脉冲频率响应法检测绕组故障仿真分析

郑 国

(四川水利职业技术学院， 四川 都江堰 611830)

脉冲频率响应法检测绕组故障仿真分析

郑 国

(四川水利职业技术学院， 四川 都江堰 611830)

变压器故障中比较常见的一种现象为绕组变形，该故障影响恶劣。检测变压器故障类型或者绕组的变形程度，对于故障的发展、绕组变形进一步恶化，保障电网的安全稳定运行具有深远意义。总结了绕组变形检测的常用方法，并提出了一种利用方波脉冲作为注入信号，检测绕组故障的新思路。并通过PSPICE仿真试验，验证了该方法的有效性。通过对比正弦扫频信号、双指数波信号和方波信号，理论分析方波脉冲信号具有检测频率宽，幅值高，操作简单等优点，得出其更适宜作为检测绕组变形的注入信号；在PSPICE中建立绕组的高频等效模型，通过改变绕组等效模型中对地电容和纵向电容，观察故障前后绕组的频响曲线，验证方波脉冲检测绕组变形的有效性。研究结果可对变压器故障检测方法提供参考。

脉冲信号; 变压器绕组; 频率响应

0 引 言

随着我国电力行业的发展，电力系统的规模不断扩大，变压器的容量也随之提高。变压器作为电力输送枢纽，其一旦发生故障，将对国民经济造成不可估量的损失[1]。但是变压器工作环境复杂，故障类型多样。因此必须采用各种分析、监测手段，提前预防事故的发生，保障变压器的安全运行。

根据有关资料显示[2]，变压器短路故障往往会对绕组造成不同程度的损坏，如轴向变形或者辐向变形，甚至造成器身移位和绕组断股。究其原因是变压器在长时间运行过程中自身机械强度下降，绝缘性能老化，容易引起短路故障。短路故障产生的电动力进一步恶化了变压器机械强度，引起绕组的轻微变形，导致绝缘局部受损，产生局部放电进一步使绝缘性能恶化。因此，研究变压器绕组状态检测具有十分重要意义。

低压脉冲法是最早的变压器绕组检测方法之一，若变压器绕组发生变形，等效的RLC参数就会相应地发生变化，其脉冲响应信号也随之改变。其被列入IEEE标准中，但其缺点是重复性差[3]，对首端响应灵敏度差[4]。目前频率响应分析法应用较为广泛[5]。在高频区域，变压器绕组可以被看作一个由RLC组成的无源二端口网络。

频率响应法相对于低压脉冲法，其操作简单，可靠，重复性好，灵敏度高[4]。但是频率响应法也有一定的缺点：检测频率不高，而绕组的轻微变形的信息往往存在于高频。其次，传统的频率响应法只能离线检测变压器绕组故障，不确定因素较多。此外还有绕组变形的超声波检测法[6]，其利用超声波测距的原理检测绕组变形，当变压器绕组发生故障之后，则超声波经过的距离发生改变，由此可判定变压器绕组故障类型和故障位置[7]。该方法操作简便，原理简单，测量精确，重复性较好。但当变压器处于有油和无油状态下，测量结果差异较大，不能有效判定绕组状态，且易受油温的影响[8]。

绕组故障的分析判别方法主要基于频率响应曲线。通过对比故障前后的频响曲线的差异，判别绕组故障类型和故障位置。大致可以分为两类，① 横向对比，对比同厂商同批次变压器绕组的频响曲线。② 纵向对比，对比变压器绕组在不同时期的频率响应曲线[9-10]。

在实验室中，为了更加全面地分析数据，通常对频响曲线中每一个谐振点都进行分析计算，比较前后频响曲线中谐振点频率和幅值的偏移。设故障前绕组在谐振点A处的频率为f1，幅值为M1，故障后绕组在A处的频率为f2，幅值为M2。其中频率的变化量Δf=f2-f1,幅值的变化量ΔM=M2-M1。若Δf<0，则表示绕组发生故障之后，谐振点A处的频率向右偏移，反之则向左偏移。若ΔM>0，则表示绕组发生故障后，谐振点A处的幅值向上偏移，反之则向下偏移。通过对比每一个谐振点频率和幅值的变化量，即可判断频响曲线的差异。

