電力變壓器繞組狀態(tài)檢測技術應用現(xiàn)狀

楊強令

（山西大同大學 物理與電子科學學院，山西 大同 037000）

0 引 言

電力系統(tǒng)的電氣設備中，電力變壓器極為重要，電力變壓器穩(wěn)定運行決定著安全、可靠的供電[1]。目前，由于國內的電力行業(yè)發(fā)展迅猛，電網容量不斷增加，對超高壓和特高壓電力系統(tǒng)的需求量逐漸提高。由于建立了容量大、區(qū)域大的互聯(lián)和西點東送等復雜系統(tǒng)，因此對我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠運行提出了更高的標準。

1 電力電網中變壓器的作用

1.1 變壓器功能

1.1.1 使用變壓器控制輸出電壓

電器設備正常工作時的電壓是電器的額定電壓值，也是電器允許的最大電壓。因為設備或者設備的型號不同，所以具有不同的額定電壓值，為了保證設備正常運行，往往需要使用變壓器控制輸出電壓，其主要通過變壓器內部原副線圈的匝數比實現(xiàn)[2]。

1.1.2 利用變壓器原理設計互感器

眾所周知，電流電壓表在測量交流電壓或者電流時均具有一定的測量范圍，不允許直接接觸大電壓或者強電流，為了便于測量，往往采用變壓器調整高電壓或者強電流，使其達到測量范圍內，這種變壓器就叫做互感器。舉例來說，就是將變壓器的原線圈與被測電路串接，將副線圈接入儀表內部進行測量。

1.1.3 運用變壓器高壓輸電

發(fā)電廠在輸送發(fā)電機的電能時，一般采用高壓輸送的形式傳輸電能，其主要利用變壓器對發(fā)電機產生的電能進行先升壓再傳輸的方式。采用這種方式原因是當輸電功率相同時，若傳輸電壓較高，則電流較小。采用這種方式可以最大程度減小電流，進而減少電流熱損耗和遠距離傳輸成本。

1.2 變壓器故障對電網的影響

一般可將變壓器的故障按內外的形式進性劃分，變壓器內部故障就是油箱內部[3]，主要為變壓器的內部鐵芯燒毀、匝間短路、線圈的層發(fā)生相間短路以及接地短路等。對變壓器來說，如果發(fā)生上述故障，極易產生電弧，導致絕緣物質氣化，進而引起爆炸。因此，當發(fā)生內部故障時，應及時進行切斷處理。相對來說，油箱外部即為外部故障，主要為引出的線路與絕緣套管發(fā)生相間與接地短路，極易造成繞組、鐵芯等產生形變，從而影響性能。

1.2.1 變壓器的內部故障及危害

變壓器內部發(fā)生的主要故障為匝間短路、相間短路和單相接地。其中：匝間短路指內部單項繞組的各匝之間產生短路現(xiàn)象；相間短路指發(fā)生在各相繞組之間的短路；單相接地發(fā)生在引出線與外殼或單相繞組之間。由于變壓器產生內部故障時會出現(xiàn)較高的短路電流，其具有較高溫度的電弧，能夠分解變壓器中的油與絕緣材料生成大量熱氣，促使變壓器外形產生形變。同時，由于高溫會導致內部繞組和鐵芯等被燒毀，甚至造成變壓器產生爆炸。因此，當發(fā)現(xiàn)故障時，應及時進行切除處理。

1.2.2 變壓器外部的故障及危害

變壓器油箱以外為外部故障，指引出線和絕緣套管發(fā)生的故障。變壓器的外部故障一般為兩種：一為相間短路，指引出線之間產生的短路現(xiàn)象；二為單相接地短路，指絕緣管網絡被破壞而產生的故障。變壓器外部故障會導致低高壓繞組、鐵芯、夾件等發(fā)生形變。

2 繞組變形檢測研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的變壓器繞組變形檢測中，頻率響應法是靈敏度較高的方法，并且具有現(xiàn)場使用方便的特點，具有廣泛的應用價值，是檢測繞組變形的主要方式。目前，研究頻率響應方法主要通過參數模型、測試數據等方式實時、精準監(jiān)測頻響應，已有文獻指出，可以通過在線的形式分析線性信號，進而在線監(jiān)測繞組的形變狀態(tài)。

