频率响应分析法测试变压器绕组变形的影响因素分析

李 颉，刘忠顺，刘 勇

(沧州供电公司，河北 沧州 061001)

变压器绕组变形的原因主要有2种：一种是变压器在遭受出口或近区短路时，由于短路电流在绕组中产生强大的电动力而使绕组变形；另一种是由于变压器在运输途中或安装过程中受到严重的机械碰撞而导致绕组变形。虽然很多时候绕组变形不会立刻对变压器的正常运行产生影响，但是由于积累效应，最终可能会发展为绝缘事故。因此针对大型变压器开展绕组变形测试工作十分必要。目前，业内人士普遍认为频率响应分析法(简称“频响法”)是检测变压器绕组变形较为有效的方法之一。

1 频响法的测试原理

当变压器绕组在较高频率(频率大于1 kHz)电压的作用下，每个绕组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，其内部特性可通过传递函数H(jω)进行描述。如果绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络传递函数H(jω)的零点和极点发生变化，从而使网络的频响特性发生变化。

变压器绕组的频响特性采用扫频检测方式获得，如图1所示。连续改变外施正弦波激励源Vs的频率f(角频率ω=2πf)，测量在不同频率下的响应端电压V2和激励端电压V1的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端情况下的绕组频响特性。

L-绕组单位长度内的分布电感； K-绕组单位长度内的匝间、饼间分布电容； C-绕组单位长度内对地分布电容；V1-等效网络的激励端电压； V2-等效网络的响应端电压；Vs-正弦波激励信号源电压； Rs-信号源输出阻抗；R-匹配电阻

测得的频响特性曲线常用对数形式表示，即对电压幅值之比进行如下处理：

H(f)=20Log[V2(f)/V1(f)]

式中：H(f)为频率f时传递函数的模│H(jω)│；V2(f)和V1(f)为频率为f时响应端和激励端电压的峰值或有效值│V2(jω)│和│V1(jω)│[1]。

用频响法判断变压器绕组变形，主要是对绕组的频响特性曲线进行纵向或横向比较，并综合考虑变压器的短路情况、变压器结构、电气试验及油中溶解气体分析等因素。根据相关系数的大小，可以直观的反映出变压器绕组状况。一般选用1～1 000 kHz的扫频范围和1 000个线性分布的扫描频点进行测试，能够灵敏的反映出绕组电感、电容的变化情

况，测试结果会以频响特性曲线的形式记录下来。

2 现场测试步骤

以使用TDT-6型测试仪对110 kV/10 kV三相双绕组变压器进行测试为例，测试可以按以下步骤进行。

a. 具备条件后，拆除变压器引线、绕组充分放电及调整有载分接开关位置(一般选择1档进行测试，可以检测到全部的调压绕组及主绕组)[2]。

b. 选择检测接线方式，即正确选择输入端和检测端。常见的接线方式如图2所示。

图2 常见的接线方式(测试高压侧V相)

c. 按照图2所示的方法进行现场接线。注意将输入单元和检测单元的GND(接地端子)最好接在变压器铁心的同一接地点上，并要接触良好。

d. 按照一定的次序进行测试。高压侧绕组按照O-U、O-V、O-W进行逐相测量；低压侧绕组按照u-v、v-w、w-u顺序相间测量(非测试相悬空即可)，通过主机的扫频，在电脑中就可得到绕组频响特性曲线。

e. 对测试数据采用纵向和横向比较法进行诊断分析，若分析为干扰情况则需要进行重复测试[2]。

3 测试中的影响因素

3.1 变压器绕组存在残余电荷

变压器绕组残余电荷是进行频响法测试时首先要考虑的问题。在变压器经过绝缘电阻试验、泄漏电流试验、外施耐压试验后，如果接地放电时间不足，很有可能在绕组中产生残余电荷。由于频响法测试仪属于较精密、灵敏度较高的测试设备，测试电压较低，如果在测试回路中存在残余电荷，即使量很小，也会因较低信噪比而使测试结果严重失真。失真的频响曲线特征为：在测试周期内，由于函数幅值大小的急速突变，在频响曲线中会接连出现高低交错的大幅值尖顶波或锯齿波。即使在曲线的中频段也非常杂乱，没有一定的趋势，与正常测试的结果没有任何相似性。

当测试中遇到这种情况时，应立即停止试验并拆除试验接线，将变压器三侧绕组三相短路接地放电，以消除残余电荷。一般放电0.5 h以上即可恢复，残余电荷积累得越多，需要放电时间越长。为避免变压器残余电荷在测试工作中所带来的不便，试验前应提前安排有关人员在变压器停电后进行1 h以上的接地放电。另外，频响法测试前应尽量避免进行其他的电气试验项目，尤其是变压器的绝缘电阻、泄漏电流、外施耐压试验，如已进行过此类项目，则需要进行放电处理。

