基于频响曲线的变压器绕组变形专家诊断系统

张鑫，王昕，郑益慧，李立学，孙鹏，黄绪勇

(1.上海交通大学 电工与电子技术中心，上海 200240;2.云南电网电力研究院，云南 昆明 650127)

基于频响曲线的变压器绕组变形专家诊断系统

张鑫1，王昕1，郑益慧1，李立学1，孙鹏2，黄绪勇2

(1.上海交通大学 电工与电子技术中心，上海 200240;2.云南电网电力研究院，云南 昆明 650127)

频率响应分析法如今已成为变压器绕组变形现场试验的主要方法。在此基础上，首先分析了现场测试因素对频响曲线的影响，并整合到变压器绕组变形专家诊断系统中。通过对大量变压器诊断案例的分析，总结了频率响应法诊断绕组变形工作中的积累的判断经验。最后，设计了基于频响曲线的变压器绕组变形专家诊断系统，并对多台变压器绕组进行实际测试，与国家标准判断结果比较分析，结果表明系统在合理利用国家标准的同时，极大地降低了标准的误判率。

频率响应分析法;绕组变形;专家系统;诊断;影响因素

0 引言

电力变压器是电力系统中重要的输变电设备，它的安全可靠运行对于整个电力系统的安全生产和稳定运行有关键性影响。据统计，约25%的变压器故障是由绕组变形引起的［1］，因此变压器绕组变形的检测成为确保变压器安全可靠运行的重要环节。

对于电力变压器绕组变形的检测，目前现场试验的主要方法是频率响应分析法［2］。该方法最早由加拿大的 E.P.Dick提出［3］，20世纪90年代初我国开始研究采用频率响应法检测绕组变形情况［4］，并于2004年由电力企业联合会提出了相关系数参考标准［5］，但在实际工作中，直接引用该标准易引起误判断［6－7］。针对这一问题，文献［8－9］给出了判断绕组变形时必须注意的现场影响因素，但是这些因素过于复杂，无法被现场检测人员全部掌握。另一方面，文献［10－12］提出了利用频响曲线信息进一步有效分析绕组变形类型和发生位置，但是这些诊断经验错综复杂，难以被检测人员完全掌握，而且不同的检测人员根据这些诊断经验获得的检测结果也不尽相同，导致可重复性差。

因此，本文设计了基于频响曲线的变压器绕组变形专家诊断系统。首先，本文分析了现场测试因素对频响曲线的影响，并将这些因素整合到变压器绕组变形专家诊断系统中，从而提升了相关系数参考标准的判断灵活性和准确度。然后综合现场测试专家的经验，本文分析了绕组变形的不同类型对频响曲线谐振点的影响，总结了频率响应法诊断绕组变形工作中的积累的判断经验，并将其整合到专家诊断系统数据库中，使得无任何经验的检测人员也可根据系统提示快速准确地开展现场诊断工作。最后，本文对多台变压器绕组进行实际测试，并与国家标准判断结果比较分析，结果表明系统在合理利用国家标准的同时，极大地降低了标准的误判率，对实际诊断工作起到很好的指导作用。

1 频响法的基本原理

变 压器绕组在频率1 kHz以上电压的作用下，可以看作是由线性电阻、电感和电容组成的无源线性分布参数网络，其内部特性可通过传递函数H(jω)描述，如图1所示。

图1中，L、K、C分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容，U1、U2分别为激励端电压和响应端电压，Us为正弦波激励信号源，Rs为输出阻抗，R为匹配电阻。

频响法中，连续改变外施正弦波激励源Us的频率ω，测量在不同频率下的U2和U1的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端的绕组幅频响应为:

式中 H(jω)是频率为 ω 时传递函数的有效值，U2(jω)、U1(jω)是频率为ω时响应端和激励端电压的有效值。

绕组发生变形时，其网络的频率响应特性发生变化，频响法就是基于此对变压器绕组变形情况进行检测。幅频响应特性曲线中的波峰或波谷分布位置及数量的变化，是分析变压器绕组变形的重要依据［6］。

2 绕组变形专家诊断系统的结构

该专家系统整合多年积累的绕组变形判断的现场经验，综合考虑变压器的类型和现场因素的影响，根据变形发生的绕组位置及程度对绕组状态做出准确判断。

变压器绕组变形专家诊断系统的基本结构见图2。该专家系统通过绕组变形综合数据库，推理机，进行诊断，然后通过人机接口界面进行交互。

图2 专家诊断系统基本结构

2.1 专家诊断系统的数据库

该数据库采用模块化设计思路，根据功能分为结论事实库和诊断依据库两个部分:

1)结论事实库:用于记录设定的绕组故障结论，包括绕组变形程度判断以及绕组变形类型判断。结论事实库主要包括测试过程的影响因素和变形种类及其等效分析两个部分。

五四时期是中国儿童文学翻译的高潮，也为后来本土儿童文学创作奠定了基础。虽然现在越来越多的研究学者注意到该方向，但是我们仍要认清现实，现在该方向研究仍然十分有限。希望今后国内针对五四时期的儿童文学翻译也能迎来它的春天。

