变压器频率响应分析法测试结果的影响因素分析

李 颉，张树亮，葛瑞利

（国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北 沧州 061001）

变压器频率响应分析法测试结果的影响因素分析

李 颉，张树亮，葛瑞利

（国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北 沧州 061001）

针对在现场应用频率响应分析法检测变压器绕组变形时干扰因素较多，若操作不当，会使测试结果失真，导致对绕组状态做出错误判断的问题，结合频率响应分析法的基本原理和现场实例经验，从测试系统、被测变压器两方面分析测试结果的影响因素，并提出提高测试结果的准确性的相关注意事项。

变压器；绕组变形；频响法；频响曲线；频段

变压器绕组变形的原因有两种：一种是源于外力的机械碰撞导致的绕组发生整体性位移，一种是运行中的变压器突发出口或近区短路时，绕组在短路电流产生的巨大且不均匀的轴向或径向电动应力作用下发生的扭曲、鼓包或移位等现象。虽然在发生绕组变形后，变压器多数情况下还能正常运行，但因内部绝缘距离的改变以及积累效应的存在，变压器的电气绝缘性能和机械性能将逐渐降低，最终可能引发绝缘故障。因此及时对疑似存在绕组变形的变压器进行缺陷排查是十分必要的。国内外在变压器绕组变形检测方面的手段有很多种，其中频率响应分析法（简称“频响法”）是目前业内公认最为有效的检测手段之一。

1 频响法的基本原理

当变压器绕组在较高频率（频率大于1kHz）的电压作用下，变压器的铁心基本不起作用，每个绕组均可视为一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端口网络。设绕组单位长度的分布电感、纵向电容和对地电容分别为L、K、C（绕组电阻通常很小，可忽略），则绕组的等值网络可用图1表示。

图1 变压器绕组等值网络

根据电工学理论，可以通过传递函数H（jω）对其特性进行描述。如果绕组发生了轴向、径向尺寸的变化，势必会改变网络的L、K、C等分布参数，导致其传递函数H（jω）的零点和极点发生变化。

变压器绕组的频响特性采用频率扫描的方式获得。频响法一般选用1～1 000kHz的扫频范围内的1 000个线性分布扫描频点进行测试。因为在此频率范围内变压器绕组的分布电容和电感均发挥作用，谐振点丰富，频响特征比较明显。如图1，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。

测得的频响特性曲线常用对数（dB）形式表示，即对电压幅值之比进行如下处理：

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）│。

频响测试主机连续输出1 000个线性分布的频点进行扫频检测，经过计算机软件处理得到直观、量化的频响曲线。用频响法判断变压器的绕组变形，是通过对频响曲线进行纵向或横向比较，并参考相关系数的大小，诊断出绕组有无扭曲、鼓包、移位等变形现象。

2 测试结果的影响因素

频响法是基于比较的方法，两次的试验结果必须在相同的测试条件下比较才有意义。但被测回路中电气参数及测试条件的变化都会对试验结果的重复性产生影响。通过多年的现场测试，发现了大量测试结果失真的案例，并从中归纳出影响测试重复性的两大类因素，即源于测试系统的影响因素和源于被测主体的影响因素，以下做详细阐述。

2.1 源于测试系统的影响因素

2.1.1 信号源的位置

信号源是指频响测试主机扫频信号的输出端，即VS端。若将变压器某1相绕组的等值数学模型看做完全理论化的无源双端口网络，则信号源不论施加在绕组首端还是尾端，其频响特性不应有太大差异。但是由于变压器内部复杂的结构设计，真实的变压器绕组首尾两端不可能完全对称，故改变信号源位置对同一绕组的频响曲线会有一定影响。影响程度的大小，取决于绕组首尾两端在物理结构上的对称程度。

对于110kV及以上电压等级的变压器，其高压、中压绕组一般为星型接线，绕组尾端为三相共联的星点，绕组首端和中性点（星点）端在器身内部的空间位置和结构设计上有明显的差异，而且由于多数变压器的高压绕组都配置了有载分接开关（如三相中性点调压的有载分接开关，其安装位置在中性点一侧），这些因素都增大了高压绕组首尾两端的不对称程度。因此信号源分别选择在首端和尾端时，测得的频响曲线会有明显差异。图2是某台110kV变压器高压侧U相进行测试时，信号源分别施加在首端（虚）及尾端（实）时测得的频响曲线对比图。从图2中可以看到，两曲线在50kHz附近出现了明显的差异，这种差异一直延续到测试结束。

