电力变压器绕组变形频率响应测试与图谱分析

劳晓明

摘要：频率响应法是通过比较加在变压器绕组上的扫频信号与经过绕组后输出的须率响应信号，同时考虑相间频率响应特性曲线的变化来检测绕组变形情况的方法，由于电力变压器发生故障是少数，标准中相关系数的判断边界还不完善，仅通过标准给出的判据来判断容易发生误判。本文对图谱频率响应特性曲线的变化对应对变形发生的部位、程度和种类进行仔细的分析和判断，并在实际测试中进行了论证，为以后变压器绕组变形分析判断及维修决策提供依据。

关键词：电力变压器绕组；频率响应法；变形；图谱分析

0前言

电力变压器是电网中最为重要、昂贵的设备之一，它的安全稳定运行对整个电网的安全意义极其重大。但是由于受到短路电流冲击等各种因素的影响，变压器绕组可能发生变形，而且不易被发现。因此，有效和准确地判断变压器绕组变形现象是电力试验的一项重要工作。茂名供电局从1996年开始开展主变绕组变形试验项目，本局共有两台绕组变形测试仪，厂家与型号为：北京圣泰实时电气技术有限公司TDT6U型。经过多年的实践，总结出一些图谱分析的规律，在220kV榭平岭站、220kV金山站、110kV石鼓站、35kV云潭站等多个变电测试发现变压器绕组有变形现象中图谱分析能较为准确的判断出变形发生的部位程度及种类，经吊罩检修证实图谱分析为我们判断变形提供重要依据。

1变压器绕组变形产生的原因

（1）变压器在运输过程中受到冲击。

（2）在运行过程中，变压器外部发生短路故障，变压器线圈流过很大的短路电流，一般为其额定电流的几倍至几十倍，在强大电动力的冲击下，变压器绕组有可能会失去稳定而导致变形现象的出现，如鼓包、扭曲、移位等，严重的将直接造成变压器损坏。

2频率响应分析法

虽然目前绕组变形的频率响应分析法有了专门的电力行业标准DL/T911－2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》，它的形成主要来源于对物理现象的直觉分析和现场的经验积累，但是由于电力变压器发生故障是少数，标准中相关系数的判断边界还不完善，一方面需要在长期的实践中积累判断经验，并非所有的变形都会立即危及到变压器的安全运行。因此，就有必要对变形发生的部位、程度和种类进行仔细的分析和判断，从而为维修决策提供依据。

2.1 频率响应测量原理

上图为变形测量原理示意图，其中，Ri为信号发生器内，Ro为输出取样电阻 （50Ω），Ls线圈电感，Cs为串联的饼间电容， Cg为对地分布电容。

2.2试验图谱数据分析比较及其判断的一般原则

（1） 低压绕组为主，高、中压绕组为辅

实际上，低压绕组发生短路故障的几率要比高、中压绕组高的多。因此，对于大型变压器而言，低压绕组的频谱是判断变形的重要特征图谱。无论是相与相之间的横向比较，还是与上次(或原始值)的纵向比较，低压绕组的特征频谱是主要依据。

（2）横向比较为主，纵向比较为辅

由于横向比较的曲线测试条件、接线方式基本一致，因此应优先考虑进行相与相之间的横向比较，再进行与原始数据或上次数据的纵向比较。另外，应优先考虑与原始数据的纵向比较。

（3）低频段为主，中、高频段为辅

a. 当频响特性曲线低频段(1kHz～100kHz)的谐振峰发生明显变化时，通常预示着绕组的电感变化或发生整体变形现象。频谱中100kHz以下的频谱发生改变或第一个谐振峰发生位移，说明绕组整体电感变化或整体变形。对绝大多数变压器来说，其三相绕组低频段的响应特性曲线较为一致。如果发现不一致的情况，一般表明线圈整体结构出现问题，可能会危及运行，应慎重对待，根据其它测试手段来重点分析判断。

b.当频响特性曲线中频段（100kHz～600kHz）的谐振峰发生明显变化时，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象，因为在频率范围内，绕组的分布电感和电容均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振峰，故而根据其各个谐振峰频率的变化情况能够较灵敏地反映出绕组分布电感、电容的变化情况。对于那些遭受突发短路电流冲击的变压器，如果其谐振峰频率的分布与短路冲击前的有较大改变，例如谐振峰频率左右移动或谐振峰数目减少或增多，通常可认为绕组发生了局部变形现象。

c.当频响特性曲线高频段（>600kHz）的谐振峰发生明显变化时，通常预示着绕组的对地电容改变。因为在高频条件下，绕组的感抗增大，基本被饼间分布电路所旁路，故对谐振峰变化的影响程度相对较低，基本以电容的影响为主。由于绕组饼间电容通常较大，故对地电容的改变（如绕组整体位移或分接开关引线的对地距离发生变化）是造成该频段内频响特性曲线变化的主要因素。如果在中频和高频段频谱图发生差异，应具体的分析这种差异是否代表线圈引线的结构差异或分接开关引线长短的差异，这种差异有些是变压器设计制造中固有的。

