基于VFTO特性的变压器绕组变形在线检测方法

张 宁，朱永利，张 蒙，张媛媛，郑艳艳

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003)



基于VFTO特性的变压器绕组变形在线检测方法

张 宁，朱永利，张 蒙，张媛媛，郑艳艳

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003)

目前，变压器绕组变形的检测大多采用离线方式，需要变压器退出运行，降低了变压器的运行效率，存在一定的局限性。为能在线及时检测到绕组变形，结合频率响应分析原理，提出了基于特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)特性的变压器绕组变形在线检测方法。利用变压器绕组在VFTO信号中高频成分冲击下体现的频率响应特性，测量绕组进线端的VFTO信号和绕组末端的响应信号，计算得到频率响应曲线，通过分析比较曲线中波峰、波谷的变化实现绕组变形的在线检测。仿真结果表明，该方法对绕组不同变形类型、程度和位置均体现出差异性和规律性，具有潜在的实用价值。

电力变压器；绕组变形；在线检测；VFTO；频率响应分析

0 引 言

变压器是电力系统的主要设备之一[1-2]，在电力系统中起到电压等级转换、能量分配等重要作用，其可靠性直接影响电力系统的正常运行。据实际运行资料的不完全统计，约有25%的变压器故障是由绕组变形所致[3]。提高绕组变形诊断方法的准确度和可靠性，对于减少变压器故障具有重要意义。

频率响应法[4]是普遍采用的绕组变形检测方法之一，在实际检测中，多次测量之间误差小，而且操作简单，但其为离线检测方法，停电试验时变压器状态与运行中不符，影响测量和判断。而在线检测是在变压器处于运行状态时对其进行检测和诊断，与离线检测相比，能及时发现绕组变形，提高诊断的真实性和灵敏度，而且在线检测能积累大量数据，综合分析变压器的当前数据和历史数据，及时、全面地进行分析判断，减少定期检查带来的误差[5]。文献[6]测试变压器原、副边的电压和电流数据，然后计算变压器等效短路电抗参数，和铭牌上的短路电抗对比以判断绕组的变形程度，忽略了现场运行环境对测试数据的影响，而且随着变压器运行年限的增加，绕组的短路电抗值与铭牌上的标准值存在差别。文献[7]介绍了一套基于脉冲信号注入法的绕组在线检测系统，测试信号通过安装于变压器主馈线上的电容分压器注入，注入信号可能影响变压器的正常运行状态，而且可能对其他设备造成干扰。

综上所述，本文利用气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation, GIS)运行过程中产生的特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)冲击变压器绕组这一特点，提出了基于VFTO特性的变压器绕组变形在线检测方法，在阐述原理的基础上，采用MATLAB/Simulink建立模型，通过仿真实验验证本方法的可行性。

1 在线检测原理

频率响应法是目前国内外检测变压器绕组变形的主要方法之一[8]。在较高频率下(通常指1 kHz以上)，变压器绕组可等效为由电感、电容元件构成等值单元的一个无源系统[9-11]，其单元电路模型如图1所示。其中，L为绕组的电感，C为变压器绕组的对地电容，K为变压器绕组纵向电容，各元件的取值由绕组导线性质和变压器结构等决定。频率响应特性是此类系统的突出性质，对于一个确定的网络，其频率响应特性是唯一的。当绕组发生变形时，变压器绕组等效网络的参数将随之改变，进而绕组等效网络的频响特性发生变化。频率响应法的基本检测方法为在变压器绕组一侧施加扫频激励信号，使用信号采集装置测量绕组两端的激励和响应信号，进行数据处理得到绕组的频率响应曲线，通过对频率响应曲线进行横向或纵向对比，诊断绕组的健康状况[12]。

图1 变压器绕组的单元电路模型Fig.1 Element circuit model of transformer winding

在GIS中，操作断路器、隔离开关等会在GIS内部产生一个电压陡波，该陡波经多次折射和反射形成波头极陡、频率高达几十兆赫兹甚至上百兆赫兹的VFTO。当变压器通过套管直接与GIS连接时，产生的VFTO将进入变压器，在绕组中传播。由VFTO的特点可知，其波头时间极短，甚至可小于10 ns，最高频率达到兆赫兹，因而完全可与基频信号分离。而且VFTO陡峭的上升沿幅值高，且含有大量的高频成分，此时的变压器绕组即为一个高频下的无源系统。通过在线获得绕组首端的VFTO信号和在绕组中传播后的电压信号，经傅里叶变换后按式(1)求取频率响应曲线，通过分析比较曲线的变化实现变压器绕组变形的在线检测。

