頻響法與阻抗法診斷電力變壓器繞組變形互補(bǔ)性探討
文章前言
目前，檢測(cè)變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術(shù)成熟度看，頻響法用于現(xiàn)場(chǎng)要比低壓脈沖法易于實(shí)施，測(cè)得的圖譜較穩(wěn)定，重復(fù)性好，不易受試驗(yàn)接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應(yīng)用比較普遍。相對(duì)阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對(duì)繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實(shí)施更簡單，有標(biāo)準(zhǔn)可循，仍不失為一種普測(cè)和互補(bǔ)的手段，尤其是對(duì)量大面廣的中低電壓等級(jí)的變壓器而言。
由于實(shí)際的變壓器種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，導(dǎo)致變壓器繞組的數(shù)學(xué)建模相當(dāng)困難，而簡單的模型計(jì)算與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)還相差甚遠(yuǎn)。為此，本文以試驗(yàn)研究的方法，摸索綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據(jù)和規(guī)律。通過選擇實(shí)際的變壓器，借助比較成熟的測(cè)試技術(shù)和手段，建立變壓器繞組的物理模型進(jìn)行分析。推動(dòng)該測(cè)試技術(shù)的成熟和完善，促進(jìn)變壓器繞組的理論研究。
目前，檢測(cè)變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術(shù)成熟度看，頻響法用于現(xiàn)場(chǎng)要比低壓脈沖法易于實(shí)施，測(cè)得的圖譜較穩(wěn)定，重復(fù)性好，不易受試驗(yàn)接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應(yīng)用比較普遍。相對(duì)阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對(duì)繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實(shí)施更簡單，有標(biāo)準(zhǔn)可循，仍不失為一種普測(cè)和互補(bǔ)的手段，尤其是對(duì)量大面廣的中低電壓等級(jí)的變壓器而言。
由于實(shí)際的變壓器種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，導(dǎo)致變壓器繞組的數(shù)學(xué)建模相當(dāng)困難，而簡單的模型計(jì)算與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)還相差甚遠(yuǎn)。為此，本文以試驗(yàn)研究的方法，摸索綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據(jù)和規(guī)律。通過選擇實(shí)際的變壓器，借助比較成熟的測(cè)試技術(shù)和手段，建立變壓器繞組的物理模型進(jìn)行分析。推動(dòng)該測(cè)試技術(shù)的成熟和完善，促進(jìn)變壓器繞組的理論研究。
1、阻抗法和頻響法的測(cè)試原理和接線
阻抗法是通過測(cè)量工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏抗來反映繞組的變形和移位及匝間開路和短路等缺陷。漏抗實(shí)質(zhì)上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內(nèi)部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映，因此對(duì)漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測(cè)量阻抗比測(cè)漏抗易于實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，建議在低電壓下實(shí)施阻抗測(cè)量，電壓根據(jù)被測(cè)變壓器容量的大小一般取幾百V，為避開鐵芯非線性的影響，所加電流應(yīng)>2A。被測(cè)變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施壓，測(cè)量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
