变压器绕组变形的频率响应分析法探讨

杨 晟，张文离，徐 飞

（国网太原供电公司，山西 太原 030002）

变压器绕组变形的频率响应分析法探讨

杨 晟，张文离，徐 飞

（国网太原供电公司，山西 太原 030002）

为了准确判断电力变压器发生绕组变形后的结构变化及严重程度，基于频率响应分析法的基本原理，总结了现场综合分析测试数据的方法，同时结合一起实际案例加以说明，最后提出用频率响应分析法做变压器绕组变形试验时的注意事项，实践证明测试方法与控制措施有效可行。

变压器；绕组变形；频率响应分析法

0 引言

在变压器的事故中，由于绕组的强度不够，在运行中难免要受到各种短路冲击，其中出口短路和近区短路对变压器的危害尤为严重，约占变压器事故总台次的38%～45%。这些短路故障在变压器中通常会引起数十倍的额定电流，使其承受巨大的机械力和电动力，有可能造成绕组变形，导致恶性事故。另外，变压器在运输、安装过程中由于绕组的强度不足，在受到不同程度的撞击下也可能发生绕组变形，为变压器的安全运行留下隐患[1]。变压器绕组变形包括纵向和横向尺寸的变化，表现在整体位移和下陷，绕组鼓包、扭曲、挤压和匝间短路等。为了防患于未然，对于发生异常状态的变压器，在不解体前提下，检测变压器绕组变形势在必行。目前，检测变压器绕组变形常用的有低压脉冲法、短路阻抗法、绕组电容法、特性试验法和频率响应法[2]。大量实践证明，频率响应法能灵敏、准确地反映绕组的变形且测得的波形具有很好的重复性和稳定性，对变形的评估可靠性甚高。

1 频率响应分析法

频率响应分析法检测变压器绕组变形是将一扫频信号从变压器绕组的一端输入，在另一端检测响应信号，并将响应信号的振幅和相位作为频率的函数绘出频谱曲线。当变压器结构定型后，其幅频响应特性是一定的。对同一绕组进行纵向和横向对比分析，根据其变化程度即可判断可能发生的绕组变形[3-4]。

1.1 基本模型

从低频到高频连续改变激励源Us的频率f，测量其响应端电压U2和激励端电压U1的信号幅值之比，从而获得绕组幅频响应特性。原理图如图1所示。

图1 检测原理等效电路图

电压幅值之比常用对数形式表示，即

式中：H（f）——频率f时传递函数的模；

U2（f）——频率f时响应端电压的有效值；

U1（f）——频率f时激励端电压的有效值。

1.2 接线方式

a）选定被测变压器的输入端和测量端，将变压器绕组分接开关调到最大分接位置。

b）将输入、检测电缆接地屏蔽线连接在变压器金属外壳上，与变压器外壳接触电阻不得大于1Ω，接地线应尽量短且不缠绕。

c）通过线夹把输入、检测电缆分别连接到选定的输入、测量套管端头。

d）通过电缆连接仪器相应端子。

e）启动计算机中的相应程序，输入被测变压器的相关参数，操作“测量”菜单中的［启动测量］项或相应的快捷键即可启动测量。

1.3 检测程序

a）测量并记录变压器高低压绕组的频率响应特性曲线（低压绕组为重点测量对象）。

b）比较同一变压器相同电压等级的三相绕组和同相绕组历年测试的频谱曲线，对差异较大的绕组在确定接线无误和接线良好的情况下重新进行测量，保证该绕组测量结果的重复性和真实性，排除人为因素造成的误差。

c）若测得的曲线带有大量毛刺，则应检查连接部位是否可靠，是否存在接触不良与断线情况。

d）若测得的曲线三相一致性较差，应先对差异较大的绕组的历年频谱曲线进行对比，判断是否为历史缺陷。若纵向对比差异也较大，则应检查接地线是否可靠连接，改换后重新进行测量，确保数据一致。