图2 信号源分别位于绕组首端与尾端时的频响曲线对比

低压绕组一般为三角型接线，如果三角型接线无法在外部解开，则没有实际意义上的绕组尾端（每一相绕组的尾端又是另外一相绕组的首端），因此不能单相测试，只能通过两相绕组的首端进行激励和响应。由于每相绕组的首端在空间位置和结构尺寸都具有较高的相似性，结构上基本对称，因此无论选择哪一相绕组首端作为信号源进行激励，测试结果不会有太大差异。结论的正确性也通过现场测试结果得到了充分验证。

2.1.2 测量接地线的长度

测试时在仪器的激励端和响应端各有1个测量接地点，分别通过2根带绝缘层的铜线接地。接地点可作为测量激励电压和响应电压幅值的基准点。由于频响法测试仪的工作频段在1～1 000 kHz，因此测量接地线在工作状况下可认为是由电阻和电感串联形成的阻抗，在频率较低情况下可认为是阻性的（电抗很小），但在高频情况下主要是感性的，其阻抗值随频率f的升高而增大。因此如果激励端和响应端的接地线长度不等，使其因在高频状态下呈现的阻抗值不同而在测量回路中产生不同的压降，导致频响特性误差增大。这种影响在频响曲线的高频段最为明显。如果忽略此因素，很可能因误判而得出错误的结论［3］。因此每次试验时，激励端与响应端应使用固定长度的测量接地线，且应尽量伸直，不要缠绕。

2.1.3 测量接地点位置的选择

激励端与响应端测量接地点位置的选择对频响曲线也会有一定影响。

图3为某台220kV变压器高压侧U相绕组两次测试的频响曲线对比图。其中实线为激励端和响应端的测量接地分别接在主变压器铁心引出的接地导体和散热片外壳上测得的曲线，而虚线为2个测量接地都接在主变压器铁心引出的接地导体上测得的曲线。可见，2条曲线在中频段及高频段都存在明显的差异。因此应注意，初次测量时测量接地点的位置一旦确定，以后每次测试都不能更改，避免因测试条件不同而引入较大误差。

图3 激励端与响应端测量接地点在不同位置时的频响曲线对比

2.2 源于被测变压器的影响因素

2.2.1 变压器外接引线的影响

变压器的外接引线如果没有拆除，频响法测试的重复性会受到一定影响。影响程度的大小，取决于外接引线的长度。相连的外接引线会改变变压器绕组的频响特性，因为这些引线增大了绕组对地电容的大小，引线越长，对地电容就越大。引线对低压侧的影响最为严重，因为低压侧外接引线与接地架构的距离最短，而且往往是铜排，投影面积比较大，这些因素都会增大引线对地电容。图4为某110kV变压器低压侧绕组在外接引线拆除前后的频响曲线对比图，其中实线为正常曲线。外接引线为10kV铜排，这段引线从低压侧套管一直到配电室内的隔离开关，长度大约为15 m。从图4中看出，引线对频响曲线的高频段影响最为严重。

因此，频响法测试前应拆除与变压器套管相连的所有引线。拆除的引线应尽量远离被测变压器的套管并直接接地，避免感应电压影响测试结果。

图4 低压侧套管外接引线拆除前后的频响曲线对比

2.2.2 分接开关档位的影响

变压器分接开关的档位，决定了绕组匝数的多少，直接影响到被试变压器绕组的分布电感和电容，从而引起该绕组频响曲线的变化。故在绕组变形测试时务必记录下分接开关的档位，以便在同一档位上进行历史数据的比较。建议每次试验都在最高分接档位（1档）进行测试，因为在1档位可以测到全部调压绕组及主绕组的频响数据。

有载分接开关档位对频响曲线低频段的影响最大。对于大容量变压器，这种影响的范围主要集中在100kHz以内。

图5为某220kV等级、容量为240MVA的变压器，分接开关档位分别在1档（实）和2档（虚）测得的频响曲线对比图。从图5中可以看出，仅仅1个分接档位之差，使得两曲线在低频段35kHz附近出现明显的差异，导致低频段相关系数小于1.0。因此，分接开关的档位会对频响测试结果产生至关重要的影响。

