变压器匝间短路的在线监测技术研究、发展与展望

赵铁(广东电网公司潮州供电局潮安县局，广东 广州 510630)

1 前言

变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行，可以将其视为电力系统的“心脏”。因此，确保变压器能够安全、稳定的运行极为重要。配网变压器的正常运行是整个配电网系统正常运行的关键。在变压器中，绕组是最重要、最复杂，也是最容易出现故障的部件，统计资料表明:绕组的损坏率约占整个变压器故障的60%～70%。本文通过对变压器匝间短路原理及其检测方法的研究，结合多年的工作实践对在线监测匝间短路的装置，提出一点设想供大家参考。

2 匝间短路监测方法原理的分析与研究

国内外的学者对于变压器匝间短路的机理及在线监测的研究已经做了大量的工作，形成了比较系统的理论技术，主要的有漏电感法、电压电流比法、功率损耗法、漏电感法等。在此就针对漏电感法和电压电流比法对匝间短路进行判断和分析，因为只有很好的判断出匝间短路保护才能更好的保护电压器不受很大程度的损害。

2.1 漏电感法

漏电感法只是参数上比短路法差了一个角频率。有研究者提出以变压器回路方程作为参数辨识模型，利用最小二乘算法进行绕组漏电感参数实时辨识从而实现绕组匝间短路在线监测方法。其原理分析如下所述。

(1)变压器绕组的漏电感由纵、横向漏电感组成。一般横向漏电感比纵向小得多。根据电磁场中电感的定义，绕组的漏电感表示为:

式中，为与绕组交链的漏磁通，N为绕组匝数，i为流过绕组的电流。因漏磁通主要沿非铁磁材料闭合，它与流过绕组中的电流成线性关系:=Ni，为漏磁通所经过磁路的磁导。则式(1)变为:

由式(2)可以看出，对于匝数确定的变压器绕组，其漏电感值与漏磁通所经过的磁路的磁导成正比。因漏磁通是经非磁性物质闭合的，磁路不会饱和，是常数，故漏电感值的大小取决于绕组的尺寸、形状及布置方式。

(2)基于回路方程的变压器参数辨识方法

辨识的3要素是数据、模型、准则。辨识是按一个准则在一组模型类中选一个与数据拟合最好的模型。变压器是由磁场耦合将几个电路联结在一起的电气元件，电压回路方程描述了变压器特定物理结构。故选变压器回路方程为其参数辨识方法模型。为了说明基于回路方程的变压器漏感参数辨识基本原理，采用单相双绕组变压器模型，见图1。双绕组单相变压器正常运行的回路方程关系式为:

式(3)中，R1、L1为一次侧电阻和漏感;R2、L2为二次侧电阻和漏感(已归算到一次侧);准m为励磁电阻和电感。通过式(3)消去准.并变形可得

式中，u1、u2、i1、i2为原、副边绕组的电压、电流;n、L1、L2、N1、N2为原、副边绕组的电阻、漏电感、匝数、互感磁通(包括流经铁心的主磁通及与原副边绕组都匝链的等效漏互感磁通)。

图1 双绕组单相变压器

因互感磁通项包含了B-H非线性特性，消去式(3)、(4)中的d/dt项，同时将副边侧电压电流及电阻漏电感值归算到原边侧得:

正常运行时变压器励磁电流很小，这里忽略不计，设，原式变为:

式中，n为绕组归算到一次侧等值电阻;L为绕组归算到一次侧的等值漏电感。利用厂家提供的短路电抗xk，可得出厂绕组的等值漏电感值。当原、副边绕组变形，Lk=xk/ω(ω为角频率)的值发生变化，根据式中实时辨识的值与相比较，即可判断变压器绕组匝间是否发生了短路。