3.2 变压器铁心存在剩磁

由于剩磁的存在，会导致频响特性曲线产生失真，其失真的频响曲线杂乱无章、没有规律,进行变压器绕组直流电阻试验会使铁心产生剩磁。大型变压器磁阻较小，尤其是三相五柱式变压器。如果变压器存在剩磁，则需要给铁心去磁，去磁的方法有交流法和直流法。交流去磁可以按照空载试验的接线，给变压器施加额定电压(有条件时加1.1倍额定电压)，但不能突然切断电源，必须使所加电压缓慢且平稳下降至零后切断电源，可以三相同时进行。若现场不具备交流去磁的条件，可以选择直流去磁。直流去磁需要单相进行，使用1个电流值可调的直流电源，先在绕组上通入不小于10 A的电流，稳定后断开，再反向加1个更小的电流，稳定后断开，再反向加1个更小的电流，稳定后再断开。如此不断反复，每次所加的直流电流都比前一次减小约0.5 A，直至所加电流为0.5 A以下时止。这2种去磁方法实施起来不但过程复杂，而且需要很长时间。因此，在进行频响法测试之前，应尽量避免进行绕组直流电阻试验。

3.3 试验电源引入干扰信号

图3中是章西变电站1号主变压器高压侧绕组U相在试验中由于电源谐波分量较大而产生的失真曲线。失真曲线的特征是：曲线大体仍呈现一定正常趋势，但在中频段及部分高频段会多次出现毛刺状的尖角，但不影响曲线的趋势走向。

遇此类情况时，可以在TDT-6型测试仪主机和试验电源之间加装1个小型的隔离变压器(设备厂家可提供)来解决。使用专用的隔离变压器后，测得的频响特性曲线正常。

图3 章西变电站1号主变压器高压侧U相干扰曲线

3.4 试验线夹接触不良

试验线夹经过长期使用，弹簧的弹力不足，可能导致与套管导电杆接触不良，使频响特性曲线产生失真。图4中虚线是杨集变电站1号主变压器高压侧绕组U相由于试验线夹与套管导电杆接触不良而产生的干扰曲线。曲线的特征是：低频段没有丰富的波峰波谷，比较平滑，随着频率的升高曲线呈下降趋势。

图4 杨集变电站1号主变压器高压侧U相正常曲线与干扰曲线

遇到上述情况时，在排除前3种干扰因素后，应检查2个试验线夹是否和变压器套管的导电杆接触良好。 图4中实线是对试验线夹的接触面进行处理后的测试结果，曲线的低频段出现了丰富的波峰波谷。

3.5 测试线缆插头接触不良

TDT-6型测试仪的测试线缆插头不太坚固，受到重力或挤压后很容易变形，导致插头无法接入主机；另外在接线过程中，线缆被拉扯后受力引起插头的屏蔽层接触不良；测试线缆插头经过多次插接，插头的芯针可能会松动，导致信号不稳定[2]。图5为韩集变电站1号主变压器高压侧W相的干扰曲线。

图5 韩集变电站1号主变压器高压侧W相干扰曲线

测试中在排除前4种干扰因素后，如果发现三相的频响特性曲线横比差异明显，应检查测试线缆的插头与主机、阻抗单元以及屏蔽层之间是否接触良好，针芯是否松动，可用万用表测量导通情况，存在此问题时应及时处理。无法处理时，需更换备用的测试线进行测试。建议在测试附件箱中多配1～2根测试线，现场使用中出现问题的测试线应该在工作结束返回后及时修理完好。

3.6 阻抗单元与套管导电杆距离太近

图6中虚线为泊镇变电站1号主变压器高压侧U相的频响测试结果。测试时由于检测端的阻抗单元缠绕在U相套管导电杆处，距离太近，使频响特性曲线产生失真。原因可能是阻抗单元的接地端子与套管导电杆之间产生电容耦合而使非测量信号引入到测量回路。同理，如果输入端阻抗单元与套管导电杆距离过近也会引入干扰信号。

图6 泊镇变电站1号主变压器高压侧U相正常曲线与干扰曲线

为了避免这种情况，在现场进行试验接线时，应注意2个阻抗单元的悬挂位置。将线夹夹好后要适当调整测试线的长度，使阻抗单元尽量远离套管导电杆，但也不要下垂至套管法兰处，如果距离接地体太近，同样会产生干扰。最好将阻抗单元沿着测试线自然下垂至套管垂直方向的中点处，才能获得良好的测试效果。图6中实线为现场经过对阻抗单元的位置进行调整后恢复正常的测试结果。