基于该原理，以及考虑现有的绕组检测方法的局限性，本文首先理论分析了注入信号波形对绕组故障检测的影响，继而利用PSPICE建立绕组高频等效模型，仿真分析方波脉冲的频谱。为了模拟典型绕组故障，分别改变其对地电容和纵向电容。理论分析及仿真结果均表明，利用方波脉冲能有效检测绕组的微小故障，且灵敏度较好。研究结果可对变压器故障检测方法提供一定的参考。

1 注入信号波形理论分析

不同类型的信号源，对于检测绕组变形的有效性不同。信号源选择的第一要素就是方便，需选择实验室或现场容易产生的波形，常见的波形有双指数波，正弦扫频信号，方波脉冲等。本文对这几种不同类型的信号源进行理论分析，选择最优信号源。

1.1正弦扫频信号

传统的频率响应分析法采用正弦扫频信号作为激励信号源，正弦扫频信号可以输出稳态正弦波信号，而且正弦波的频率在一定时间内可以不断变化。但是，传统的频率响应法使用的扫频信号有很大的局限性。

首先，一般的正弦扫频信号是由商用网络分析仪产生，其价格昂贵，而且正弦波的幅值很低，最高也只能达到25 V[9]。而在变电站中，电磁信号强烈，电磁干扰严重，若采用幅值最高25 V的正弦扫频信号作为激励源，其激励信号很容易被电磁信号所掩盖。

其次，传统的频响法需要间歇注入多种频率的正弦稳态信号，其检测周期长。而且检测频率较低，根据电力行业标准，频响法注入正弦波频率最高为1 MHz。而研究表明，绕组轻微变形的信息更多地集中在高频段，在高频段更容易检测到变压器绕组的微小变形。

变压器绕组也可以等效为传输线。绕组变形等效为输电线路上的间断点或者是线路上阻抗的变化。阻抗的变化量取决于线路变化的长度，输电线路的波长越短，就更容易检测到绕组微小的变化[10-11]。例如，60 Hz时，1/4波长为1 250 km；1 MHz对应的1/4波长为75 m；而在10 MHz时，1/4波长只有7.5 m。显然，频率越高，灵敏度越高。在1 MHz以下，绕组松动和微小偏移并不容易被发现。在1～3 MHz之间绕组变形可以被检测到，但是对实验装置有严格的要求。

综上所述，产生正弦扫频信号的仪器价格昂贵，信号幅值低，检测频率低，周期长，忽略了绕组轻微变形在高频的谐振信息，因此其不适宜作为绕组故障检测的注入信号。

1.2双指数波

双指数波在实验室中容易产生，而且应用广泛。下面就双指数波应用于变压器绕组故障检测的有效性进行研究分析。双指数波通常由二阶零输入响应电路(见图1)产生：

图1 二阶零输入响应电路

(1)

(2)

(3)

由上式可知，当电阻R发生变化时，对应的P1和P2也将改变。进而引起双指数波的波形参数发生变化。因此，如果采用双指数波检测绕组变形故障，不同绕组的电阻值不同，则在绕组上就会产生波形参数不同的双指数波，简而言之，双指数波易受负载电阻的影响，导致检测有效性降低。综上所述，双指数波不适宜作为绕组变形检测的注入信号。

1.3方波脉冲

在实验室中可以产生不同波形参数的方波脉冲，方波脉冲在很多高新技术领域都有广泛的应用[13-14]。理想的方波脉冲只有脉冲宽度和幅值这两个波形参数，然而，实际的方波脉冲还应包括前沿上升时间和后沿时间参数等。采用方波脉冲作为变压器故障检测的注入脉冲有多方面的优势。

