浅析变压器绕组变形的应用

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摘要: 介绍了频率响应法测量变压器绕组变形的原理,详细阐述了根据频谱判断绕组变形的分析方法及判断依据,总结了对变压器绕组变形的判断方法。指出频率响应法用于变压器绕组变形诊断的实用性和局限性,为更好地开展变压器绕组变形测试工作提供了依据。

关键词: 变压器; 绕组变形; 频率响应法; 应用

中图分类号：TM4文献标识码： A 文章编号：

前 言 电力变压器是电力网的核心设备之一,其运行可靠性对电力系统的安全起非常重要的作用。然而,由于受设计技术、制造工艺以及运行维护水平的限制,变压器的故障时有发生,(或出口)短路故障,严重影响了电力系统的安全运行。短路损坏的原因,一方面是设计不完善和制造质量不良,绕组机械结构存在薄弱环节,使绕组抗短路强度不足；另一方面是绕组承受的累积短路电流过大,绕组累积变形到一定程度使绝缘破坏。因此,对变压器经受短路冲击后绕组变形程度进行测试、诊断具有十分重要的意义。

1 频率响应分析法的测试原理

变压器绕组在较高频率的电压作用下,每个绕组本身均可视为一个由线性电阻、电感(互感)、电容等分布参数构成的无源线性双口网络(由于变压器绕组的直流电阻远小于高频下的电抗,所以可忽略),其内部特性可用传递函数H(jX)描述。变压器在制造过程中都有严格的制造工艺。其内部的结构是固定不变的,每个绕组的单位长度的电容、单位长度的电感及单位长度的对地电容都是不变的。因而变压器绕组的频率响应特征频谱图也就确定了。绕组结构的任何物理变化都会引起绕组的电感和电容特性发生变化,必然会改变网络内部的分布电感、电容等参数,导致传递函数H(jX)的零点和极点发生变化,从而使网络的频率响应特性发生变化,这也可以通过频率响应分析检测出来。用频率响应分析法测试变压器绕组变形,是根据频率响应特性的变化来分析变压器可能发生的绕组变形。变压器绕组的频率响应特性通常采用扫描频率测量方式获得。连续改变外施正弦波激励激Vs的频率,测其在不同频率下的响应端电压V0(jX)与激励端电压Vi(jX)的比值,即可获得指定激励端和响应端情况下的绕组频率响应特性。测得的幅频响应应以对数形式表示,即对电压比值进行处理,则：

H(jX)=V0(jX)/Vi(jX)

其中:|V0(jX)|和|Vi(jX)|分别代表频率为X时的响应端和激励端电压的峰值和有效值。

图 1 变压器绕组等效电路与频率响应特性测量示意图

图1中框内部分为变压器绕组的等效双口网络,L、K和C分别代表绕组的纵向(主要是饼间)分布电感、分布电容及对地分布电容。Vi、V0分别代表等效网络的激励电压和响应端电压,Vs为外施正弦波激励源电压,R为匹配电阻。

2 变压器绕组变形的判断依据

变压器绕组状态是通过两次测试的频响特性曲线的比较来描述的。因此,可用相关系数来描述两条曲线的相似程度。当两条曲线的相似程度越好,它们联系越紧密,可证明它们的传递函数越接近。设两次测量的数据序列分别为{xn}、{yn},nA(1,2,,,N),则相关系数为Qxy=ENi=1x(i)y(i)ENi=1x2(i)ENi=1y2(i)当相关系数Qxy1,认为/一致性好0,从而可以判断出变压器绕组是否变形。

3 变压器绕组变形的分析及判别方法

典型的变压器绕组频率响应特性曲线,通常包含多个明显的波峰和波谷。经验及理论分析表明,频率响应特性曲线中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程度的重要依据。可用横向比较法与纵向比较法进行研究。横向比较法是指对变压器同一电压等级的三相绕组的频率特性进行比较,必要时可借鉴同一制造厂、同一时期制造、同型号变压器的频率响应特性,来判断变压器是否发生绕组变形。该方法不需要变压器原始的频率响应特性,现场应用较为方便,但需排除正常变压器三相绕组的频率响应特性存在差异或者变压器的三相绕组均发生变形的可能性;纵向比较法是指对同一变压器、同一绕组、同一分接开关位置、不同时期的频率响应特性进行比较,根据频率响应特性的变化分析绕组变形程度。该方法具有较高的监测灵敏度和判断准确性,但需具备变压器原始的频率响应特性,且应排除测量条件及测量方式变化所造成的影响。

图 2 110 kV 变压器高压绕组三相频谱对比图

图2是某变压器高压绕组三相频谱对比图,在30kHz以下一致性较好,20kHz以上图谱发生明显差异,说明变压器低压绕组已变形。B相较A、C相谐振点向低频方向移动,说明电感量有可能减小,对地电容量有可能增大,发生变形。通过对大量变压器绕组变形实例分析,总结了如下的判别方法。

1)绕组整体移动：变压器在运输、移动过程中,受外力因素造成绕组位移。通常,原频谱图中曲线基本不发生变形,频响特性曲线在低频段(10~200kHz)内各谐振峰均向高频方向移动。

2)饼间局部变形：出口短路时,在电磁力的作用下,绕组中部分线饼被挤压,另一部分被拉伸,使饼间距离发生变化,这时频谱图上有部分谐振峰向高频方向移动,并伴随幅值下降;另一部分谐振峰向低频方向移动,并伴随幅值上升。

3)绕组辐相变形：绕组辐相变形一般造成内绕组向内收缩,频谱图中谐振峰向高频方向移动,谐振峰的幅值有所升高。

4)匝间短路：匝间短路使绕组的电感量下降,频谱曲线变化明显,幅值大幅度上升,谐振峰向高频方向移动,峰、谷间的幅值差明显变小,一些谐振峰消失。

5)引线位移：绕组等值电路中两端入口电容发生变化。若频谱曲线幅值上移,表示引线向绕组方向移动;若频谱曲线幅值下降,表示引线向外壳方向移动。

4 应用实例

南通220kv外海变电站1号主变压器,型号为SFPSZ7-180000/220。2002年曾对该变压器进行绕组变形测试,测试结果为各侧绕组各相的频响特性完全一致。2004年1月由于10kVⅡ母线避雷器A相、B相爆炸,发生10kV出口短路,115s后切除故障,低压侧适中电流大约8700A。该变压器受到出口短路冲击后随即进行绕组变形测试、常规电气试验和油色谱分析。结果显示,常规电气试验和油色谱分析结果均属正常,而根据绕组的频率响应特性曲线,可看出低压侧三相绕组的特性曲线一致性很差,其中低压侧曲线在250~400Hz发生谐振峰频率的偏移,谐振点数目没有变化,但是谐振幅值有一定程度的变化,表示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。根据频响特性曲线做出初步诊断,高压侧绕组未发现变形现象,低压侧出现明显的变形,变形程度较为严重。对该变压器进行解体检查,发现低压侧绕组已严重变形,绕组已出现错位、鼓包等局部变形,若继续运行,将可能导致严重事故发生。

结 语 在进行变压器绕组的频率响应特性测试时,首先要保证测试条件的统一,要注意影响测试结果的因素。其次,要通过大量的变压器绕组变形测试,分析变压器不同部位的变化对故障判断值的影响程度,来提高判断的准确性。由于频率响应检测法检测绕组状态技术较复杂,影响因素较多,有待今后进一步进行研究。随着试验经验的积累以及对有效判据的研究,该方法将在变压器的状态检测方面发挥重要作用。

参考文献

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