图5 有载开关位于1分接和2分接时的频响曲线对比

2.2.3 铁心及夹件的接地情况

变压器的铁心及夹件在正常运行状态下必须保证一点可靠接地。经过试验验证，铁心和夹件接地与否会对绕组的频响曲线产生一定影响。图6中虚线为变压器的铁心不接地情况下测得的频响曲线，而实线为正常曲线，2条曲线在500kHz附近开始出现明显的差别，通过试验，另外发现夹件不接地时也会出现类似的差异。因此为确保测试结果的准确性，测试时铁心和夹件必须可靠接地。

图6 变压器铁心是否接地时的频响曲线对比

2.2.4 引线线夹的影响

进行频响法测试时，如果引线线夹没有从变压器套管的导电杆上拆除，而将激励端与响应端直接接在引线线夹上，那么导电杆与引线线夹之间的接触电阻会串入测试回路。为了弄清接触电阻是否会对频响特性数据造成影响，在有无引线线夹的情况下分别进行了频响法测试，结果为2条频响曲线基本重叠，各频段的相关系数都在3以上。这是因为引线线夹与套管导电杆之间的接触电阻是纯阻性的，且阻值非常小，而引起绕组频响特性变化的主要因素是分布电感及分布电容。因此，在频响法测试时，套管上的引线线夹是否拆除，对测试结果的影响并不大。

2.2.5 其他试验项目的影响

对绕组进行绝缘电阻、泄漏电流等直流项目的试验时，都会在绕组中积累大量的电荷。如果试验后放电不充分，将直接影响到被试变压器绕组层间、匝间及对地电容量的大小，进而引起频响曲线的变化［2］。图7中虚线是正常情况下测得的，而实线是使用2 500V兆欧表对绕组进行绝缘电阻测量后，未充分放电即进行频响测试所得的曲线。从图7中可以看到，曲线在低频段和高频段都出现了比较大的差异，低频段尤为明显。可见，绕组残余电荷会对频响测试结果产生十分严重的影响。

图7 绕组绝缘电阻试验前后的频响曲线对比

3 结论

基于上述的各种影响因素，为了提高测试结果的准确性，应该严格遵循以下几点。

a.带分接开关的绕组应在最大分接（1档位）进行频响法测试。如果条件不允许，可在其他分接位进行测试，但应做好备注，以便日后在同一档位进行测试比较。

b.测试前应拆除与变压器套管相连的所有引线，拆除的引线应尽量远离被测变压器的套管并接地，以消除感应电压及引线对地杂散电容的影响。

c.测试前变压器的外壳、铁心及夹件均应可靠接地。

d.频响法测试最好在所有试验项目开始之前进行，尤其避免在绕组绝缘电阻、泄漏电流和外施耐压试验后进行，这些试验容易在绕组中产生残余电荷，导致频响曲线严重失真。如遇到上述情况，则应在测试前将三相绕组短路接地放电，放电时间应足够长以确保残余电荷彻底放尽。

e.信号源位置的改变在很多情况下会影响频响曲线的走势。因此如无特殊规定，可参考图8的接线方式来规范信号源位置的选择。

图8 绕组变形的几种常见接线方式

f.激励端与响应端接地线的长度应一致，测试时接地线应尽量伸直，不要缠绕。

g.激励端与响应端接地线应选择在同一点接地，建议选择变压器铁心引出的接地导体作为测量接地点，因为变压器铁心多在顶部引出，接地导体比较明显，易于规范化管理。

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

［2］吴晓东，魏泽民.影响变压器频率响应测试结果的因素分析［J］.电力设备，2004，5（10）：60-63.

［3］王景林，李锐海.接地线对变压器绕组变形试验的影响［J］.云南电力技术，2007，35（1）：1-2.

本文责任编辑：王丽斌

InfluenceFactosAnalysisonTestResultsofTransformer FrequencyResponseAnalysisMethod

Li Jie，Zhang Shuliang，Ge Ruili
（State Grid Hebei Electric Power Corporation Cangzhou Power Supply Branch，Cangzhou 061001，China）

Because there are many interference factors during the in-site test of frequency response analysis method on transformer winding deformation，any improper operations would make some distortions on the test result，so it is easy to cause the incorrect judgment for the condition of transformer winding.For this point，this paper is based on basic principle of frequency response analysis method and practical experience，analyses the influence factor of the test results on two sides，and puts forward some notices concerned about how to improve the accuracy of the test results.

transformer；winding deformation；FRA；frequency response curve；frequency band

TM41

B

1001-9898（2015）03-0042-04

2014-12-03

李 颉（1980－），男，工程师，主要从事变电设备的电气试验工作。