasting sine sweep frequency signal and double exponential wave and square wave signal,it finds that square wave signal has the advantages of wide detection frequency,high amplitude,easy operation,and is more suitable to use the injected signal for detecting winding deformation; then the high frequency equivalent model of winding is established in PSPICE,and by changing the series capacitance and the ground capacitance,it is proved that the square pulse is effective on detecting the slight deformation.Research results can provide certain references for the measurements of transformer faults detection.

impulse; transformers winding; impulse response

2016-10-18

鄭 國(1972-)，男，四川都江堰人，講師，主要研究方向：水利水電動力工程，機電設備運行穩定性及電能質量分析等。

Tel.: 15982862868；E-mail： 1047820951@qq.com

TP 391.2

：A

：1006-7167(2017)07-0151-05