1.4 定量判据

有文献提出用变压器绕组变形前后频率响应曲线的相关系数ρxy和曲线上系列采样点的均方差Exy来定量判断变压器绕组变形，可比较容易地判断被试绕组状态。相关系数主要用来描述两条曲线间的相似程度，而均方差则描述两者之间的绝对差值。则有

式中：x（i）——频率响应曲线X第i个采样点的值；

y（i）——频率响应曲线Y第i个采样点的值；

i=1，2，…，N；N为采样总点数。

它们分别表示曲线相似程度和距离，ρxy越接近于1，两曲线相似程度越高；Exy越小，两曲线相距越近，故以ρxy和Exy为描述两条频率响应曲线差异的定量判据。

2 变压器绕组变形测试数据的分析判断

现场进行变压器绕组变形测试数据分析判断时，测试仪器计算出的相关系数ρxy和均方差Exy的定量判据仅是作为参考依据，更多的是试验人员根据波形中波峰、波谷位置及数量变化，波形整体横向、纵向位移情况来直观判断绕组变形情况。

2.1 独立波形分析

变压器绕组变形分析时，一般按3个频段（低、中、高）通过幅频响应特性曲线中各个波峰和波谷的分布特点及曲线位置的变化，来分析绕组的变形状态。

2.1.1 低频段（1～100 kHz）

低频段中绕组呈感性，当波峰和波谷位置左移时，预示着绕组轴向压缩；波峰和波谷位置右移时，预示着绕组匝间短路或幅向鼓包；曲线整体左移时，预示着绕组整体横向整体移位；波峰和波谷趋于分散时，预示着绕组纵向整体移位。该频段下，绕组电感的变化会导致曲线波峰或波谷移动明显，而匝间、对地电容对其影响不突出。

2.1.2 中频段（100～600 kHz）

此频段对局部变形引起的匝间电容变化较为敏感，峰谷位置的明显变化预示着有可能存在匝间扭曲、局部鼓包。绕组分布电感、电容的变化可以通过该频段内较多的波峰和波谷灵敏地反映出来。

2.1.3 高频段（>600 kHz）

在高频段中，绕组感抗很大而容抗较小。曲线明显变化说明绕组对地电容发生改变，预示其存在整体位移或引线位移，也就是说绕组的局部结构有点变化，在此频段反映就较明显。

2.2 复合波形分析

复合波形分析是结合变压器结构、故障情况及试验数据等纵向或横向比较绕组的频响特性曲线[5]。

2.2.1 纵向比较法

纵向比较法是比较同一台变压器、同一分接开关位置、同一绕组、不同时期下同种检测方式获取的幅频响应特性曲线。此方法的优点是幅频曲线对比性强，有较高的判断准确性和检测灵敏度，不足之处是要有原始数据，且受检测条件的影响较大。

图2 某变压器绕组受冲击前后幅频响应特性曲线

由图2可以看出，受冲击后频响曲线中、高频段的变化明显，由此判定发生绕组变形。

2.2.2 横向比较法

横向比较法是比较同侧三相频响曲线，这是由于变压器三相绕组之间的结构基本是一致的，具有相对的可比性，必要时可参考同厂家同批次产品判断是否是设计差异的结果。此方法的优点是无需原始数据，不足之处是应排除三相相似变形、本身固有差异。

3 应用实例

某变电站220 kV 1号主变压器的型式为“SFSZ10-180000/220”，容量为“180000/180000/60000 kVA”，额定电压为“（220±8×1.25%）/121/10.5 kV”，联结组别为“YNyn0d11”。

2007年5月，在该变压器近区发生短路后对其进行了电气试验，结果为：与历年数据比较，绝缘电阻在合格范围内；三侧绕组直流电阻值无明显变化，不平衡率小于1%；油色谱试验无异常；但三相整体电容与历年值比较有较大变化。电容量试验数据如表1所示。