阻抗法是通過測(cè)量工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏抗來反映繞組的變形和移位及匝間開路和短路等缺陷。漏抗實(shí)質(zhì)上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內(nèi)部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映，因此對(duì)漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測(cè)量阻抗比測(cè)漏抗易于實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，建議在低電壓下實(shí)施阻抗測(cè)量，電壓根據(jù)被測(cè)變壓器容量的大小一般取幾百V，為避開鐵芯非線性的影響，所加電流應(yīng)>2A。被測(cè)變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施壓，測(cè)量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
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圖1 阻抗法測(cè)量接線示意圖
當(dāng)所加電源的頻率逐步增高時(shí)，變壓器繞組分布參數(shù)的特性逐漸體現(xiàn)出來。實(shí)質(zhì)上，變壓器繞組在高頻下是一個(gè)由分布電感和電容構(gòu)成的線性無源兩端網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中，Ls為線匝自感；M為匝間互感；Cs為匝間電容；Cg為線匝對(duì)地電容(忽略了損耗因素)。
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圖2 繞組分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖
頻響法即是從繞組一端對(duì)地注入掃頻信號(hào)源，測(cè)量繞組兩端的端口特性參數(shù)，如輸入阻抗、輸出阻抗、電壓傳輸比和電流傳輸比的頻域函數(shù)。通過分析端口參數(shù)的頻域圖譜特性，判斷繞組的結(jié)構(gòu)特征。如果繞組發(fā)生變形，就會(huì)使繞組的分布電容和電感改變，反映到端口參數(shù)的頻譜發(fā)生變化。為了簡化，通常只測(cè)量一種端口參數(shù)。電壓傳輸比反映了等效網(wǎng)絡(luò)的衰減特性，是常測(cè)的參數(shù)之一［1］，測(cè)量接線實(shí)現(xiàn)如圖3所示。入端施加正弦掃頻電壓信號(hào)Ui，并測(cè)量輸出電流在采樣電阻R上的壓降U0，并計(jì)算U0／Ui，得到傳輸比隨頻率變化的圖譜。如果輸出電流I0很小，U0也很小，則U0／Ui很小，表明繞組內(nèi)部發(fā)生了并聯(lián)諧振，頻譜曲線上出現(xiàn)頻谷；反之，則表明發(fā)生串聯(lián)諧振，頻譜曲線上出現(xiàn)頻峰。理論計(jì)算表明，在頻峰處，繞組上的駐波分布將呈現(xiàn)為整個(gè)半正弦波的分布；而在頻谷處，駐波呈現(xiàn)為奇數(shù)個(gè)1/4正弦波分布。
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| 顯然，繞組的結(jié)構(gòu)、大小、位置和引線不同，頻峰和頻谷的位置和高低也不同，頻譜也就不同，因此，不同繞組的頻譜圖譜肯定不同。但是，對(duì)于同類型的變壓器繞組，由于繞組結(jié)構(gòu)的類似性，其測(cè)到的頻譜曲線必然有可比性?？捎脕韼椭袛嗪痛_定繞組的變形故障。
圖3 變壓器繞組頻譜的測(cè)量接線圖
2、變壓器繞組變形故障模擬研究
表1 變形前后線圈阻抗和電感的變化數(shù)據(jù)
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| 阻抗及電感 | 測(cè)試工況1 | 測(cè)試工況2 | 測(cè)試工況3 |
| C相短路阻抗/% | 8.08 | 8.08 | 6.96 |
| 阻抗變化率*/% | / | 沒有變化 | -13.86 |
| C相漏感/H | 0.0193 | 0.0194 | 0.0168 |
| 漏感變化率*/% | / | 0.52 | -12.95 |
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*以工況1為基準(zhǔn)。
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圖4 變形前高壓三相繞組頻譜(1～500kHz)
2) 測(cè)試工況2
軸向局部變形。在C相高壓線圈頂部抽掉匝間墊塊(見圖5中的標(biāo)示圈)，壓緊頭5匝線圈。高壓繞組共80匝，因此，可認(rèn)為有5%的變形。測(cè)錄低壓短路阻抗，漏感和高壓三相繞組頻譜曲線(見圖6)。 |
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圖5 軸向變形實(shí)物照片
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圖6 軸向變形后高壓三相繞組頻譜(1～500kHz)
3) 測(cè)試工況3
幅向變形。在C相高壓線圈底部用力敲兩處，凹坑深達(dá)1 cm左右(見圖7中的標(biāo)示圈)，測(cè)錄低壓短路阻抗，漏感和高壓三相繞組頻譜曲線(見圖8)。 |
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圖7 幅向變形實(shí)物照片
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圖8 幅向變形后高壓三相繞組頻譜(1～500 kHz)