(4）观察波形为主，相关系数判断为辅

通过相关系数可以定量描述出两条波形曲线之间的相似程度，通常可作为辅助手段用于分析变压器的绕组变形情况，具体结果还应根据变压器的运行情况及其它信息综合判断。值得注意的是，在实际运用中，不能死搬硬套上述标准(特别是对遭受过短路冲击的变压器)。如果需要确定线圈变形的详细情况和变形的严重程度，则应具体对被测绕组频率响应特性曲线的变化情况进行分析，找出波形的各种细微变化和发展趋势来慎重分析。

(5）差异出现在第n个峰，则变形面积为1/n。

2.3绕组变形的种类及频谱分析

2.3.1 整体变形

(1）整体变形—轴向拉伸

线圈在高度上增加，将使线圈的总电感减小；线圈饼间的电容下降。变形相曲线第一个谐峰向高频方向移动。还将随着幅值下降。

该变压器B相的第一个谐振峰向低频方向移动，同时第一谐振峰还将伴随着幅值升高，中高频部分的曲线与正常相的频谱曲线相同。该图形与整体压缩情况完全吻合。相关系数也显示该变压器绕组出现了变形。回厂检查发现确实是在运输过程中绕组被挤压而出现了整体变形。

（5）整体变形—匝间短路

匝间短路是一种较容易发生，且危害较大的故障。匝间短路的直接结果是线圈的电感量减小，品质因数下降。频谱曲线只有低频段的前面一小部分变化较大，以10kHz以下的部分变化最为明显。对应到频谱图，其低频起始端的谐振曲线明显上移20dB，对应的第一谐振峰消失。2008年8月，我局对某匝间短路跳闸后变压器行绕组变形试验，图形如下所示。

该变压器的中频和高频段的相关系数都是非常好的，且低频段都超过了1.0，这样就可能因误判为轻度变形而被忽视。

另外还有几台发生匝间短路的变压器低频段的相关系数小于1，也是在0.9的附近，同样可能被误判为轻度变形。分析认为匝间短路时只是短路了部分匝，整体的电感变化较小，电容的变化更小，因此会发生误判断。

单纯的采用《电力行业标准——电力变压器绕组变形的频率响应分析法》中给出建议的方法不一定能完全正确的判断出所有的变形情况，如匝间短路就是该方法的盲点。

观察以上绕组变形图形及我局其它一些匝间短路的图形发现，所有的匝间短路都是故障相的第一个峰出现倒向，且高压、低压都出现该情况，从图形上判断就非常明显。

2.3.2 局部变形

线圈的总高度未发生改变, 部分线饼出现小程度的 改变。线圈的总电感基本不变, 所以故障相和非故 障相的频谱曲线在低频段的第一个谐振峰点处将重合, 随着部分变形面积的大小, 对应的后续几个谐 振峰将发生位移。

我局高试班对220kV榭平岭站#1主变进行绕组变形测试，以下为变低绕组变形测试结果：

图8榭平岭站#1主变绕组变形测试图 图9榭平岭站#1绕组变形图

可以看出B相在中频部分波形与AC相差异比较大，其相关系数为R1-2为0.49；R2-3为0.34，均小于0.6，判断有发生扭曲和鼓包等局部变形现象。

经吊罩检查(如上图9)，可以看到B相变低有明显扭曲和鼓包，印证了之前图谱分析是正确的。

2.3.3 分接开关烧蚀

开关触头上一个电阻和一个电容的并联，插在电感电路上 时，将与各支路电感电容谐振，会产生很多小的谐振峰。

图10分接开关烧蚀图

3退出运行的判断依据

(1）发生匝间短路、轴向拉伸、压缩变形不容 许投运。

(2）分接开关烧蚀只需检修开关。

(3）发生短路故障，一定会有变形发生，只有危及运行安全的变形情况才需要处理。

4结论

(1)变压器绕组变形测试能行之有效的反映出幅相拉伸、压缩，轴向拉伸、压缩、局部等变形情况，是不可缺少的试验项目。

(2)对于匝间短路的情况仅通过标准给出的判据来判断容易发生误判，可将这种情况单独考虑，也可适当的调整频域分段或根据经验从图形得到正确的结论。

(3)按试验图谱数据分析比较及其判断的一般原则，依据本文实践印证总结出的方法对绕组变形的种类及频谱分析，能够准确地对变形发生的部位、程度和种类进行分析和判断。

参考文献

[1]梁广恒 李 莉编著;《频率响应法测试变压器绕组变形》电力安全技术出版社.

[2]梁江东 编著;《电力变压器绕组频率响应测试与图谱分析》中国电力出版社.

[3]牛维扬 李祖明 编著;《电机学》中国电力出版社.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。