一种变压器绕组形变故障在线诊断技术

王奕飞

（辽宁机电职业技术学院自动控制工程系，辽宁丹东118009）

一种变压器绕组形变故障在线诊断技术

王奕飞

（辽宁机电职业技术学院自动控制工程系，辽宁丹东118009）

文章研究了一种基于短路电抗与振动分析相结合的绕组形变故障在线诊断方法。应用了一种只需在线测量出变压器高、低压侧绕组电压、电流向量的短路电抗在线监测算法对短路电抗进行在线监测，采用一种基于小波包能量熵的振动信号处理方法对振动信号进行分析。通过对S11-M-500/35变压器进行绕组形变下的模拟负载试验和短路冲击试验，得出绕组不同程度形变下变压器短路电抗和振动信号的变化特点。试验结果表明：当绕组产生较严重形变时，短路电抗法可及时反映出绕组的形变故障；当绕组产生轻微形变时，振动分析法可作为短路电抗法的有效补充，及时对绕组的微小形变进行反映。采用二者相结合的诊断方法，对及时判断变压器绕组形变故障具有重要意义。

短路电抗法；振动分析法；绕组形变故障；在线诊断

变压器作为电力系统中的关键设备，它的安全运行直接关系到发电及供电系统的安全可靠性。在变压器的众多故障中，大约25%是由绕组形变引起的［1］。目前对变压器绕组变形诊断的方法主要有低压脉冲法、频率响应法和短路电抗试验法。以上三种变压器绕组变形检测方法均需变压器退出运行，属于离线检测方法，不能在线监测变压器绕组的状况并及时发现故障。其中由于短路电抗法判断绕组形变具有较好的重复性，较高的可靠性，并在多年的使用和实践中得到了公认的定量判据，已列入通用标准（GB1094.5或IEC76.5）中，但该方法需要变压器退出运行后对绕组进行离线检测，不能实时地反映出形变故障，同时灵敏度较低。另一方面，由于变压器油箱表面的振动情况与变压器绕组的位移和形变程度有着十分密切的关系，因此通过振动分析法对变压器箱壁上的振动信号进行分析可以间接的反映出变压器的绕组故障。而且该方法属于一种在线监测方法，但振动分析法对周围环境条件要求较高，多种因素都会对变压器的振动信号测量产生较大影响［2-3］。

为弥补单一诊断方法各自的不足，本文建立了基于短路电抗与振动分析相结合的变压器绕组形变在线诊断方法。以S11-M-500/35变压器为研究对象，首先建立了变压器短路电抗在线监测模型，并进行了绕组形变下的模拟负载试验，对其短路电抗进行在线监测。之后对变压器进行了多次突发短路试验。试验中，只针对A相绕组进行连续五次短路冲击试验，使A相绕组较其他两相绕组产生更为严重的形变，对比不同绕组形变下变压器振动信号的变化特点。

1 变压器短路电抗在线监测原理

变压器内部的电磁关系可以用变压器的等效电路有效进行反映，首先以单相双绕组变压器为例进行分析，其T型等效电路模型如图1所示。

图1 变压器T形等效电路

其中：Z1为一次侧绕组的阻抗；Z12为二次侧绕组阻抗归算至一次侧的阻抗；Zm为励磁绕组的阻抗；U˙1、I˙1为一次绕组侧的电压向量和电流相量；U˙2，I˙2为二次绕组侧的电压向量和电流相量；U˙12，I˙12为二次绕组侧的电压、电流向量在一次侧的归算值；I˙m为变压器的励磁电流；k为变压器的变比。

根据T形等效电路模型可得：

根据I12=I2/K，U12=KU2，可得

对于一台特定的变压器，一次侧阻抗Z1和二次侧阻抗Z2都为常量。因此，可设：

整理可得：

式中：R1+jX1=Z1为一次侧绕组阻抗；R12+jX12= Z12为二次侧归算到一次侧的阻抗值。

对（5）式进行整理可得：

由式（4）可知，对变压器一、二次侧的电流、电压的向量值进行采集可以求得一组m、n、a、b的数值，并将其带入式（6）：

对变压器的负载进行调整，并测量不同负载下的U1i、U2i、I1i、I2i。其中i=1,2。

根据式（8）计算出两组m、n、a、b后，可列写出如下矩阵：

由式（9）可解出X1，X12，而变压器的短路电抗可表示为：XK=X1+X2。

对于三相变压器，只需在每一相单独应用上述方法即可［4］。

2 变压器短路电抗在线监测试验

本文研制了一台变压器绕组形变在线监测装置。装置采用“DSP+FPGA”的结构，在DSP与AD芯片之间加入FPGA作数据缓存，装置中的算法处理主要由DSP负责完成，FPGA主要负责数据采集部分的逻辑控制，这样的结构可以有效解决算法复杂性和系统实时性的矛盾，使高速数据采集与复杂的绕组形变故障判断算法得以实现。变压器绕组形变在线监测装置系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构如

