变压器绕组变形检测技术研究及其应用

大型电力变压器是电力系统中的重要设备之一, 其安全可靠的运行直接关系电力系统的安全运行。若在运行中发生事故, 有可能导致区域内大面积停电, 将给社会带来巨大的经济损失, 并给电力部门带来不良的社会影响。据统计25%的变压器故障是由绕组变形引起的[1]。变压器在运行中遭受短路电流冲击或在运输过程中受冲撞时, 均有可能发生绕组变形[2]。

绕组变形是电力变压器安全运行的一大隐患, 且绕组发生变形后, 绝缘试验和油化试验等常规电气试验很难检测出来, 吊罩检查又需要花费较大的人力、物力, 且不易发现内侧绕组变形。变压器绕组变形检测技术就是为了正确而且及时检测与诊断绕组是否发生有害变形, 避免变压器因隐患加重而导致非正常退出运行。目前国内外采用的诊断方法主要有短路电抗法[3~4]、低压脉冲法[5]、在线振动检测法[6~7]和频率响应法[8~10]。其中, 短路电抗法是通过测量绕组在一定的频率 (我国一般采用50Hz) 下的阻抗或者漏抗, 并由测量值的变化来判断绕组是否发生危及运行的变形, 现场实施简单, 但该方法检测的灵敏度不高, 细小的变形是无法察觉;低压脉冲法是在变压器的一端加入脉冲信号, 同时记录该端和另一端电压波形, 比较响应信号绕组变形前后的变化来反映绕组形变的信息, 但由于它采用时域脉冲分析技术, 在现场容易受到外界干扰, 很难保证测试结果的重复性;振动检测法是通过贴在变压器油箱的传感器来监测运行状况, 可以做到在线监测, 且不影响整个电力系统的运行, 但是振动信号受变压器的运行方式、制造工艺和环境温度影响很大。

本文采用频率响应法进行变压器绕组变形检测。频率响应法是在频域分析, 采用先进的扫频测量技术, 具有较强的抗干扰能力, 也保证了测试结果的重复性。

1 频率响应法的原理

1.1 变压器绕组的等值电路

V i为扫频输入信号;V o为响应输出信号;L为线圈电感;R s为线圈电阻;C S为纵向电容;C g为绕组对地电容;C b为套管对地电容;R i为扫频信号输入电阻;R为匹配电阻。

根据变压器线圈设计结构, 当频率超过1kHz时, 变压器的铁芯基本不起作用, 每个绕组可视为由线性电阻R、电感L、电容C等分布参数构成的无源线性网络, 如图1。所以, 通常电阻R很小, 可以忽略。

为了定量分析网络分布参数的变化情况, 影响L和C的大小因素分别用简化公式的表示。空心电感的计算公式为:

式中:N为线圈匝数;Dcp为线圈平均直径;KL为电感系数KL=f (b, H, Dcp) 且与b, H成反比, 与Dcp成正比;b为线圈厚度, H为线圈高度。

式 (1) 表明在单位高度内, 线圈匝数N增加, 则电感L增加, 也就是线圈在单位高度内压缩, 则电感增加, 反之, 电感减小;线圈在径向失圆会使Dcp减小, 则电感减小;线圈厚度上被压缩, 电感会略有增加。

电容的简化公式为:

式中:ε为介质的介电常数;S为平行板的面积;d为板间距离。

1.2 频率响应法原理

由图1可知, 变压器绕组可视为一个分布参数的电路网络。一个无源、线性、单端输入、单端输出网络内部特性可以用传递函数H (jω) 来描述, 这种通过频率特性分析来描述网络特性的方法即为频率响应法。如果绕组发生轴向、径向尺寸变化等机械变形时, 势必会改变网络的电感、纵向电容、对地电容等分布参数, 导致传递函数H (jω) 零点和极点的分布发生变化, 这就是采用频率响应法分析绕组是否变形的基本原理。

频率响应法检测变压器绕组是否变形, 是建立在比较的基础上的, 通过纵向或横向比较变压器各个绕组的幅频响应特性, 诊断变压器绕组可能发生的隐患。本文频率响应法采用的是扫频法[8], 即连续改变外施正弦波激励源Vs的频率f (角频率ω=2πf) , 测量不同频率下的响应端电压Vo和激励端电压Vi的信号幅值之比, 获得绕组幅频响应特性, 如式 (3) 。

从变压器绕组等值电路 (频率>1kHz) 可知:当频率 (<10kHz) 较低时, 电感较小, 容抗较大, 电感起主要作用, 电路呈现感性;随着频率 (10kHz~1000kHz) 的增加, 感抗变大, 容抗变小, 二者同时起作用;当频率 (>1000kHz) 继续增加时, 电容主要作用。绕组中电压分布不均匀, 频谱图实际上就是描述绕组在不同频率下电压分布不均匀的情况, 在某一频率下会达到极端情况, 即产生谐振, 电压会出现极不均匀分布, 在幅频曲线上表现为峰和谷。峰点是发生串联谐振的结果, 谷点是发生并联谐振的结果。

2 HBR-II测试仪

频率响应分析法是通过横向和纵向比较幅频曲线的谐振点的个数、位置、幅值、趋势等来判断曲线的相似度及一致性。为了定量表示曲线间的相似程度, 在软件分析中引入了相关系数R[2]作为量化结果来直观表示曲线的相近程度。由于整个频段上的相关系数有时不能反映某频段的曲线差异, 故把整个频率范围分段后, 分别在各个频段上计算相关系数。

HBR-II变压器绕组变形测试仪不仅计算整个频段的相关系统, 同时也分段计算相关系数, 大大提高了用相关系数量化曲线相似的准确度, 相分段关系数的显示界面如图3所以。