相对于正弦扫频信号，方波脉冲的频谱很宽。而正弦扫频信号需要重复输入多个频率的正弦波，其检测周期长。并且方波脉冲的幅值很容易提高，而正弦扫频信号的幅值较小，容易受到电磁干扰的影响。相比于双指数波信号，方波脉冲发生器的内部电容值较大，不容易受到负载阻值的影响，然而双指数波信号易受绕组电阻的影响。对比可得，采用方波脉冲更适宜变压器绕组故障检测。

2 脉冲信号应用于绕组故障检测的仿真分析

2.1仿真的基本设置及绕组参数

绕组的频率响应曲线在高频区域含有更为丰富的信息，在高频区域，更易检测到绕组的轻微变形。而且，脉冲信号的电压波形经过傅立叶变换后，其主频通常为数十MHz。所以，建立绕组的高频等效模型就尤为重要。文献[15]中提出了多种变压器绕组的等效模型，主要分为两大类，一类是黑盒模型或者端口模型，另一类是物理模型。端口模型主要采用数学方程的形式描述变压器的端口传输特性，与变压器的内部状况和物理特性没有任何联系。而物理模型却对变压器的每个部分都进行详细地仿真分析，此类模型主要采用RLC等效网络参数。在绕组的高频检测中，仿真模型越详细越好，文献[15]中提出的变压器绕组通用模型，可在不知道变压器具体参数的前提下，研究绕组在高频段的轻微变形。因此，本文通过文献[15]中提出的绕组模型，建立了PSPICE软件仿真电路，仿真了脉冲信号检测绕组变形的效果。

图2所示为绕组高频等效模型。模型将绕组分成很多相同的单元，单元个数由变压器的真实情况和程序的运算能力共同决定。采用R、L、C等效电路模拟变压器绕组。电路中的每一单元包括对地电容(Cg)，串联电容(Cs)，串联电感(L)和电阻(R)。在本模型中，使用50个单元来模拟多匝的变压器绕组。L表示线圈导线电感，Cg表示绕组和大地之间的电容，Cs表示匝间电容，R表示绕组电阻。并联电阻(Rg)表示绕组和外壳间的介质损耗，与Cs并联的电阻(Rs)表示匝间的介质损耗。

图2 绕组高频等效模型

2.2绕组纵向电容变化后的仿真分析

在变压器的实际运行过程中，绕组可能发生各种各样的故障。绕组的绝缘损坏和轴向偏移都会引起纵向电容的变化。本文仿真研究绕组纵向电容变化后，方波脉冲检测的灵敏度。其中方波脉冲的幅值设为500 V，脉冲宽度设为500 ns，前沿上升时间为20 ns。在本次仿真中，选取第三匝绕组，使其纵向电容由原来的5.1 pF下降为5 pF和4.8 pF，减小量分别为2%和5%，来模拟绕组纵向故障。当仿真的纵向电容变化量不大时，方波脉冲检测到灵敏度。

仿真结果如图3所示。图中重点分析差异较大的3个谐振点，谐振频率为5.04、5.76和7.64 MHz处的谐振导纳幅值如表1所示。

从表1数据中可以看出，当纵向电容发生微小的变化时，其谐振点的谐振频率基本不发生变化。只有在电容变化量为5%时，在5.04 MHz的谐振点处，谐振频率向高频方向偏移了40 kHz。但是，纵向电容的变化对幅值影响很大。在5.04 MHz的谐振频率处，当电容量减小2%时，其导纳幅值比健康绕组的导纳幅值增加了0.196，较健康绕组的导纳幅值增加了4%。当电容量减小了5%时，其导纳幅值急剧增加，较健康绕组导纳幅值增加了20%。同样，在7.64 MHz的谐振频率处，当电容量减小5%时，其导纳幅值较健康绕组增加了160%。

图3 绕组纵向电电容变化后的频响曲线

表1 绕组纵向电容变化前后，谐振点幅值和频率的变化量

综上所述，当绕组的纵向电容发生微小变化时，其故障前后频响曲线处谐振点的谐振频率变化不大，但是其导纳幅值却发生了显著的变化，远远大于电容量的变化率。因此，采用方波脉冲检测绕组纵向电容变化的灵敏度较高。