2.2 电流、电压比法

正常变压器无论从高压侧加压还是从低压侧加压，用双表(电压或电流)法进行电压或电流比测量时，所测变比相等，与加压侧无关。在匝间短路状态下，用相同方法进行同一测量，所测变比随加压侧不同而异。模拟实验表明，即使高压侧存在5%短路匝，如从高压侧加压，用双电压表进行故障测量时，所测变比差在允许测量误差1%范围内。而从低压侧加压，在相同情况下，所没变比竟高达30%以上。对于匝间短路处于低压侧，在不同侧加压下的变比(电压比)偏差，模拟试验则会得出与上述完全相反的结论。

当用双电流表测量故障电流比时产生的变比偏差，对于不同故障侧及不同加压侧，模拟试验也会分别得出不同的结论。

对于配电变压器，根据之前理论分析及模拟试验结果，得出以下结论:

(1)高压侧加压，电压比变化不明显，低压侧加压，电压比减少显著，故障在高压侧。

(2)低压侧加压，电压比变化不明显，高压侧加压，电压比显著增大，故障在低压侧。

(3)低压侧加压，电流比变化不明显，高压侧加压，电流比显著减少，故障在高压侧。

(4)高压侧加压，电流比变化不明显，低压侧加压，电流比显著增大，故障在低压侧。

3 监测技术的发展总结与展望

3.1 监测技术的发展

随着电子技术的进步及计算机技术的迅猛发展，传感器、光纤传输及新测量技术的提高，为匝间短路的在线监测创造了良好的条件。基本变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组的几何尺寸及相对位置有关，近年来通过在线监测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术正逐渐得到重视。变压器在线监测整体故障定位功能由于易受到强干扰而止步不前。江西电科院通过改进电流、电压比法，可以成功实现故障定侧，为状态检修提供新的有效状态监测量。其认为匝间短路状态下，用相同方法进行同一测量，所测变比随加压侧不同而异。即使高压侧存在5%短路匝，如从高压侧加压，用双电压表进行故障电压比测量时，所测偏差竟在允许范围内。而从低压侧加压，在相同测试情况下，所测变比偏差竟高达30%以上。对于匝间短路处于低压侧，在不同模拟实验则会得出与上述完全相反的结论。国外近几年受技术与经济限制，匝间短路在线监测研究主要集中在通过配电变压器建模仿真寻求匝间短路预警标准。Bastard利用EMTP中的BCTRAN对三相双绕组变压器建模。通过不断提高阻抗矩阵阶数，在将故障绕组划分为三级次级线圈后，终于实现仿真结果与实验结果相符。现行有关变压器绕组建模、仿真研究存在两个侧重点，一是通过变压器电流等效模型来推算故障变压器电气参数，另一个则是通过磁路进行推算。在之前大量研究基础上Behjat创新性地提出电路耦合有限元分析法(FEM)仿真故障变压器，并通过试验验证故障特征量的变化。Behjat发现:无论故障在哪侧，初级电流均会增大;而次级电压、电流减少仅会存在故障存在二次侧，初级故障时次级终端电气参数不发生变化。Behjat同时将用于离线检测的频率响应法改进，发展出了一种传递函数技术来探测绕组故障——扫描频率响应分析法(SFRA)，实验的结果已经表明SFRA法对短路匝数的敏感度可以达到0.2%，其效果非常显著，而且监测的时效性也有保证。Z.G.Hao利有最小二乘法分析磁路等效方程，深入剖析电压、电流与内部漏磁通变化关系，提取出不同的在线监测特征量及其阈值，并形成预警与保护相协助的在线监测系统。

3.2 监测技术的展望

展望未来随着网络和新材料新工艺的发展，配电变压器匝间短路的在线监测技术的发展趋势第一就应该是基于灵活的组网进行信息传输解决点多面广难以低成本组网进行数据传输的问题，其次综合国内外先进的产品前端设备最重要的一个趋势是综合的使用多种判别手段进行互相指正判别故障，加之随着传感器的发展未来的配电变压器匝间短路的在线监测系统将是一种综合多种技术手段的精确判别系统。

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