表1 绕组电容量试验数据

表1中H-M、L、G代表高压对中压、低压及地；M-H、L、G代表中压对高压、低压及地；L-H、M、G代表低压对高压、中压及地。

由表1判断有绕组变形发生，基于频率响应分析法进行绕组变形试验。通过三侧绕组的频响曲线可得出高、中压绕组的三相频响曲线拟合程度较好，可判断其无变形发生。而低压绕组A相与其他两相频响曲线相差较远，可以初步判断A相绕组发生绕组变形。随后，调用低压绕组A相的频响曲线原始数据，与故障后的曲线进行纵向比较，得到图3所示波形曲线。

图3 低压侧绕组A相故障前后对比频响曲线

从图3可以看出，A相低压绕组受冲击后：中低频段（1～600 kHz）曲线波峰、波谷部分发生纵向不同程度的偏移；高频段（600～1 000 kHz）曲线波峰、波谷位置及数量发生明显变化，且趋于分散。由此可以初步判断变压器绕组发生整体位移变形现象。综合以上情况，对该变压器进行了吊罩检查，检查结果为该变压器A相低压绕组整体下移。

4 注意事项

用频率响应分析法在现场测试绕组变形时还要注意以下几个细节问题[6]。

a）变压器绕组套管引线应全部解开变形试验应在充分放电后，根据接线方式和检测程序进行，分别记录各个绕组的幅频响应特性曲线。

b）变压器绕组变形宜在最高分接位置下试验，或者保证每次试验时分接开关的位置相同。

c）试验前确保拆除的引线尽可能远离套管（引线无法拆除者，将套管末屏作为响应端）。

d）接地线应可靠连接在铁芯接地引出端的螺栓上，严禁随意缠绕。

e）所有测试连接线连接可靠，保持稳定，进而减小其对测试数据的影响。

5 结论

电力变压器发生绕组变形后将会严重威胁到系统的安全稳定运行，而频率响应分析法可以检测绕组是否变形、变形严重程度及发生部位，进而决定变压器能否继续投入运行的重要手段。在测试时，要注意“拆除引线远离套管”等几个细节问题。对测试数据分析时，利用独立加复合、横向加纵向的分析方法会对绕组变形情况的准确快速判断起到事半功倍的效果。实践证明变压器绕组变形的频率响应分析方法与控制措施有效可行。

［1］ 刘文涛.正确看待变压器绕组变形试验［J］.电力学报，2006，21（4）：482-484.

［2］ 王丽君，刘勋.一起电力变压器绕组变形的综合分析［J］.变压器，2011，48（6）：68-70.

［3］ 赵家峤，王道明.频率响应法对变压器绕组变形的测试与分析［J］.科技信息，2011（27）：748-750.

［4］ 陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2009：302-306.

［5］ 秦家远，刘兴文，申积良.电力变压器频率响应分析法综述［J］.湖南电力，2009，29（4）：60-62.

［6］ 赵克境，赵岩，潘晓冬.变压器绕组变形试验方法技术分析［J］.黑龙江电力，2006，28（2）：119-121.

Probe into Frequency Response Analysis for Transformer Winding Deformation

YANG Sheng，ZHANGWen-li，XU Fei
（State Grid Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030002，China）

In order to accurately determine the structural changes caused by power transformer winding deformation，frequency-response-based principle was adopted to comprehensively analyse the data tested on-site.An actual case was introduced to further illustrate it，then，matters needing attention when frequency-response-based method is adopted to do transformer winding deformation testwere put forward.Practicehas proved themeasures feasible and effective.

transformer；winding deformation；frequency responseanalysismethod

TM406

A

1671-0320（2014）03-0011-04

2014-03-13，

2014-04-13

杨 晟（1985-），男，山西孝义人，2010年毕业于山东大学电气工程及其自动化专业，硕士，助理工程师，从事电力设备高压试验工作；

张文离（1964-），女，山西太原人，1991年毕业于山西大学电力系统及其自动化专业，助理工程师，技师，从事电力设备高压试验工作；

徐 飞（1987-），男，山西五台人，2009年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，助理工程师，从事电力设备高压试验工作。