針對(duì)上述3種測(cè)試工況分析為：
a) 軸向變形后C相的頻譜曲線在第4個(gè)頻峰發(fā)生了較明顯的改變(箭頭指處)，頻峰向高頻方向偏移約40 kHz，幅值變化約4 dB，A和B相的頻譜基本不變。偏移頻峰位于300～400 kHz的中高頻域。根據(jù)頻率諧振峰與變形面積的關(guān)系，第1個(gè)頻峰發(fā)生改變，說明有整體變形；第4個(gè)頻峰發(fā)生改變，說明線圈可能存在1/4面積以下的局部變形；頻峰向高頻方向偏移，說明部分分布電感減小或分布電容減小。 b) 幅向變形對(duì)頻譜曲線的影響頗為顯著。第1個(gè)頻峰向高頻方向偏移約6 kHz，表明整體電感有較明顯的變化；中頻域的頻峰向中部發(fā)生大面積的擠壓，說明局部的變形相當(dāng)顯著(箭頭指處)，導(dǎo)致了整體特性的變化。 c) 阻抗法對(duì)影響整體電感的變形較為靈敏，如幅向變形、軸向扭曲、匝間開路、短路等，但對(duì)匝、餅間的局部拉伸壓縮，線圈整體位移，分接開關(guān)觸頭燒蝕等不靈敏。頻響法對(duì)影響線圈電容和電感的變形都很靈敏，因此后者具有顯著的優(yōu)越性。當(dāng)然，阻抗法在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中已建立嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，便于實(shí)施，易于判斷。建議在實(shí)際運(yùn)用中，靈活結(jié)合兩種方法，作出準(zhǔn)確的分析和判斷。 3、阻抗法和頻響法分析實(shí)例解析
以變壓器型號(hào)SFPSZ3—180 000/220，231/38.5/15.75為例，變壓器低壓出口側(cè)發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)。常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：C2H2偏高，示內(nèi)部有高能量放電；直流電阻測(cè)試表明低壓繞組b相偏大2倍，有斷股發(fā)生；低壓短路阻抗測(cè)試發(fā)現(xiàn)高壓加壓，低壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化12.38%；低壓加壓，中壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化-18.68%；高壓加壓，中壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化-2.22%，說明漏感有較大變化。為了確認(rèn)哪相繞組發(fā)生變形及可能變形的部位和程度，對(duì)低壓繞組進(jìn)行了頻響實(shí)測(cè)，如圖9所示。 |
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圖9 變壓器故障低壓繞組三相繞組頻譜
圖譜分析表明，a相和c相頻譜曲線嚴(yán)格吻合，b相頻譜第一個(gè)頻峰左移約4 kHz(箭頭指處)，說明整體電感增大，與阻抗法的判斷相符。中高頻段頻響幅值略有升高，頻峰向高頻方向略有偏移(箭頭指處)，說明分布電感略有減小，對(duì)地電容可能改變，判斷可能性較大的是幅向變形。因此診斷建議僅更換b相線圈。
后更換線圈解體發(fā)現(xiàn)，線圈由兩根銅線并繞，共3段，每段22匝，線圈受力向內(nèi)收縮，導(dǎo)致幅向扭曲，有一凸緣擠出約20 cm，61～62匝處開路有數(shù)股。更換b相線圈后復(fù)測(cè)低壓繞組三相頻譜如圖10所示，基本吻合。  |
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圖10 變壓器更換線圈后低壓繞組三相繞組頻譜
4、文章結(jié)語
a.頻譜測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用為電力變壓器繞組變形的不解體檢測(cè)和診斷提供了新的思路和方法。 b.模擬變壓器的試驗(yàn)研究表明，頻響法測(cè)試診斷變壓器繞組變形比阻抗和漏抗法更為靈敏，能反映出影響繞組整體電感及對(duì)整體電感影響不大的變形，同時(shí)包含了變形故障類型、程度、部位等多種信息。阻抗法只能反映對(duì)繞組整體電感影響較大的變形，但由于長期的應(yīng)用趨于成熟，并有標(biāo)準(zhǔn)可循。 c.頻譜的分析診斷技術(shù)目前仍停留在物理概念分析和測(cè)試實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)上，有待診斷理論上的突破。一般而言，低頻段頻率諧振峰的改變表明線圈有整體變形，中頻段諧振峰的改變表明有局部變形，而高頻段的變化表明線圈引線位置變化或整體位移。但更多的情形是復(fù)合變形。因此，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試診斷時(shí)，建議綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法，并參考相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以作出迅速而準(zhǔn)確全面的分析和判斷。 |
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