基于扫频阻抗法的变压器绕组变形测试技术研究

仇一凡，周 兴，李忠晶，鞠登峰，赵殿斌

(国网电力科学研究院，北京100000)

电力变压器的安全可靠运行将直接关系着整个电网的运行稳定性。但是在变压器运行时不可避免要遭受突发短路故障，短路时产生的强大短路电流将使绕组受到巨大的电动力，如果超过绕组的抗短路冲击能力，将导致绕组发生变形故障，影响变压器稳定运行。另外，运输过程中机械力的作用也有可能使绕组发生变形现象［1］。

变压器绕组发生变形后，有的会立即损坏，而大部分变压器会继续运行一段时间，这段时间变压器的性能并不稳固，存在安全隐患。绕组变形轻则导致变压器各运行指标不正常，重则直接导致变压器瘫痪，进而影响到电力系统的稳定性［2－3］。基于此，本文通过研究频响法和短路阻抗法的诊断机理后，提出一种诊断变压器绕组变形的扫频阻抗法，并通过搭建变压器模型和实验予以了验证。

1 变压器绕组变形的成因及种类

1.1 变压器绕组变形的成因

变压器绕组之所以会发生变形，究其原因:1)电力变压器在运行过程中，不可避免要遭受各种短路故障电流的冲击。在较高的温度下，导线的机械强度变小，电动力容易使绕组破坏或变形。2)电力变压器在长途运输、安装或吊罩过程中，会受到意外的冲撞、颠簸和振动等，导致绕组变形。3)保护系统存在死区或动作失灵，导致了变压器承受稳定短路电流作用的时间较长，也会造成变压器绕组变形［4］。

1.2 变压器绕组变形的种类

1)径向拉伸:一般出现在变压器的高压侧中央位置，幅度不大。

2)径向压缩:一般出现在变压器的低压侧，中央上下等幅度。

3)轴向延伸:通常位于低压侧顶端。

4)轴向压缩:位于变压器高压侧绕组中间。

5)轴向套叠:高、低压侧均可能出现。

6)匝间短路故障。

2 变压器变形测量方法

绕组变形测试方法主要有阻抗法、低压脉冲法及频率响应法［5］。

2.1 阻抗法

当变压器的负荷阻抗变为零时，其输入端的等效阻抗就是变压器的短路阻抗。短路阻抗由电阻分量和电抗分量组成。在大型变压器的短路阻抗中，电阻分量所占比例很小，此时的短路阻抗值约等于电抗分量。变压器绕组的漏电抗其实就是变压器的短路电抗分量，由纵向漏电抗和横向漏电抗两部分组成，但通常横向漏电抗所占比例不大。由于漏电抗值与变压器绕组的尺寸密切相关，当绕组发生形变时必然会引起漏电抗的变化，从而改变变压器的短路阻抗值［6］。阻抗法由于受条件所限，现场很难达到额定电流(尤其对大型变压器)，且对测试仪表的检测精度要求很高，往往难以获得必要的检测灵敏度，有时仅对那些绕组变形严重的变压器有效。但阻抗法实施简单，又有标准可循，仍不失为一种互补的手段，适用于中、低压等级变压器。

2.2 低压脉冲法

低压脉冲法的测试原理如图1所示。

图1 低压脉冲法的测试原理图Fig．1 Test schematic diagram of low voltage pulse method

在变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信号(100 V)，利用数字化记录设备同时测量绕组两端的对地电压信号Uo(t)和Ui(t)，并进行相应的处理，最终得到该变压器绕组的传递函数H(t)或H(jω)，即

根据波形变化来判断变压器绕组变形。

2.3 频响法

频率响应法的检测原理如图2所示。

在绕组的一端输入扫频电压信号Us(依次输入不同频率的正弦波电压信号)，通过信号处理设备同时检测不同扫描频率下绕组两端的对地电压信号Ui(n)和Uo(n)，在进行相应的处理后，最终得到被测变压器绕组的传递函数H(n)=20log［Uo(n)/Ui(n)］。将频率响应描绘成曲线来判断变压器绕组变形［7］。