式中：Ui(ω)为变压器绕组首端的VFTO的幅值，Uo(ω)为变压器绕组末端的电压幅值。

测试原理图如图2所示，使用数据采集装置获得冲击变压器的VFTO和绕组末端的电压响应信号，经数据计算后构建频率响应曲线，在线诊断绕组状态。

图2 测试原理图Fig.2 Principle diagram of measurement

2 仿真分析

2.1 仿真模型

以单相变压器为例，采用MATLAB/Simulink进行仿真。本文的绕组等效模型为一个9级分布参数网络，由于雷电波与VFTO的特征相似，因此，选用标准雷电波作为输入[13]，仿真模型如图3所示。在本仿真中，假设绕组模型的分布参数为均匀分布参数，具体参数如表1所示，Ri为输入匹配电阻。

图3 变压器绕组仿真模型Fig.3 Simulation model of transformer winding

参数Li/mHKi/pFCi/pFRi/Ω数值40.42619.51213.2750

2.2 绕组变形的仿真实验

图4 正常绕组的频率响应曲线Fig.4 Frequency response curve of normal winding

变压器绕组正常时的频率响应曲线如图4所示，为作图清楚，仅显示了波峰、波谷出现的频段。可以看出，频率响应曲线中的波谷和波峰交替出现。由于变压器绕组由电感和电容参数组成，因此内部会发生多频谐振的现象。当变压器绕组的内部发生串联谐振时，频率响应曲线上产生波峰，当发生并联谐振时产生波谷。由图3的仿真模型可以看出，绕组发生变形会引起L、K、C参数的改变，从而使频率响应曲线上波峰、波谷的位置和幅值发生变化。在仿真中改变不同的参数模拟绕组变形，对比分析绕组变形前后频率响应曲线的变化，验证本在线检测方法的正确性。

2.2.1 变形类型不同

他手举风筝追赶我，却不想风筝被一个树枝夹到，进退不得。他唤住我，可怜兮兮的样子不知道该怎么办，我一把拿过风筝线，说“我来试试。”

以第5级的参数改变为例，分别将L、K、C增加15%，所得的频率响应曲线对比图如图5所示。图中黑色虚线为变压器绕组正常时的频率响应曲线，红色实线为参数改变后的频率响应曲线，后面的曲线图类同。图5中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的变化情况如表2所示。

图5 L5、K5、C5依次增加15%后的仿真结果Fig.5 Simulation results after increasing L5, K5 and C5 by 15% successively

正常时的波峰频率/kHz7.814.421.126.431.334.437.539.3L5增加15%Δf/kHz0.00.50.00.9-2.2-0.20.0-0.2λ0+0+++++000ΔA/dB4.92.8-5.4-7.7-18.83.3-3.67.0γ+++++++++++++K5增加15%Δf/kHz0.00.00.00.20.20.20.00.2λ00000000ΔA/dB0.10.00.0-0.11.0-2.40.0-0.6γ00000+00C5增加15%Δf/kHz0.20.00.9-1.1-0.20.20.5-0.9λ00+++++00+++ΔA/dB-3.11.0-7.8-8.53.4-0.3-6.622.9γ+0+++++0+++++

在表2中， Δf为波谷的偏移量， ΔA为波谷幅值的变化量，其计算公式如下：

式中：f1i和A1i为绕组正常时第i个波谷的频率和幅值，f2i和A2i为绕组变形后第i个波谷的频率和幅值。正值表示波谷右移或波谷幅值减小，负值表示波谷左移或波谷幅值增大。

表2中的λ为波谷频率的偏移度，γ为波谷幅值的变化程度，其定义如表3所示，表中数值为表2中数据的绝对值。

表3 绕组变形程度判断

结合图5和表2可以看出，频响曲线反应电感型变形主要体现在第3、4、5波谷上，波谷的偏移和幅值改变均比较明显，尤其是第5个波谷处波形畸变严重；频响曲线对纵向电容型变形不敏感，仅在第6个波谷处幅值发生变化；频响曲线反应对地电容型变形主要体现在第3、4、7、8波谷上，其谐振频率及幅值均发生不同程度的变化。因此，根据频率响应曲线的特征可以区分变压器绕组变形的大致类型。

以第5级的参数改变为例，分别将L、K、C增加10%、15%、20%，分析所得频率响应曲线的差异。结果表明，通过对比曲线间的差异能有效诊断绕组发生的不同程度的变形。本文以参数L的改变为例加以说明，如图6所示，其余参数改变后的频响图不再赘述。图6中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的变化情况如表4所示。