图3 模拟负载试验接线图

试验用变压器型号为S11-M-500/10，其中Uk%=6.56，Pk=7259 W，I0%=0.8，P0=892 W。高压侧：电流互感器选用HL28型标准电流互感器，精度等级0.01级，电压互感器选用HJ12型标准电压互感器，精度等级0.01级。低压侧：电流互感器选用HL28-1型电流互感器，精度等级0.05级，电压互感器选用HJ12-1型电压互感器，精度等级0.05级。试验中选用两台变压器作为模拟负载运行，型号分别为S11-M-200/10，S11-M-200/35的三相变压器。试验接线原理图如图3所示。

首先将S11-M-200/35型变压器高压侧短接，低压侧接入被试变压器低压端，以此作为被试变压器的模拟负载，电源侧施加电压进行模拟负载试验，在线监测装置通过互感器获取被试变压器一二次侧电流、电压瞬时值，并算出第一组变量m1、n1、a1、b1；然后将模拟负载变压器换为S11-M-200/10型变压器，同样将高压侧短接，低压侧接入被试变压器低压端，进行模拟负载试验，通过监测装置获取一二次侧电流、电压，算出第二组变量m2、n2、a2、b2。试验现场如图4所示。

图4 模拟负载试验现场

图5 短路电抗在线监测数据

试验前，通过短路阻抗分析仪对变压器的短路阻抗进行离线测量并以此作为各相在线测量的标准。将变压器短路电抗的在线计算结果与离线值作对比，如果变化率超过2%，则说明绕组已经存在变形，应该停机进行检修（GB1094.5中规定对于具有圆形同心式线圈的变压器不大于2%）［5］。短路电抗的离线测量结果如表1所示。

表1 短路电抗离线测量值

在线监测试验中的测量结果如图5所示。

从试验结果中可以看出，在线测量的短路电抗值与离线测量结果相比最大相差1.19%，由于测试系统精度原因，此误差可判定为由传感器误差引起。同时通过试验可以看出A、B、C三相的短路电抗变化率均未超过2%，在国标规定的范围之内。

3 绕组形变下短路电抗在线监测试验

为检验在线监测装置是否可以切实地检测出变压器的绕组形变故障。使A、B、C三相绕组在绕制的过程中加入人为故障设置，在三相绕组存在形变故障的情况下对变压器的短路电抗进行在线测量，并与离线时测量的短路电抗做对比。具体的绕组故障设计如下：

A相绕组故障设计为：低压绕组辐向压缩、高压绕组辐向拉伸。

B相绕组故障设计为：低压绕组不进行楔形条及端绝缘的装加使得绕组轴向松动，高压绕组正常。

C相绕组故障设计为：低压绕组正常，高压绕组在线圈两端进行绕组端部叠套故障设计。

绕组故障下的短路电抗在线监测试验结果如图6所示。

图6 绕组形变下的短路电抗在线监测值

从上图中可以看出，通过在线监测试验与离线测量短路电抗基准值相比A相变化率为5.61%，B相变化率为3.18%，C相变化率为7.27%，三相绕组的短路电抗变化均超过了GB1094.5中规定的2%，证明了基于短路电抗法在线判断绕组形变的可行性。

4 短路冲击试验

当绕组发生微小形变时，变压器的短路电抗变化较小，依据短路电抗法判断绕组形变较易发生错误。为此，当绕组发生微小形变时，采用振动信号分析法作为短路点抗法的有效补充对绕组形变故障进行判断［6-7］。

为获取绕组的微小形变，对变压器进行了短路冲击试验，试验中只针对A相三分接进行连续5次100%IN（此时短路电流峰值为293.5 A，对称短路电流值为138.5 A，此分接下，短路电流最大，绕组所承受的电动力也最大，绕组产生的形变也应最为明显）短路冲击，B、C两相未单独进行冲击。短路试验现场如图7所示。