3 扫频阻抗法研究

3.1 低频时等效模型

当频率较低时(一般f＜1 Hz)，分布电容的影响可以忽略，变压器可以作为集中参数模型来等效，采用T型等效网络描述，如图3所示。

图3 单相变压器T网络等效模型Fig．3 T network equivalent model of single-phase transformer

绕组变形测试相当于进行短路阻抗的测试，当绕组发生变形时，由变形引起的漏抗变化可以通过短路阻抗值的变化反映出来［8］。

3.2 高频时等效模型

当频率比较高时(f＞100 kHz)，变压器每个绕组可看成一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端网络，如图4所示。

忽略绕组电阻，相当于用频响法对变压器进行测试。匝间短路、饼间短路、绕组扭曲变形、鼓包突起或高压引线移位等现象，都会引起分布参数的变化从而改变频响特性曲线。如果测试时加大扫频信号功率，使测试信号增强，就可提高抗干扰能力，大大降低不良环境因素引起的影响［9－10］。

3.3 诊断机理

由变压器在不同频段下的等效模型可知，在低频段时变压器可由T网络等效模型来等效，此时绕组和铁芯的等效电感、电阻起主要作用。若由电感量的变化而引起绕组变形，则将表现在频谱的低频段;而变压器等效电容的变化则主要在高频段有所反应。也就是说，用扫频阻抗法对变压器绕组变形进行测试时，短路阻抗特性反映在低频段，频率响应特性反映在高频段［11］。

扫频阻抗法测试时将二次侧短路，这是扫频阻抗法测试结果中计算短路阻抗值的接线依据。分别对被测绕组信号输入、输出端的电压信号进行采集，经过处理可以得到反映绕组频率响应特性和短路阻抗特性的量。相关的参数计算如下［12］:

频率响应法的计算方法:

短路阻抗法的计算方法:

为研究绕组的短路阻抗特性，可以进行如下处理:

得到

式中，R0是等效电阻，大小一般取50 Ω。

取短路阻抗的实部即为电阻，取虚部即为电抗，可以在全频段内绘制R－f、Z－f特性曲线，通过比较变压器遭受短路故障前后的变化程度，来判断绕组变形的情况。从扫频阻抗法诊断机理可知，经过数值分析，可以将变压器短路阻抗在50 Hz工频下的数值计算出来，并用铭牌上的数值与其进行比较，由此可成为判断变压器绕组是否发生变形的参数之一。此外，根据绕组等效模型分析，由扫频阻抗法得出的中高频段响应特性曲线仍可参照频响法进行判断分析。综上所述，可以对得到的短路阻抗曲线继续进行分析，得到R－f、Z－f特征曲线，继而研究这些参数对不同情况下绕组变形的灵敏度，作为判断变压器绕组是否变形的新依据。

3.4 扫频阻抗法与频响法的对比

扫频阻抗法对测试结果引入了新的判断参考参数，可为绕组变形诊断提供更多有价值的参考依据，在诊断变压器绕组变形上比频响法更有效，而且测试结果富含更多信息量。现将扫频阻抗法与频响法的进行比较，如表1所示。

4 扫频阻抗法实验验证

4.1 改进后频响法试验

改进后频响法测试接线原理如图5所示。

采用扫频阻抗法进行测试，将变压器未加压侧短接，在加压侧施加＞100 W的大功率扫频信号，通过测量装置测试激励和响应信号。图5中电流表测量的是流过一次侧的电流。

试验仪器为基于TDT型改进的绕组变形测试系统，外加设备为大功率信号发生器。模型变压器参数:容量40 MVA，电压等级110/38.5/10.5 kV，联结组标号为YNyn0d11。