(1)测试过程的影响因素:以本系统采用的RZBX型变压器绕组变形测试仪为例，其系统框架如图3示。

图3 绕组变形测试的系统框架

图3中左下角的被试变压器的分布参数等效电路表示的是带分接开关的变压器绕组。其中，A为铁心接地;B为变压器箱壳接地;C为变压器箱壳有绝缘漆时的等效接地点。

根据大量绕组诊断的现场经验，影响变压器绕组变形测试结果的主要因素有以下两点。

① 铁心接地［13］:铁心接地与否对测试结果的影响表现在系统框图等效电路中就是铁心对地电容Cc存在与否对测量结果的影响。铁心不接地时，变形测试的最大特点是结果重复性差。因此，当诊断系统检测到同一变压器多次测试结果差异较大时，将做出铁心可能接地不良的提示。

② 分接开关接触不良:带分接开关的绕组，触头可以等效为系统框架图中的低阻值接触电阻Rt和触头间等效电容Co并联。这个电路串在电感电路上，会产生很多的谐振峰，但无法形成大的谐振，因此特性曲线会产生很多毛刺，而特性曲线的总轮廓与正常曲线基本重合。

(2)绕组变形种类及其等效分析:本文根据对大量变压器现场诊断及吊罩检查结果的经验，总结出各类绕组变形对应的频响曲线变化规律，列举部分如下:

① 局部压缩和拉开变形:引线未被牵动的条件下，线圈整体并未被压缩，只有部分饼间距离拉开，部分饼间距离压缩。对应到频谱图上，有部分谐振峰向高频方向移动，并伴随着峰值下降;而有部分谐振峰向低频方向移动，并伴随着峰值升高。

③ 线圈断股:线圈断股时，线圈的整体电感将会略有增大。对应到频谱图上，其低频段的谐振峰将会向低频方向略有移动，幅值上的衰减基本不变;中频和高频段的频谱曲线与正常线圈的谱图重合。

2)诊断依据库:用于存储系统诊断的依据，包括不同种类变压器绕组的特性、同种变压器低、中、高压绕组的特性，以及历史频响曲线数据、事故统计、分析及应对措施等。

2.2 专家诊断系统的推理机

变压器绕组故障时，其频响曲线包含了大量的信息，推理过程比较复杂。为了尽量获得有效的诊断信息，将频响曲线分为低、中、高频三段，对三段曲线的信息分别提取相关系数R、曲线突变点数量m、波峰波谷数量n及对应点频率f等多个特征量。

当确定绕组发生一定程度的变形时，根据系统当前接收的测试数据，利用综合数据库的知识，按照正向推理的方式推理。首先根据综合数据库的诊断依据，然后与诊断规则进行匹配，匹配成功即可得到结论。

2.3 系统诊断过程

首先，专家系统采用相关系数R辅助判断。如果相关系数计算结果为“RLF≥2.0和 RMF≥1.0 和 RHF≥0.6”，则直接输出结论“正常绕组”［5］。若三相频响曲线一致性不好，则变压器绕组是否存在变形需作进一步分析。这时，专家诊断诊断流程如图4所示。

当相关系数法认为绕组存在问题时，系统首先搜索案例知识库中以往成功诊断的案例，与其进行匹配。若故障为案例知识库已有的故障，则直接给出诊断结果;若为初次接触的故障或者匹配不成功的故障，则根据低、中、高压绕组相关系数综合数据、变压器类型以及专家经验进行推理，初步判定绕组变形程度，再综合各侧线圈的频响曲线变化，尤其是谐振点频率及频峰的变化特征，做出绕组变形的可能类型和发生位置的分析和判断，并给出下一步的处理意见。

3 诊断实例

［实例］2006年10月，氧化铝公司西厂#1主变进行预防性试验，变压器型号SFPSZ9—80000/110，变压器类型为三相三绕组变压器，主要相关系数分析结果如表1所示。

按照 DL/T 911－2004国家标准，图5(b)、(c)表明中、高压绕组均存在轻微变形，需加强监测。

图4 故障诊断流程

表1 变压器频响曲线相关系数表

专家诊断系统进行了低、中、高压三侧绕组的分析，发现尽管高压、中压轻微变形，低压绕组却完全正常，如图5(a)所示。根据专家经验，对于110 kV及以上高电压、大容量、变压器组一般情况下无变形，即使个别绕组出现轻微变形，通常情况下可以忽略不计。因此作出专家判断:绕组状态正常。

该变压器投运后安全运行至今，多次的色谱追踪也显示该变压器无异常，证明专家系统的判断是正确的。

图5 实例1专家诊断界面

4 结束语

首先，本文介绍了频率响应分析法的基本原理，分析了现场测试的因素对频响曲线的影响，并将这些结论运用到变压器绕组变形专家诊断系统中，从而提升了相关系数参考标准的判断灵活性和准确度，解决了现场检测人员难以综合考虑现场影响因素的问题。

另一方面，通过对大量变压器诊断案例的分析，本文分析了绕组变形的不同类型对频响曲线谐振点的影响，总结了频率响应法诊断绕组变形工作中的积累的判断经验，并将其整合到专家诊断系统数据库中，能快速有效地诊断绕组变形的类型和发生位置，零经验的检测人员也可根据系统提示快速准确地开展现场诊断工作。

［1］ WANG M，VANDERMAAR A J，SRIVASTAVA K D.Review of condition assessment of power transformers in service［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2002，18(6):12－25.

