變壓器繞組變形診斷技術(shù)研究

曾鑫海

摘 要：隨著能源技術(shù)的發(fā)展，智能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求越來越大。因此，確保能源設(shè)備和能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。作為能源系統(tǒng)的核心部件，變壓器不僅價格昂貴，而且對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有極其重要的作用。在電力系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中，由于短路故障，電容量不斷增加，變壓器承受多個電流的沖擊，瞬時短路電流可以是變壓器額定電流的數(shù)十倍。因此，它將對變壓器的繞組產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致變壓器繞組出現(xiàn)不同程度的變形。采用科學(xué)有效的診斷技術(shù)，定期檢測變壓器繞組情況，可以及時了解變壓器的運(yùn)行情況，采取具體措施，避免因變壓器繞組變形發(fā)生嚴(yán)重事故。文章系統(tǒng)地介紹和分析了幾種常用的變壓器繞組故障診斷方法，并在各種研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合的變壓器繞組故障診斷方法。

關(guān)鍵詞：變壓器;繞組變形;診斷技術(shù)

中圖分類號：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.016

隨著能源負(fù)荷的增加，電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障的概率也大大增加。發(fā)生短路時，變壓器的繞組首先受損，強(qiáng)短路電流會導(dǎo)致變壓器繞組變形。短路電流產(chǎn)生的徑向力和軸向力的作用是短路損壞變壓器的故障特征表現(xiàn)。繞組塌陷、扭曲、鼓包和位移等永久失穩(wěn)變形。如果不及時診斷和檢修，累積效應(yīng)將導(dǎo)致絕緣損壞、匝間短路、主絕緣放電或變壓器完全擊穿等故障，進(jìn)而對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，對變壓器進(jìn)行有效診斷和繞組檢測是非常重要的。

1 掃頻阻抗法診斷技術(shù)

1.1 診斷原理

掃頻阻抗法是一種通過全面檢測所要診斷的變壓器中的短路阻抗或者漏電阻抗等參數(shù)，生成相應(yīng)的繞組—頻率曲線，在對比曲線的橫向以及縱向測量結(jié)果后，再結(jié)合曲線的變化趨勢判斷繞組有可能出現(xiàn)的變形情況的一種方式。由于漏電感能夠直接反映兩個繞組間的距離，并與漏電感的電流呈線性相關(guān)關(guān)系，因而采用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組變形可以在低壓環(huán)境下進(jìn)行，不會對診斷的復(fù)驗(yàn)性造成影響[1]。在使用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組時，應(yīng)將變壓器繞組視作組成一個電路系統(tǒng)的元件，在電路系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，如果有元件出現(xiàn)故障，則相應(yīng)的元件掃頻阻抗值也會發(fā)生相應(yīng)的變化。將變壓器繞組的具體尺寸作為這些元件參數(shù)的基礎(chǔ)，如果繞組尺寸發(fā)生了改變，那么變壓器的掃頻阻抗值也隨之發(fā)生改變。

1.2 診斷方法

1.2.1 三相法

使用三相電源加壓的方式測量變壓器繞組時，在變壓器高壓一端施加相應(yīng)的電壓，將變壓器低壓一端的端子短接，把變壓器其余未測量的繞組全部開路，然后將測量所得的變壓器繞組阻值和其銘牌上的阻值進(jìn)行比對。

1.2.2 單相法

使用單相電源加壓的方式測量變壓器繞組時，首先在變壓器高壓一端的中性點(diǎn)以及其中端子間施加電壓，變壓器低壓端子短接，其余非測量繞組開路，并將所得測量值和三相法進(jìn)行比對。

1.2.3 相間法

使用單相電源對變壓器高壓端兩相間施加電壓，將變壓器低壓端子短接，其余非測量繞組開路[2]。采取這種方式測量，變壓器的磁路分布情況和三相法基本一致，因而所得測量數(shù)據(jù)可以直接和變壓器銘牌所標(biāo)阻值進(jìn)行比對。

1.3 繞組變形的診斷方法

1.3.1 相關(guān)系數(shù)法

利用掃頻阻抗檢測技術(shù)診斷變壓器繞組會生成掃頻阻抗曲線，在此過程中生成的相關(guān)系數(shù)可以使用兩條掃頻阻抗曲線的關(guān)聯(lián)程度直接反映出來，并充分凸顯阻抗特征，更加全面和直觀地反映測量結(jié)果。

1.3.2 極值點(diǎn)偏移法

確認(rèn)變壓器結(jié)構(gòu)完整后，能夠得到變壓器中每個繞組所對應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并得出對應(yīng)的傳遞函數(shù)[3]。變壓器繞組如果發(fā)生一定的變形，相應(yīng)的電容、電感等參數(shù)也會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳遞函數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)此原理，將函數(shù)的波峰、波谷位置和數(shù)量的變化作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以診斷變壓器繞組的變形情況。