2.3绕组对地电容变化后的仿真分析

绕组整体发生机械位移，往往会导致对地电容发生变化。本文改变绕组的对地电容，研究方波脉冲检测的灵敏性。在高频仿真模型中，绕组的对地电容值均为0.12pF。在绕组仿真模型中部，取其中一匝绕组，将其对地电容值分别减小2%和5%，以模拟绕组的机械位移。脉冲的参数不变，仿真结果如图4所示。

同样，仅针对第3、4、5个谐振点进行分析。取故障前后的谐振点的频率和导纳幅值，如表2所示。

由表2可见，当绕组对地电容发生微小变化时，频响曲线上谐振点的谐振频率基本不发生偏移。只有在7.64 MHz的谐振频率处，当对地电容变化量为5%时，其谐振频率才向高频方向偏移了40 kHz。在5.76 MHz的谐振频率处，当对地电容减小2%时，其导纳幅值较健康绕组减小了19%，当对地电容减小5%时，其导纳幅值较健康绕组减小了22%。因此，对地电容变化前后，频响曲线上导纳幅值的变化量远大于对地电容的变化量。综上所述，当绕组故障导致对地电容变化时，方波脉冲检测的灵敏度较高。

图4 对地电容变化后的频响曲线

表2 绕组对地电容变化前后，谐振点幅值和频率的变化量

3 结 语

(1) 相对于正弦扫频信号，方波脉冲的频谱很宽；相比于双指数波信号，方波脉冲发生器的内部电容值较大，不容易受到负载阻值的影响。采用方波脉冲更适宜变压器绕组故障检测。

(2) 对于绕组纵向电容发生的微小变化，在5.04 MHz的谐振频率处，当电容量减小2%时，其导纳幅值比健康绕组的导纳幅值增加了4%，当电容量减小了5%时，其导纳幅值急剧增加，较健康绕组导纳幅值增加了20%。故障前后频响曲线处谐振点的谐振频率变化不大，但是其导纳幅值却发生了显著的变化，远远大于电容量的变化率。采用方波脉冲检测绕组纵向电容变化的灵敏度较高。

(3) 对于绕组对地电容发生的微小变化，在5.76 MHz的谐振频率处，当对地电容减小2%时，其导纳幅值较健康绕组减小了19%，当对地电容减小5%时，其导纳幅值较健康绕组减小了22%。对地电容变化前后，频响曲线上导纳幅值的变化量远大于对地电容的变化量，表明方波脉冲检测的灵敏度较高。

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Simulation Analysis on the Feasibility of Transformers Winding Fault Detection Based on Impulse Signal Wave Response

ZHENGGuo

(Sichuan Water Conservancy Vocational College,Dujianyyan 611830,Sichuan,China)

Winding deformation is one of the most common types of transformer faults.It is important to detect the fault type and the degree of deformation in time,and to prevent the further deterioration of deformation and to ensure the stable operation of the transformer.This paper summarizes the common methods of winding deformation detection,and puts forward a new way to detect the faults by using the square wave pulse as the injection signal.And through PSPICE simulation and field test,the effectiveness of the method is verified.The main content of the paper is as follows: by contrasting sine sweep frequency signal and double exponential wave and square wave signal,it finds that square wave signal has the advantages of wide detection frequency,high amplitude,easy operation,and is more suitable to use the injected signal for detecting winding deformation; then the high frequency equivalent model of winding is established in PSPICE,and by changing the series capacitance and the ground capacitance,it is proved that the square pulse is effective on detecting the slight deformation.Research results can provide certain references for the measurements of transformer faults detection.

impulse; transformers winding; impulse response

2016-10-18

郑 国(1972-)，男，四川都江堰人，讲师，主要研究方向：水利水电动力工程，机电设备运行稳定性及电能质量分析等。

Tel.: 15982862868；E-mail： 1047820951@qq.com

TP 391.2

：A

：1006-7167(2017)07-0151-05