图7 短路试验现场图

为获取短路冲击前后绕组振动信号的变化情况，分别在冲击前、后对变压器进行了负载试验，测得其振动数据。试验中振动传感器选用BK公司的3050A型数据采集设备，振动传感器选择朗斯压电式加速度传感器LC0154J。试验中振动数据的采样频率设定为6.4 kHz，由香浓采样定理可知，分析频率为6.4/2=3.2 kHz，图8、图9为A相短路试验前、后负载试验中获取的变压器箱体振动信号时域波形。

图8 短路试验前A相绕组振动时域波形

图9 短路试验后A相绕组振动时域波形

从时域波形中可以看出，冲击前后绕组的振动除了幅值有所增加外并不能看出其他明显的变化。

图10 短路试验前、后吊心对比图

从吊心对比图10中可以看出与试验前相比A相绕组在经历5次短路冲击后，绕组并未发生明显形变。表2为每次冲击前后测得的离线短路电抗值。

表2 短路电抗离线测量值

从表2中可以看出，相比于其他两相，A相在经历5次短路冲击后，短路电抗呈现出逐渐增大的趋势，但是变化率并未超过2%。虽符合国标规定，但相对与B、C两相却发生了明显的规律性增长，此时应该予以重视。

将时域波形进行快速傅立叶分析，在频域中观察其变化特性。如图11、图12所示。

图11 短路试验前A相绕组振动频域波形

图12 短路试验后A相绕组振动频域波形

从图中可以看出，短路冲击前，绕组的振动频率主要集中在0～1 000 Hz范围内，主要分布于50 Hz、100 Hz及其倍频处。经短路冲击后，其50 Hz、100 Hz频率处的振动幅值明显增加，其他频率处的振动幅值则相对减弱。相对于绕组正常时的振动特性，这种幅频特性的改变说明绕组在经过多次短路冲击后已经发生了累积形变，它使得频域中一些频率成分得到了增强，而另一些频率成分得到了削弱，这样的改变带来最直接的反映就是发生绕组形变的变压器各频段内的能量会发生明显的变化。据此可以用来作为诊断绕组是否发生形变的依据。

运用小波包能量熵算法，对短路冲击前后A、B、C三相绕组各频段能量进行分析。由于分析频率为3.2 kHz，因此对振动信号进行5层小波包分解，分解共得到32个频段，每个频段代表的频率范围为100 Hz，提取出前10个频段内的能量熵值（对应的频率范围为0～1000 Hz）［8-10］。并将它们绘制成折线图，如图13所示。

图13 短路试验前、后能量折线对比图

从上图中可以看出，A相绕组的能量折线图相比于短路冲击试验前产生了明显的变化，第一、二个频段内能量明显增高，并分别增高了0.221 4和0.060 0，其他频段内的能量则相对减小，这也验证了振动信号在频域中所分析的变化趋势。而B、C两相绕组则相比于短路冲击试验前基本保持不变。

5 结论

本文采用了短路电抗法与振动分析法相结合的绕组形变判断方法，并研制成样机进行相关试验，试验结果表明：当变压器绕组发生较明显形变时，短路电抗法可有效的作出反映，短路电抗变化率较为明显。当绕组发生微小形变时，短路电抗无法有效作出反映时，可用振动信号分析法对绕组的微小形变进行监测。有效克服了单一诊断方法对诊断结果的影响，实现了对绕组状态多参数、多纬度、多角度的综合判断，对变压器绕组状态的早期预防及故障诊断具有重要意义。

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（责任编辑：龙海波）

An online diagnosis technology for transformer winding deformation failure

WANG Yi-fei
（Department of Automatic Control Engineering,Liaoning Mechatronics College，Dandong 118009，China）

An online fault diagnosis method of winding deformation failure based on short circuit reactance and vibration analysis methods was studied.A short-circuit reactance online monitoring algorithm was proposed to monitor the short-circuit reactance online.The vibration signal processing method based on wavelet packet entropy was used to analyze the vibration signal.Through the simulated load test and short-circuit impact test of S11-M-500/35transformer under winding deformation，the characteristics of short-circuit reactance and vibration signal of transformer under varying deformation were obtained.The results showed that the short-circuit reactance method could reflect the deformation failure of the winding when the winding was serious deformed. When the winding was slightly deformed，the vibration analysis method could be used as an effective supplement to the short-circuit reactance method.The combination of the two diagnostic methods is of great significance to determine the deformation of the transformer winding failure.

short-circuit reactance method；vibration analysis method；winding deformation failure；online diagnosis

TM407

A

1673-4939（2017）03-0168-08

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.04

2017-04-10

王奕飞（1989—），男，硕士研究生，研究方向：电气装备状态监测与故障诊断。