頻響法與阻抗法診斷電力變壓器繞組變形互補性探討
文章前言
目前，檢測變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術成熟度看，頻響法用于現場要比低壓脈沖法易于實施，測得的圖譜較穩定，重復性好，不易受試驗接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應用比較普遍。相對阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實施更簡單，有標準可循，仍不失為一種普測和互補的手段，尤其是對量大面廣的中低電壓等級的變壓器而言。
由于實際的變壓器種類繁多，結構多樣，導致變壓器繞組的數學建模相當困難，而簡單的模型計算與實測的數據還相差甚遠。為此，本文以試驗研究的方法，摸索綜合應用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據和規律。通過選擇實際的變壓器，借助比較成熟的測試技術和手段，建立變壓器繞組的物理模型進行分析。推動該測試技術的成熟和完善，促進變壓器繞組的理論研究。
目前，檢測變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術成熟度看，頻響法用于現場要比低壓脈沖法易于實施，測得的圖譜較穩定，重復性好，不易受試驗接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應用比較普遍。相對阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實施更簡單，有標準可循，仍不失為一種普測和互補的手段，尤其是對量大面廣的中低電壓等級的變壓器而言。
由于實際的變壓器種類繁多，結構多樣，導致變壓器繞組的數學建模相當困難，而簡單的模型計算與實測的數據還相差甚遠。為此，本文以試驗研究的方法，摸索綜合應用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據和規律。通過選擇實際的變壓器，借助比較成熟的測試技術和手段，建立變壓器繞組的物理模型進行分析。推動該測試技術的成熟和完善，促進變壓器繞組的理論研究。
1、阻抗法和頻響法的測試原理和接線
阻抗法是通過測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。漏抗實質上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應磁勢的反映，因此對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，測量阻抗比測漏抗易于實現。在現場測試中，建議在低電壓下實施阻抗測量，電壓根據被測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>2A。被測變壓器低壓側短路，高壓側施壓，測量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
阻抗法是通過測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。漏抗實質上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應磁勢的反映，因此對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，測量阻抗比測漏抗易于實現。在現場測試中，建議在低電壓下實施阻抗測量，電壓根據被測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>2A。被測變壓器低壓側短路，高壓側施壓，測量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
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圖1 阻抗法測量接線示意圖
當所加電源的頻率逐步增高時，變壓器繞組分布參數的特性逐漸體現出來。實質上，變壓器繞組在高頻下是一個由分布電感和電容構成的線性無源兩端網絡，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為線匝對地電容(忽略了損耗因素)。
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圖2 繞組分布參數網絡的等效電路圖
頻響法即是從繞組一端對地注入掃頻信號源，測量繞組兩端的端口特性參數，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。通過分析端口參數的頻域圖譜特性，判斷繞組的結構特征。如果繞組發生變形，就會使繞組的分布電容和電感改變，反映到端口參數的頻譜發生變化。為了簡化，通常只測量一種端口參數。電壓傳輸比反映了等效網絡的衰減特性，是常測的參數之一［1］，測量接線實現如圖3所示。入端施加正弦掃頻電壓信號Ui，并測量輸出電流在采樣電阻R上的壓降U0，并計算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，表明繞組內部發生了并聯諧振，頻譜曲線上出現頻谷；反之，則表明發生串聯諧振，頻譜曲線上出現頻峰。理論計算表明，在頻峰處，繞組上的駐波分布將呈現為整個半正弦波的分布；而在頻谷處，駐波呈現為奇數個1/4正弦波分布。
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| 顯然，繞組的結構、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，對于同類型的變壓器繞組，由于繞組結構的類似性，其測到的頻譜曲線必然有可比性。可用來幫助判斷和確定繞組的變形故障。
圖3 變壓器繞組頻譜的測量接線圖
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據
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| 阻抗及電感 | 測試工況1 | 測試工況2 | 測試工況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。
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圖4 變形前高壓三相繞組頻譜(1～500kHz)
2) 測試工況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中的標示圈)，壓緊頭5匝線圈。高壓繞組共80匝，因此，可認為有5%的變形。測錄低壓短路阻抗，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1 cm左右(見圖7中的標示圈)，測錄低壓短路阻抗，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)
針對上述3種測試工況分析為：
a) 軸向變形后C相的頻譜曲線在第4個頻峰發生了較明顯的改變(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。根據頻率諧振峰與變形面積的關系，第1個頻峰發生改變，說明有整體變形；第4個頻峰發生改變，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) 幅向變形對頻譜曲線的影響頗為顯著。第1個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生大面積的擠壓，說明局部的變形相當顯著(箭頭指處)，導致了整體特性的變化。 c) 阻抗法對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，但對匝、餅間的局部拉伸壓縮，線圈整體位移，分接開關觸頭燒蝕等不靈敏。頻響法對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越性。當然，阻抗法在長期的生產實踐中已建立嚴格的規范和標準，便于實施，易于判斷。建議在實際運用中，靈活結合兩種方法，作出準確的分析和判斷。 3、阻抗法和頻響法分析實例解析
以變壓器型號SFPSZ3—180 000/220，231/38.5/15.75為例，變壓器低壓出口側發生對地閃絡。常規試驗項目檢測發現：C2H2偏高，示內部有高能量放電；直流電阻測試表明低壓繞組b相偏大2倍，有斷股發生；低壓短路阻抗測試發現高壓加壓，低壓短路，測量短路阻抗發現b相相對其它相變化12.38%；低壓加壓，中壓短路，測量短路阻抗發現b相相對其它相變化-18.68%；高壓加壓，中壓短路，測量短路阻抗發現b相相對其它相變化-2.22%，說明漏感有較大變化。為了確認哪相繞組發生變形及可能變形的部位和程度，對低壓繞組進行了頻響實測，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相頻譜曲線嚴格吻合，b相頻譜第一個頻峰左移約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。
后更換線圈解體發現，線圈由兩根銅線并繞，共3段，每段22匝，線圈受力向內收縮，導致幅向扭曲，有一凸緣擠出約20 cm，61～62匝處開路有數股。更換b相線圈后復測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、文章結語
a.頻譜測試技術的應用為電力變壓器繞組變形的不解體檢測和診斷提供了新的思路和方法。 b.模擬變壓器的試驗研究表明，頻響法測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整體電感影響不大的變形，同時包含了變形故障類型、程度、部位等多種信息。阻抗法只能反映對繞組整體電感影響較大的變形，但由于長期的應用趨于成熟，并有標準可循。 c.頻譜的分析診斷技術目前仍停留在物理概念分析和測試實踐經驗的總結上，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。但更多的情形是復合變形。因此，在現場測試診斷時，建議綜合應用阻抗法和頻響法，并參考相關的試驗數據，以作出迅速而準確全面的分析和判斷。 |
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