图6 L5增加不同比例后波谷变化情况Fig.6 Simulation results after increasing L5 by different proportion

正常时的波峰频率/kHz7.814.421.126.431.334.437.539.3L5增加10%Δf/kHz-0.20.9-1.6-0.20.20.9-0.60.0λ0+++++00+++0ΔA/dB3.40.7-29.51.1-10.3-3.5-4.55.1γ+0+++++++++++L5增加15%Δf/kHz0.00.50.00.9-2.2-0.20.0-0.2λ0+0+++++000ΔA/dB0.10.00.0-0.11.0-2.40.0-0.6γ+++++++++++++L5增加20%Δf/kHz0.00.50.4-0.90.20.0-0.4-0.2λ0++++00+0ΔA/dB6.61.8-8.4-5.00.01.5-8.03.1γ++++++0++++

结合图6 和表4可以看出，电感参数L5的变化程度不同，各波谷波形的畸变程度也存在差异。其中，L5增加10%时，第3、5波谷变化明显，尤其是第3波谷的幅值和频率均发生较大变化；L5增加15%时，第3、4、5波谷变化明显，尤其是第5波谷的幅值和频率发生较大偏移；L5增加20%时，第1、3、7波谷的幅值发生明显变化，第4波谷的频率偏移明显。因此，通过分析频响曲线对比图能有效判断绕组发生变形的程度。

2.2.3 变形位置不同

分别将L、K、C在第1、3、5、7、9级增加15%，分析所得频率响应曲线的差异。结果表明，通过对比曲线间的差异能有效诊断绕组不同位置的变形。本文以参数L的改变为例加以说明，所得的频率响应曲线对比图如图7所示，其余参数改变后的频响图不再赘述。图7中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的变化情况如表5所示。

结合图7和表5可以看出，不同位置的电感参数发生变化，各波谷的畸变程度不同。其中，L1变化时，主要是第4、5、6、7波谷变化明显；L3变化时，第1、2、3、4、8波谷畸变明显；L5变化时，第3、4、5波谷变化明显，尤其是第5波谷的幅值和频率发生较大偏移；L7变化时，主要是第1、2、3、5波谷变化明显；L9变化时，主要是第3、7波谷变化明显。因此，根据频率响应曲线的特征差异可以区分变压器绕组变形的大致位置。

图7 L在不同位置增加15%后的仿真结果
Fig.7 Simulation results after increasing L by 15% in different positions

表5 L在不同位置增加15%后波谷变化情况

3 结 论

VFTO陡峭的上升沿中包含大量的高频成分，变压器绕组在该高频信号的作用下体现出频响特性。结合频率响应法原理，本文提出了基于VFTO特性的变压器绕组变形在线检测方法。仿真结果表明，本方法能有效反映绕组变形类型、程度和位置，频率响应曲线的波峰、波谷在不同变形情况下存在一定的差异和规律，验证了本方法的可行性和实用价值。本课题组后续将开展在线测量VFTO信号的传感器的研究，并在变压器不同运行方

式下，通过实验进一步验证本方法的可行性。

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On-line Detection Method for Transformer Winding Deformation Based on Characteristics of VFTO

ZHANG Ning, ZHU Yongli, ZHANG Meng, ZHANG Yuanyuan, ZHENG Yanyan

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Off-line mode is mostly used in the detection of transformer winding deformation; however, it has some limitations. To detect winding deformation on-line and in time, an on-line detection method for transformer winding deformation based on characteristics of Very Fast Transient Overvoltage (VFTO) is proposed by combining the principle of frequency response analysis. Frequency response characteristic of the winding which is under the impact of high frequency components in VFTO is utilized. The VFTO signal in the input end of transformer winding and the response signal in the terminal are measured, which are calculated to frequency response curves. On-line detection of winding deformation can be done by analyzing and comparing the variations of the response curves. The simulation results show that the method reveals diversities and regularities of different deformation types, location and degree and it is of great potential practical value.

power transformer; winding deformation; on-line detection; VFTO; frequency response analysis

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.02

2016-01-01.

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014xs74).

TM406

A

1007-2691(2016)05-0008-06

张宁(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断；朱永利(1963-)，男，教授，博士生导师，研究方向为输变电设备状态在线监测、智能分析和智能电网；张蒙(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断；张媛媛(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为输电线路故障定位和电力系统运行、分析与控制；郑艳艳(1987-)，女，博士研究生，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断。