按照DL/T911—2004[2]规定的相关系数与变压器绕组变形程度的关系, 把绕组变形程度分为:严重变形, 明显变形, 轻度变形及正常绕组。变形程度对应显示不同颜色, 使测试者一目了然。

3 频率响应曲线分析

3.1 频段划分

当频率大于1kHz时, XL>>R, 绕组电阻可以忽略, 串联和并联谐振点的频率。典型的变压器绕组幅频响应特性曲线, 通常包含多个明显的波峰和波谷, 当绕组发生变形时, 电感L和电容C发生变化, 导致谐振频率f发生变化, 这使幅频响应特性曲线的波峰或波谷分布位置及分布数量的变化, 是分析变压器绕组变形的重要依据。

由于在不同的频段, 电感和电容在绕组等效电路中所占的主导作用不同, 使得绕组的某些变形往往只涉及到幅频响应曲线部分频段上的变化。为了提高检测效率本文采用分频段[2]对绕组幅频响应特性曲线进行分析。

(1) 低频段。频率较低时, 容抗较大, 感抗较小。绕组因整体或局部的拉伸和压缩造成匝间距离变化以及匝间或饼间短路时, 主要反映是绕组电感发生变化, 从而引起幅频特性曲线在低频段的谐振点明显变化。当绕组发生轴向整体压缩 (或拉伸) 时, 绕组高度上的变化, 将使线圈总电感增加 (或减小) , 饼间电容增加 (或减小) , 第一个谐振点将向低频方向移动 (或向高频方向移动) 。

(2) 中频段。该频段上幅频响应曲线的谐振点较多, 能反映出绕组电感、电容的变化, 是频率响应分析的重点范围。此段谐振点和谐振幅值的变化能反映绕组扭曲、鼓包、断股等局部变形现象。当绕组发生局部鼓包时, 一般会是绕组松散, 导致电感减小, 匝间电容变小, 对地电容增大, 在较高频段变化较复杂;同时由于绕组鼓包的形式很多, 也有可能是电感增大。故中频段的分析较为复杂, 应与低频段的情况综合分析。

(3) 高频段。频率较高时, 绕组感抗较大, 容抗较小, 且饼间电容大于对地电容, 故谐振点的位置主要以对地电容的影响为主。当发生引线位移时, 低频段曲线应完全重合, 高频段曲线因引线移动方向不同向下移或上移。

3.2 曲线分析

在一次变压器绕组变形试验中, 测得变压器绕组幅频曲线如图4所示。可以看出:高压绕组无变形, 低压绕组bc相 (即c相) 波形严重变形, b相有变形, a相无变形。变压器在抢修时吊检发现:线圈c相上数39~44匝线饼发生匝间短路 (故障点正对变压器C相铁心柱高压侧拉板中部) , 第40匝线饼烧断, 故障部位及周围的绝缘垫块严重位移, 导线严重变形, 故障部位线圈内壁烧了一个5×5cm2、2cm深的洞, 故障部位与铁心之间的绝缘纸板被电弧烧穿, 但铁心无烧伤点;b相线圈的高压侧上数第l~41匝线饼局部有线圈变形和垫块位移;a相线圈无异常。

在一次变压器绕组变形试验中, 测得变压器绕组幅频曲线如图5所示。可以看出:低压绕组三相曲线基本完全重合, 高压绕组三相之间的幅频曲线相似度挺高的, 尤其低频段完全重合, 但频率响应曲线的高频段异常, 分析认为变压器的高压线圈整体有局部位移。变压器现场吊检发现:三相线圈上压板的压钉都有不同程度的松动。

3.3 现场测试的注意事项

可靠的测试是变压器绕组变形判断的基础。由于测试回路中任何电气参数的改变都会灵敏地在频响特性中反映出来, 所以在测试过程中需要注意以下几点: (1) 试验前应将被试变压器线端充分放电, 各侧绕组进行短路接地0.5h以上, 并在所有直流实验项目之前进行绕组变形测试工作。 (2) 拆除所有与被试变压器套管连接的引线, 并使引线尽可能远离套管;分接开关放置在第一分解;铁芯必须与外壳可靠接地。 (3) 测试的扫频信号从绕组末端注人, 首端输出。根据变压器的接线组别确定测试的接线方式。

4 结语

本文针对变压器运行中存在绕组变形的隐患, 介绍了频率响应法检测变压器绕组变形的原理、测试方法及注意点。依据幅频曲线的特性, 该文采用分频段分析和曲线相关系数相结合方法对变压器绕组进行诊断, 并把诊断结果与吊罩检查结果相比较, 验证了频率响应法的有效性。上文也表明, 绕组变形检测试验是必不可少的试验项目, 使修试人员更好的掌握变压器的运行状况。

但是, 频率响应分析法诊断变压器绕组还是建立在比较曲线图谱的基础上, 采用横向比较 (同一台变压器不同相间) 和纵向比较 (同一台变压器与其历史记录) , 目前还没有明确的量化标准, 缺失深层次的诊断方法;同时, 幅频曲线的变化对应的绕组变形种类也有待进一步细化、量化标准。

摘要：针对运行中的变压器存在绕组变形的问题, 简述了绕组变形检测技术的研究现状, 着重阐述了频率响应法 (Frequency Response Analysis) 检测变压器绕组变形的原理和方法, 并应用HBR-II测试仪进行测试, 在试验的基础上分析了绕组变形状况在频率响应曲线上的表现。

关键词：变压器,绕组变形,HBR-II仪器,频率响应

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