2.1 頻響法檢測研究

若系統(tǒng)在較高的電壓頻率狀態(tài)下，可將變壓器的繞組比作具有分布線性的電阻、電感、電容等構成的雙口無源線性網絡。當繞組發(fā)生任何物理變化時，電感和電壓的特性會產生波動，引起內部網絡中電感和電容的分布參數發(fā)生變化，使傳遞函數原本的極點和零點偏離，導致頻率響應特性產生變化[4]。事實上，離線短路電抗法遠低于離線頻率響應法，頻率響應法更加可靠、準確、靈敏。由于現(xiàn)有設備均使用離線短路的方法，因此無法直接繼承頻率響應法的優(yōu)點。研究發(fā)現(xiàn)，變壓器的繞組具有工程特性，可繼承離線算法的成果。因此，有必要充分吸納繞組發(fā)生變行狀態(tài)的在線資源，有效解決實際工程難題，為理論問題的攻克提供依據。

變壓器繞組的故障可以通過參數的形式體現(xiàn)出來，將繞組類比于由電感、電阻、電容構成的無源網絡，等效的無源分布參數網絡在此不做展現(xiàn)；將每匝和每一個線圈比作一個單位建立的n級分布參數網絡；將各級電路比作電感、縱向電容（匝間電感或匝間電容）、對地電容。為了確保模型數據更加可靠，上下邊緣的參數與其他參數不同，且不均勻分布。Ri表示繞組每匝所具有的電阻數值，Li為繞組每匝電感或每餅電感，Ki為縱向電容，Cgi為繞組對地電容。如圖1所示，按上述模型可設繞組的軸線長度為L，其他參數可用繞組投運前和檢修后的數據作為參考。

圖1 繞組的平面簡化圖

系統(tǒng)的函數中，x軸作為繞組軸線，將零點作為繞組軸線的中心位置。當距離軸線的中心位置為aL h(a＜1/2，設為調節(jié)系數)時，用Lc、Kc、Cgc表示繞組單元；當相反時，使用如下函數進行表示：

由式（1）可知，函數中i為繞組單元的序號，可通過調整a的數值與函數，將模型與繞組測量端的電壓與電流進行對應，但模型的各個參數應相等或小于實際電感電容值。

2.2 振動帶電檢測法

振動分析法指從機械動力學原理的角度出發(fā)，分析繞組的振動信號，有效監(jiān)測、確定繞組狀態(tài)，這種方式最早由俄羅斯的研究者在變壓器現(xiàn)場使用，之后逐漸引起國內外研究者進行探究。現(xiàn)今數據表明，相比于頻率響應方法、短路電抗法來說，使用振動分析法可以更加便捷、快速發(fā)現(xiàn)繞組松動或變形的故障，具有很好的應用價值，但對實際工程來說，這項技術的推廣價值較小。

大多數繞組發(fā)生振動現(xiàn)象是由于漏感和線圈中相互作用的電流力造成，一般可以將繞組發(fā)生的漏磁分為縱向和橫向兩種形式。由圖2可知，橫向張力Fr為繞組中軸向漏磁，同理軸向壓為Fb；Fr使繞組受到力相互作用，使外部的繞組受力向外，內部的繞組受力向內；Fb使內外繞組受力作用于中心。當繞組的形狀發(fā)生改變時，負載電流不變，但形變位置的漏磁發(fā)生變化，此時產生的振動信息發(fā)生變化，因此振動檢測可以發(fā)現(xiàn)繞組的形變狀態(tài)。變壓器的鐵芯、繞組、冷卻系統(tǒng)的振動信息會通過不同的方式傳遞給油箱壁。

圖2 繞組的受力分析

一般情況下，繞組產生振動是通過內部的油傳遞給油箱，進而引起變壓器振動。三相結構的變壓器在負載的運行狀態(tài)下，油箱壁接收到的振動信號是每一個繞組通過介質油傳遞，衰減后作用在箱壁疊加的結果，繞組的振動也會有一部分經過緊固器件傳遞信號，但這部分的信號大多數反映在油箱底部。上述說明變壓器各部分信號的傳播途徑各不相同，但均會引起變壓器本身發(fā)生振動。通常情況下，風扇、油泵、冷卻系統(tǒng)的振動頻譜在100 Hz左右，與繞組的振動大不相同。

3 結 論

隨著國內電壓等級的不斷提升，對變壓器運行的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，本文基于頻響法和振動帶電檢測法兩種方法闡述了其技術應用現(xiàn)狀。總體來說，帶電檢測法可在不停電的情況下使用，可以耐受多次短路沖擊，反映出變壓器抗短路能力的變化，是一種保持變壓器運行穩(wěn)定性，維護電網安全的有效檢測方法。