表1 频响法和扫频阻抗法比较Tab．1 Comparison of frequency response analysis method with sweep frequency impedance Method

绕组变形试系统满足的技术指标如表2所示。

表2 绕组变形测试系统技术指标Tab．2 Index of the wind deformation test system

4.2 扫频阻抗法实验验证

将变压器低压绕组开路，在0.03～1 MHz频段内进行扫频测试获得频响曲线;再将低压绕组短路，进行0.03～1 MHz扫频测试获得频响曲线及短路阻抗曲线，如图6所示。

由图6可知:

1)当频率大于45 kHz时，低压侧在短路和开路时的两条曲线重合度很高，说明副边是否短路对测试结果影响不大。

2)当频率降到9 kHz以下时，用这两种方法测试得到的曲线差异较大，测量得到的短路阻抗值与铭牌值很接近，且在误差的允许范围之内，因此低频时可用测量得到的短路阻抗值与铭牌值进行比较来判断变压器绕组是否变形。

3)9～45 kHz基本为过渡区，表现为由差别较大逐渐趋于一致，处于这部分的曲线尚需深入研究。

将模型变压器二次绕组短接，模拟14－18绕组短接故障前后曲线对比，14－18绕组短接相当于改变了绕组内部的电感量，测试曲线如图7所示。

由图7可知:模型变压器在二次侧短路的情况下，将14－18绕组进行短接测试，相当使绕组的电感量发生了变化，曲线在低频段发生了明显的平移，发展趋势和频率基本成正比例关系，反映了短路阻抗发生的变化;曲线的波峰波谷在高频段发生移位与反向，反映了测试曲线在高频段时波峰波谷的幅值－频率的情况。在模型变压器14－18绕组短接的情况下，对模型变压器的二次侧开路和短路情况进行测试，如图8所示。

从图8可以看到，在低频段曲线的平移较为明显，反映了Z－f关系，而曲线在高频段的重合性较好，说明在低频段扫频阻抗法可以反映短路情况下阻抗的变化，在高频段又能够反映频响法的特性。将模型变压器模拟26－28匝间短路，在二次短路情况下进行的测试，如图9所示。

图7 二次短路情况下，14－18绕组短接前后的扫频曲线对比图Fig．7 Comparison of 14 －18 winding sweep frequency curve before and after short in case of the secondary side short

图8 14－18绕组短接，二次短路和开路情况下扫频曲线对比图Fig．8 Comparison of sweep frequency curve 14 －18 winding short circuit，in case of the secondary side short and open ciruit

图9 二次短路情况下，26－28匝间短路前后的扫频曲线对比图Fig．9 Comparison of 26 －28 winding sweep frequency curve before and after short in case of the secondary side short

由图9可知:曲线在低频段的线性部分偏移不明显，表明阻抗发生少量变化;同时高频段的幅频响应发生明显变化，说明在短路情况下扫频阻抗法能够反映频响法和短路阻抗法的特性。26－28绕组短路，二次短路和开路情况下前后的扫频曲线对比如图10所示。

图10 26－28绕组短路，二次短路和开路情况下前后的扫频曲线对比图Fig．10 Comparison of sweep frequency curve arcund 26－28 winding short circuit secondary side short and open circuit

由图10可以看到:曲线在低频段部分发生明显的平移，反应了Z－f的变化;高频段发生不明显平移，反应了匝间短路对匝间电容的影响。参考图10，说明改进后频响法在二次侧短路情况下测试灵敏度较好。

综上所述，扫频阻抗法通过一次测量，可以获得频响特性曲线与阻抗特性曲线;经过计算可获得短路阻抗值，能有机地将两种方法融合在一起，同时也验证了实验结果的正确性。

5 结语

扫频阻抗法结合频响法和短路阻抗法的优点，实现了一次测量获得全频段的短路特性曲线和频响特性曲线。实验证实了该方法是一种新型有效的绕组诊断方法。

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