電力變壓器繞組徑向變形的研究

邢雨晴 江玲 陳巖松 邢維彥

摘要：為實現電力變壓器繞組發生徑向變形時的變形程度的診斷，利用有限元分析法和多導體傳輸線理論模型構造正常及變形繞組的頻率響應特性曲線。通過建立變壓器繞組的二維模型，運用有限元軟件Ansys maxwell仿真出正常及變形繞組的電感和電容參數；再依據多導體傳輸線模型得到繞組的幅頻特性曲線。最后，選取分頻率下各變形形式繞組與正常繞組間的歐氏距離的取值及變化趨勢作為判斷依據，實現了繞組徑向變形的變形程度的診斷。

關鍵詞：有限元法；徑向變形；歐氏距離

電力變壓器運行的可靠性對保障電力系統安全穩定運行具有重要意義[12]。目前，電力變壓器繞組變形缺陷的檢測主要依靠離線檢測技術，主要有短路阻抗法[3]、低壓脈沖法[4]、頻率響應分析法和掃頻短路阻抗法[5]等。徑向變形是繞組變形的常見形式。目前，將頻響法用于繞組變形的診斷時，主要是對繞組的幅頻響應特性進行縱向或橫向比較，以相關系數定義繞組的變形程度[6]，這種判別方法較為籠統。

本文運用有限元法仿真出正常及變形繞組的電感和電容參數，由多導體理論模型得到繞組的傳遞函數，并作出幅頻響應特性曲線，以分頻率下的歐式距離作為數值指標實現了繞組徑向變形程度的診斷。

1 繞組頻響曲線的獲取和仿真分析

在較高頻率的電壓作用下，變壓器繞組可視為一個無源線性雙口網絡[6]。當繞組變形，則繞組的結構變化必然改變網絡內部的分布電感、電容等參數，從而導致傳遞函數的零點和極點發生變化，頻率響應特性發生變化。本文運用有限元軟件ANSYS Maxwell[7]，建立正常及各種變形形式繞組的二維模型，分別得到變壓器每匝繞組間單位長度的電容和電感參數，并作出繞組的幅頻響應特性曲線。

本文采用ANSYS Maxwell軟件進行仿真，選取電力變壓器的型號為 SF1040000/110，連續式繞組，共540匝。將繞組從上到下等分為三部分上部，中部，下部。

對每一種變形部位，定義左移變形量為4mm，8mm，12mm，16mm的變形程度分別為Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級。對于每種變形部位的每種變形程度等級，按照繞組頻響曲線的獲取方法所述，分別計算得到頻帶范圍為1kHz1MHz內的1000個均勻頻率點下的幅頻值，并擬合出幅頻響應曲線。

2 繞組頻響曲線的數值指標分析

在得到變壓器繞組的幅頻響應曲線后，即可進一步通過建立數值指標以實現繞組變形位置及變形程度的診斷。本文選取分頻率下的歐氏距離作為數值指標。

兩條曲線X和Y之間的歐式距離的計算公式為：

ED=‖X-Y‖=∑Ni=1（Y（i）-X（i））2

其中，N表示曲線上所選取的點數。

將頻率范圍1kHz1MHz等分為10份，定義為ED1ED10。以上部變形為例，各變形程度等級和各頻率范圍的歐氏距離取值及其變化趨勢如下圖所示。

上部變形時各頻率范圍的歐氏距離值圖

對各種變形情況下各頻率范圍的歐氏距離值的分布進行分析，可得：

（1）當發生中部變形時，ED1的值始終大于60，且在ED1ED4的范圍內，增減幅異常明顯，據此可判別變形類型是否為中部變形。

（2）在ED8ED10的頻率范圍內，若歐氏距離值呈單調增加趨勢，則繞組變形類型可能為上部變形或中部變形（Ⅰ，Ⅱ級）；若歐氏距離值呈先增后減趨勢，則繞組變形類型可能為下部變形或中部變形（Ⅲ，Ⅳ級）。

3 結論

采用有限元分析方法和多導體傳輸線模型和得到繞組變形的頻響曲線。分段頻率下各變形形式繞組與正常繞組間歐氏距離ED1ED10的取值范圍及變化趨勢實現了繞組徑向變形時變形程度的判別。

參考文獻：

[1]孫翔，何文林，詹江楊，鄭一鳴，劉浩軍，周建平.電力變壓器繞組變形檢測與診斷技術的現狀與發展[J].高電壓技術，2016，42（04）：12071220.

[2]姚陳果，趙仲勇，李成祥，陳曉晗，李昭炯.基于暫態過電壓特性的電力變壓器繞組變形故障在線檢測[J].高電壓技術，2015，41（03）：873880.

[3]王雄博，劉文里，李航，宗榜馗，唐宇.基于MagNet的短路阻抗法分析變壓器繞組變形的仿真研究[J].變壓器，2016，53（11）：2428.

[4]王鈺，徐大可，李彥明，張成良.檢測變壓器繞組變形的低壓脈沖法測試系統研究[J].高電壓技術，1998，（03）：2427+34.

[5]劉有為，鞠登峰，畢建剛，等.掃頻短路阻抗法診斷變壓器繞組變形的研究[C].2009年度電力行業高壓測試及電氣測量技術研討會論文集.北京：中國電機工程學會，2009：2834.

[6]DL/T 9112004，電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法[S].2004.

[7]S N Hettiwatte，Z D Wang，P A Crossley，et al.An electric partial discharge location method applied to a continuousdisc type of transformer winding[C].Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials， 2003.471474 .