残余电荷对变压器绕组频率响应影响的机理分析

唐民富 方 笑 田 维 罗思瑶

（1．国网湘西供电公司，湖南 吉首416000；2．国网益阳供电公司，湖南 益阳413000）

0 引言

绕组变形是指电力变压器绕组在机械力或电动力作用下发生的轴向或径向尺寸变化，通常表现出绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征［1］。短路电流冲击、外部冲撞等均有可能导致变压器绕组发生变形，致使变压器绝缘损坏，从而影响变压器的安全运行。因此，当变压器遭受近区短路故障、雷电和合闸冲击，或经过长途运输后，应开展绕组变形试验。

当前变压器绕组变形检测工作中，频率响应分析法（Frequency Response Analysis，FRA）简称频响法，具有灵敏度高、综合分析全面、应用广泛的特点，但应用过程中对现场条件的要求也比较严格。

文献［2］对绕组变形测试的频响法理论进行了深入分析。文献［3－5］从现场工作经验出发详细论述了应用频响法测量变压器绕组变形时的影响因素，但未对各类影响因素产生的机理进行理论分析。本文将从频率响应分析法的基本理论出发，从理论角度对变压器绕组残余电荷的影响机理进行详细分析。

1 频响法基本原理

在较高频率的电压作用下，变压器的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二端口网络，其内部特性可通过传递函数H（jω）描述，如图1所示。

图1 频响法原理图

如果变压器的绕组发生了变形，那么绕组内部的分布电感L、电容C等参数必然改变，导致等效网络传递函数H（jω）的零点、极点发生变化，从而改变网络的频率响应特性。用频响法检测变压器绕组变形，正是通过检侧变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异来判断变压器可能发生的绕组变形［1］。

变压器绕组的幅频响应特性曲线采用频率扫描方式获得。连续改变外施正弦波激励源Us的频率（角频率ω＝2πf），测量在不同频率下的响应端电压U2和激励源U1的信号幅值之比，即可获得指定激励端和响应端情况下绕组的幅频响应曲线。

图1中，L、C1及C2分别为绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容，U1、U2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压，Us为正弦波激励信号源电压，Rs为信号源输出阻抗，R为匹配电阻。测得的幅频响应曲线常用对数形式表示，即对电压幅值进行如下处理：

式中，H（f）表示频率为f时的传递函数的模｜H（jω）｜；U2（f）、U1（f）表示频率为f时的响应端和激励端电压的峰值或有效值｜U2（jω）｜、｜U1（jω）｜。

2 残余电荷对频率响应的影响机理

用频响法测量变压器绕组变形的一个重要前提是变压器绕组可以等效成一个无源的二端口网络。此时，根据二端口网络传递函数的性质可知一定满足U2（f）＜U1（f），由于H（f）＝20log［U2（f）／U1（f）］，所以：

现场实际工作中，当变压器刚停电或刚做完直流试验项目后未进行充分放电时，在变压器绕组中电容元件可能会带有电荷，此时相当于变压器绕组内部含有源元件，如图2所示。

图2 残余电荷对频响法的影响原理图

在内部电容元件充有电荷的情况下应用绕组变形频率响应分析法时，这些电容储存的电荷会释放出来，影响输出函数U2（f），造成输出结果的不确定性，会出现U2（f）≥U1（f）的情况，当U2（f）＞U1（f）时有 H（f）＞0，此时的绕组频响曲线与不含电荷时相比将明显抬高。

3 实例分析

某变电站发生主变跳闸事故后，检修人员对变压器进行绕组变形诊断试验，在对低压绕组进行测量后，试验仪器给出的诊断结果是低压绕组可能存在变形，频率响应曲线如图3所示。

对图3进行仔细分析后发现，ab绕组的频响曲线在中高频后明显上翘，其响应值明显大于0。根据式（1）可知，在没有干扰因素的情况下，由于U2（f）的幅值小于U1（f），H（f）应小于0，即整条频率响应曲线应处于0刻度以下，图中频响曲线上翘超出0值极有可能是绕组内部具有残余电荷所致。

图3 未排除干扰前低压绕组频响曲线

放置一段时间并进行充分放电后，重新对该变压器进行绕组变形测试，试验仪器给出的测试结论为：低压绕组未发生明显变形，频率响应曲线如图4所示。

图4 排除干扰后低压绕组频响曲线

从图中可以看出，经过放置和充分放电后，低压绕组频率响应曲线全部处于0刻度以下，并具有较好的重合度，按照横向比较方法可得出低压绕组无明显变形的结论。这证明了前面对于绕组残余电荷对频率响应结果影响推断的正确性。

4 结语

（1）变压器绕组残存电荷时，残余电荷对频响曲线具有明显影响，表现为抬高频响曲线，使频响曲线出现大于0的情况。

（2）在现场工作中，影响频响曲线的因素很多，应多积累经验，仔细甄别，去伪存真。

（3）用频响法测量绕组变形，具有不能定量分析的缺陷，应结合其他如短路阻抗法、油色谱分析、电容量测试等相关手段进行综合分析，避免以偏概全和误判断。

［1］DL／T911—2004 电力变压器绕组变形的频率响应分析法［S］

［2］舒乃秋，武剑利，王晓琪．频率响应分析法检测电力变压器绕组变形的理论研究［J］．变压器，2005（10）：23～26

［3］曹小龙，胡春梅，曹小虎，等．变压器频率响应法测试结果的影响因素分析及改善［J］．高压电器，2012（7）：81～87

［4］何平，文习山．变压器绕组变形的频率响应分析法综述［J］．高电压技术，2006（5）：37～41

［5］李晨，李强，孙昭昌，等．变压器绕组变形的影响因素及出口短路后分析［J］．变压器，2013（8）：66～70