1.4 影響因素

采用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組變形時，能夠?qū)ζ錅y量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素有加壓方式、測量電流、短接方式與分接位置等。

1.4.1 測量電流的影響

診斷時，如果測量電流過小，則可能會造成測量數(shù)值出現(xiàn)偏差，通常情況下，測量行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求電流不應(yīng)小于5 A。通過大量的測量數(shù)據(jù)可知，在使用掃頻阻抗法診斷測量時，測量電流在大于2 A的情況下，將測量結(jié)果的偏差控制在0.1%以內(nèi)。

1.4.2 加壓方式的影響

采用三相法診斷要用到380 V的三相電源，而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲取三相電源具有一定難度，測量時一般會采用單相法或者相間法診斷。再加上采用相間法測量時變壓器中的磁路分布與三相法幾乎無異，可以直接用單相法所得的測量數(shù)據(jù)和變壓器銘牌進(jìn)行比對。

1.4.3 短接方式的影響

通過分析和研究大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在三相五柱式變壓器的構(gòu)造中，由于其內(nèi)部鐵芯的兩側(cè)各有兩個磁路通徑，因而接線方式對其進(jìn)行短路阻抗的測量幾乎無影響。而對于三相三柱式鐵芯變壓器來講，在短接端采用YN方式進(jìn)行繞組連接時，短接的中性點(diǎn)會對單相法的測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，卻對相間法的測量結(jié)果影響甚微。

1.4.4 分接位置的影響

在測量繞組變形過程中，分接位置不同，其繞組的電阻值會有不同的結(jié)果，阻抗值會隨著分接位置的距離增加而變大。

2 頻率響應(yīng)分析法診斷技術(shù)

2.1 診斷原理

頻響分析法是一種離線檢測變壓器繞組變形狀態(tài)的技術(shù)方法，由加拿大安大略水利學(xué)院的工程師提出。該方法具有靈敏度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為變壓器繞組故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法之一。具體過程是將低壓正弦頻率掃描信號注入變壓器繞組的一端，測量輸出響應(yīng)信號從另一端繞組，并采取振幅比值輸出終端電壓信號激發(fā)終端電壓信號的頻率響應(yīng)曲線繞組。

變壓器繞組可看作一個由電感、電容、電阻參數(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，繞組變形時，相應(yīng)的參數(shù)會發(fā)生變化，導(dǎo)致繞組變形后測得的頻率響應(yīng)曲線與故障前測得的頻率響應(yīng)曲線存在偏差，分析偏差可以判斷變壓器繞組的變形狀態(tài)。

2.2 測量方法

采用響頻法進(jìn)行繞組測量之前，應(yīng)做好如下準(zhǔn)備：對變壓器繞組實(shí)施充分的放電操作;拆除與變壓器套管相連接的所有引線;打開變壓器繞組的接地平衡;對于其余未測量的繞組進(jìn)行開路處理;保證變壓器、鐵芯、測量儀器以及夾件接地性良好。

采用響頻法進(jìn)行繞組測量的過程中，應(yīng)做好如下工作：存在中性點(diǎn)的繞組應(yīng)從中性點(diǎn)處接入信號;沒有中性點(diǎn)的繞組應(yīng)采用固定式接入信號;無法拆除套管接頭引線的變壓器，則可以采用套管末端的抽頭測量。

2.3 繞組變形的診斷方法

利用響頻法測量變壓器繞組變形的，一般會采用對頻率響應(yīng)曲線分析橫向以及縱向比較的方式對其相關(guān)系數(shù)，其診斷標(biāo)準(zhǔn)是電力變壓器繞組變形的響應(yīng)分析方法。但要注意的是，在使用響頻法測量時，由于其判定對于曲線的復(fù)驗(yàn)性具有較高的要求，應(yīng)注意外部環(huán)境因素所造成的干擾。

2.4 影響因素

2.4.1 掃頻信號接入方式的影響

由于變壓器自身的結(jié)構(gòu)問題，其繞組不能夠絕對保證端部和末端處于完全對稱的狀態(tài)，其變壓器繞組的匝間電容以及層間電容都不相同。掃頻信號接入方式的不同將會對頻響曲線產(chǎn)生直接的影響，尤其是對高頻段的電容造成的影響較大，而低頻段則受到的影響較小，如圖1所示。因此，在采用頻響法測試時，為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和復(fù)驗(yàn)性，應(yīng)盡量保證掃頻信號接入方式一致。

2.4.2 屏蔽信號接地狀態(tài)的影響

在測量過程中，屏蔽信號接地具體指掃頻信號檢測端口接地。屏蔽信號一般應(yīng)可靠接地。如果屏蔽信號未可靠接地，測試線將處于電位懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致測量信號漂移。同樣，可以得出，如果每次頻率響應(yīng)測試時接地點(diǎn)的選擇不同，則接地線和接地點(diǎn)之間的電容會影響頻率響應(yīng)曲線[4]。屏蔽信號在接地鐵芯、螺栓和不接地三種不同狀態(tài)下的響應(yīng)頻率曲線如圖2所示。