3.7 接地点选择不当

案例1：对汪家铺1号主变压器高压侧U相进行频响法测试时，由于接线人员没有分辨清楚而选择夹件接地作为测量接地点，之后又改为铁心接地重新测试，2次测试的结果虽在低频段十分吻合，但在中、高频段由于函数幅值的变化而有所差异，见图7。

图7 汪家铺1号主变压器高压侧U相2次不同接地点的频响曲线

案例2：图8是姚官屯2号主变压器低压侧绕组三相的频响曲线，从图中可以看出ca相的曲线明显不同于其他两相。不但幅值有很大的变化，波峰波谷出现的位置以及方向都不相同。似乎存在严重的绕组变形，但这也是干扰造成的。由于在进行ca相试验时为了解决地线不够长的问题而改动了阻抗单元接地点的位置，导致ca相频响曲线产生严重失真。

图8 姚官屯2号主变压器10 kV侧三相绕组的干扰曲线

频响法试验时对于测量接地的要求很严，输入端与检测端2个阻抗单元的GND(接地端子)应该保持同点、可靠的接地。选择不同接地点会给测试结果带来差异，因此变压器在第1次测试时一旦选定了某个接地点(最好是顶部的铁心接地)，以后每一次测试都要固定下来。建议做好现场记录，将该变压器测量接地点的位置加以说明，另外，接地点在试验过程中不应更改，避免出现图8所示的情况。测试时常遇到接地线长度不够的情况，因此建议选用2根6 m长的专用地线(外有塑料绝缘层的多股软铜线，截面4 mm2，中间不要有接头)，对于多数220 kV及以下变压器而言该长度足够。

3.8 电焊机引起的干扰

在测试过程中，如果有人使用电焊机在变压器外壳上进行焊接作业，会在每次焊接时在频响曲线中产生一个向上突变的噪点。这种情况在主机扫频过程中就可以及时发现。若有人在变压器外壳上进行焊接作业，应停止测试，排除干扰后重新测试。

4 测试中的注意事项

a. 频响法测试一定要在变压器绕组直流电阻试验之前进行。

b. 频响法测试前尽量避免进行变压器本体的绝缘电阻、泄漏电流和外施耐压试验，并保证有足够的接地放电时间。

c. 必须拆除与变压器套管相连的所有引线，并使其尽量远离被测变压器套管的导电杆。

d. 注意有载分接开关的档位是否与历史的测试档位相符，建议每次测试时将分接开关的位置都调至1档(最高档位)。

e. 不是初次试验时，应确认选择了正确的输入端与检测端，以保持与历史的接线方式相符。

f. 接线时线夹要与套管导电杆接触良好。

g. 选择明显可靠的测量接地点。铁心引出套管在变压器顶部是最好的测量接地点。如果铁心套管不在顶部，可根据现场情况适当选择一个位置接地，但要保证接地良好并在整个测试过程中保持不变。特殊选择的接地点的具体位置应做好记录，以便在下一次测试时作为参考，避免由于接地点选择的不同而使测试结果产生差异。

h. 测试时主机与试验电源之间要加装试验专用隔离变压器[2]。

i. 测试时，变压器所有的电容套管末屏、铁心、夹件都必须保持良好可靠的接地。

j. 测试中不要抖动线缆，以免损坏仪器或影响测试结果。

k. 测试中避免有人使用电焊机在主变压器外壳上进行电焊作业。

5 结束语

频响特性数据是反映变压器绕组状态的重要参量。在实际的现场测试中，如果测得比较另类的曲线，不要轻易下定论。首先要认真辨别并排除各种干扰因素的影响，这样测试获得的数据才真实。对于制造工艺良好的大型变压器，其三相绕组的结构基本一致，测得的频响特性曲线通常具有一定的可比性，在没有原始数据的情况下，可以通过三相横比来分析判断绕组的状态。但必须注意，三相绕组的频响特性曲线不一致时，不能判断一定存在绕组变形，因此还要参考其他试验数据进行综合分析，全面诊断。虽然频响法试验时现场的干扰因素较多，但只要遵循文中所述的几个原则和消除干扰的方法，把握关键点，操作严格，一般会排除干扰并得到正确的结果。

参考文献：

[1] DL/T 911-2004，电力变压器绕组变形的频率响应分析法[S]．

[2] 毕建刚，王献丽，高克利.变压器绕组变形现场测试中应注意的问题[J].变压器，2009，46(12)：29-31，36.