［2］何文林，应高亮.频响分析法测试变压器绕组变形的研究［J］.中国电力，2000，33(12):39－42.

［3］ DICK E P，ERVEN C C.Transformer diagnostic testing by frequency response analysis［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1978(6):2144 －2153.

［4］邵长顺，刘连睿.变压器绕组变形诊断技术的研究［J］.华北电力技术，1993，23(7):1－4.

［5］DL/T 911－2004.电力变压器绕组变形的频率响应分析法［S］.中国国家发改委，2004.

［6］程盛.正确应用频率响应相关系数分析和判断绕组变形［J］.高压电器，2006，42(1):021.

［7］曹小龙.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，2012，48(7):81－87.

［8］龙凯华，杨海超，马继先，等.电力变压器绕组变形诊断有效性研究［J］.变压器，2013，50(9):54－57.

［9］WANG M，VANDERMAAR A J，SRIVASTAVA K D.Transformer winding movement monitoring in service－key factors affecting FRA measurements［J］.Electrical Insulation Magazine，IEEE，2004，20(5):5－12.

［10］ FIROOZIH，KHAREZIM，RAHIMPOUR H，et al.Transformer fault diagnosis using frequency response analysis-practical studies［C］//Power and Energy Engineering Conference(APPEEC)，2011 Asia－Pacific.IEEE，2011:1－4.

［11］ ZHANG X，WANG X，ZHENG Y H，et al.Research of fault type of transformerwinding based on frequency response analysis［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，448:2270－2273.

［12］ FIROOZIH，KHAREZIM，RAHIMPOUR H，et al.Transformer fault diagnosis using frequency response analysis-practical studies［C］//Power and Energy Engineering Conference(APPEEC)，2011 Asia-Pacific.IEEE，2011:1－4.

［13］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，2005，42(10):23－26.

［14］ ISLAM SM.Detection of shorted turns and windingmovements in large power transformers using frequency response analysis［C］//Power Engineering Society Winter Meeting，2000.IEEE.IEEE，2000，3:2233－2238.

［15］王丽丽，李永刚，张建忠，等.变压器短路时导线应力和绕组强度的探讨［J］.变压器，2013，50(2):60－63.

An Expert Diagnosis System for Transformer W inding Deformation Based on the Frequency Response Curve

ZHANG Xin1，WANG Xin1，ZHENG Yi-hui1，LILi-xue1，SUN Peng2，HUANG Xu-yong2
(1.Center of Electrical＆Electronic Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2.Yunnan Grid and Electrical Power Research Institute，Kunming Yunnan650127，China)

The frequency response analysismethod has become themainmethod for field testsof transformerwinding deformation.On thatbasis，this paper analyzes the influence of field testing factors on the frequency response curve，and integrates that into the expert diagnosis system for transformer winging deformation.On the other hand，experiences of winding deformation diagnosis using frequency response analysis are summarized on the basisofanalyzing lots of diagnostic cases of transformers.Finally，an expert diagnosis system is developed on the basis of frequency response curve for transformer deformation and actual tests are made of the windings of a number of transformers.A comparison with the judgmentmade in accordancewith national standards shows that the system can greatly reduce themisjudgment rate of the standard whilemaking a reasonable use of national standards.

frequency response analysis;winding deformation;expert system，diagnosis;influencing factor

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.015

TM76

A

1000－3886(2015)06－0047－03

定稿日期:2014－12－11

国家自然科学基金(60504010)，国家高新技术863发展计划(2008AA04Z129)，上海市自然科学基金(14ZR1421800)，流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金资助

张鑫(1989－)，男，江苏常州人，硕士生，研究方向为变压器故障诊断。 王昕(1972－)，男，辽宁沈阳人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为智能电网;可再生能源的分布式生产、传输、存储和接入技术。 郑益慧(1971－)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，主要研究方向为电能质量、智能控制技术在电网中的应用等。 李立学(1978－)，男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为电力设备在线监测及故障诊断技术。 孙鹏(1972－)，男，云南昆明人，博士，高级工程师，主要研究方向为电力设备全寿命周期管理技术支撑体系，状态检修，架空导地线融冰等。 黄绪勇(1974－)，男，湖北大治人，博士，高级工程师，研究方向为新型继电保护，可靠性技术。