2.4.3 平衡繞組內(nèi)部接線方式的影響

測試變壓器繞組的響頻時，對于繞組的平衡一般會有三種不同的方式，其具體方式如圖3所示。

平衡繞組采用三角形接線連接，其連接方式是由自身的結(jié)構(gòu)決定的。

第一種方式中，中間以及右側(cè)繞組位于底端，尾端位于頂部，與左側(cè)繞組布局的方式不盡相同。

第二種方式中，中間繞組的首端位于底部，而尾端則位于頂部，這種方式和左側(cè)以及右側(cè)繞組的布局均不一樣。由于該繞組的首尾分布情況不一樣，必然導(dǎo)致電容電感分布情況不同，進(jìn)而造成繞組的頻響曲線不具備對稱關(guān)系，因而無法橫向?qū)Ρ壤@組的變形情況。

第三種方式中，平衡繞組的內(nèi)部接線方式能夠保證頻響曲線具有對稱性，可以采取橫向比對的方式分析繞組變形情況。

3 低電壓短路阻抗法

3.1 診斷原理

變壓器短路阻抗可分為電阻分量和電抗分量[5]。對于大功率變壓器，短路阻抗電阻分量所占比例很小，短路阻抗主要是電抗分量[6]。一般來說，漏阻抗遠(yuǎn)小于勵磁阻抗，因此短路阻抗可被視為變壓器的漏阻抗大小。變壓器的漏阻抗有縱向漏電抗和橫向漏電抗，其中縱向漏電抗的影響最大。變壓器的漏阻抗與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)，變壓器線圈結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化將導(dǎo)致磁路漏電流的變化，導(dǎo)致變壓器漏阻抗的變化以及變壓器短路阻抗的變化。

3.2 診斷方法

短路阻抗試驗(yàn)對變壓器的高壓繞組側(cè)施加壓力，使低壓繞組側(cè)短路，必要時可采用低壓、高壓短路方式。根據(jù)低壓短路阻抗法的判據(jù)，分析同一參數(shù)的三個單相值的橫向差值，原始數(shù)據(jù)與上次測試數(shù)據(jù)的相同參數(shù)值的差值和縱向比，結(jié)合繞組的電容和頻率的響應(yīng)特性可以準(zhǔn)確判斷變壓器繞組是否變形以及變形的嚴(yán)重程度。

3.3 影響因素

3.3.1 繞組溫度

短路阻抗中的電阻分量與溫度成正相關(guān)。因此，測試期間應(yīng)準(zhǔn)確記錄線圈溫度，以便根據(jù)參考溫度校正短路阻抗測試數(shù)據(jù)。

3.3.2 鐵心剩磁

短路阻抗測試是在勵磁阻抗遠(yuǎn)大于漏電阻抗的前提下進(jìn)行的。變壓器鐵芯的剩磁會降低勵磁電感的測量值，導(dǎo)致變壓器阻抗值減小，從而增加低壓短路阻抗測試的誤差。為了避免判斷錯誤，應(yīng)在所有直流測試之前進(jìn)行低壓短路阻抗測試。

3.3.3 試驗(yàn)電源頻率

短路阻抗反應(yīng)分量與頻率有關(guān)。檢修電源或發(fā)電機(jī)電源的頻率不滿足工作條件時，將影響短路阻抗值，應(yīng)糾正試驗(yàn)結(jié)果。同時，測試電源的電壓波動會導(dǎo)致較大誤差。在測量過程中應(yīng)選擇相對穩(wěn)定的測試電源，通過多次測量獲得平均值，最大限度地減少數(shù)據(jù)誤差。

4 結(jié)語

掃頻阻抗法變壓器的影響整體變形比較靈敏，諸如幅向變形、軸向變形等情況，但卻對于繞組匝間、餅間的拉伸以及壓縮變形、繞組整體移位變形等情況反應(yīng)不靈敏。響頻法能夠準(zhǔn)確、快速體現(xiàn)出變壓器的繞組變形情況，但卻容易受到外部環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)流程的影響。此外，其診斷和判斷標(biāo)準(zhǔn)也不夠直觀，使用該種方式進(jìn)行繞組診斷時應(yīng)注意測試方式、測試儀器的選擇，并盡最大可能排除外部環(huán)境的干擾。低電壓短路阻抗測試簡單易行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀，通過橫向比較能分析變形繞組的差別。

通過對上述三種常用的繞組診斷技術(shù)的分析，可以通過對多種技術(shù)的融合開展對繞組的測試與診斷工作，其具體方式為：充分結(jié)合掃頻阻抗法，響頻法和低電壓短路阻抗法的優(yōu)點(diǎn)，以常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法為輔，在測試?yán)@組抗短路能力的前提下，采取三種方式的趨勢相關(guān)性對變形繞組進(jìn)行綜合診斷。

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