大型变压器设备绕组变形故障诊断技术

李慧，刘永超

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250000；2.国网济南市长清区供电公司，山东 济南 250300）

0 引言

电力工业是国民经济发展的基础性产业，人们的日常生活以及工业生产都离不开电力能源的供应。因此，电力系统运行的稳定性和可靠性对于社会的和谐发展有着非常重要的影响。随着我国电网规模的不断扩大，电力设备不断增多，电网设备的日常维护和故障诊断就成为电力企业运营管理中的关键，一旦电网系统发生故障，不仅维修成本高、时间长，而且还会造成大面积停电，造成非常严重的负面影响。在电网系统中变压器设备作为重要的供电设备，对其进行科学合理的日常维护和故障诊断有着非常重要的影响[1]。其中绕组变形是变压器设备常见故障之一，也是诱发其他类型故障的主要原因。因此，针对绕组变形故障进行快速有效的检测和诊断，是预防大型变压器设备故障的重要措施。本文通过变压器动力学特性对绕组故障进行深入分析，改进现有的故障诊断方法，提升变压器绕组故障检测效率，最大限度地确保电网系统安全、稳定的运行。

1 大型变压器设备工作原理

随着我国经济的快速增长，用电需求量不断上升，为了解决不断增加的用电缺口，国家电网不断扩大发电机装机容量和电网规模，同时在电网自动化管理方面也进行有效的战略部署。在电网自动化管理过程中，对于设备故障的检修与维护工作提出了更加严格的要求。在电网系统中，一些设备故障会引发大面积的停电风险，对于工业生产和社会发展都会造成一定的负面影响，为了能够及时发现变压器故障隐患，提升变压器设备运行的安全性和稳定性，避免故障造成的停电风险，对大型变压器设备绕组变形故障诊断进行深入研究是非常必要的[2]。

电力工业使用的大型变压器设备是用来转换交流电流、交流电路和特性阻抗的一种电力设备，常见的变压器是由变压器铁芯和电磁线圈构成，电磁线圈有两个或者更多的绕阻，绕组本身使用导电材料制作，并且在外部覆盖绝缘层。大型变压器设备主要工作原理是一次电磁线圈中有交流电路通过时，铁芯会伴随产生沟通交流磁通量，并且在二次电磁线圈中造成工作电压。

2 大型变压器设备常见故障评价

大型变压器设备应用范围广，故障率较高，根据不同类型，故障表现的形式存在一定差异。常见的变压器故障包括电路故障、绕组故障、磁路故障以及油路故障等类型。下面就对大型变压器常见故障进行简要分析：

2.1 电路故障

大型变压器设备电路故障主要表现为长时间承受电压、电流以及强电磁力的冲击，造成变压器电路绝缘老化、绝缘受损、电路受潮等问题，进而导致变压器绝缘失效，变压器内部结构发生损伤导致导线短路、接地、断路、击穿等现象。一旦出现短路故障，短路电流冲击力会对变压器内部机械结构造成损伤甚至烧毁变压器。

2.2 绕组故障

绕组是变压器的主要零部件，绕组故障也是导致变压器其他故障和事故发生的直接原因。变压器设备绕组变形的诱因包括自身结构强度不足、生产制造工艺不合格，容易受到外力影响导致绕组几何形状发生不可逆转的改变，包括绕组线圈位置发生偏移、绕组扭曲以及鼓包等，进而导致绕组承受正常允许的短路电流能力变差。大型变压器设备一旦出现绕组变形故障，如果不及时进行修复或者更换，将会造成变压器烧毁或者大面积停电等严重事故[3]。

2.3 磁路故障

变压器主要通过铁芯中的电流产生电磁感应进行能量传递，磁路故障的产生主要是由于铁芯结构受到损伤或者与接地铁芯发生碰撞，固定铁芯的螺栓松动，导致铁芯松动，工作过程中产生异响，并且出现局部不良接触从而产生发热。此外，由于变压器生产制造工艺缺陷导致铁芯短路或者多点接地的情况，同样会引发变压器磁路故障产生。

2.4 油路故障

变压器油具有良好的耐高温性和绝缘性，可以提升变压器设备的绝缘强度和使用寿命，对于大型变压器设备有着非常重要的保护作用。变压器油箱在受到外力作用下会导致机械损伤，造成变压器渗漏，绝缘油污染，使得原本的绝缘特性受损。一旦变压器油液进水，不仅会降低变压器的耐受电压，而且水分子的存在会对导线造成一定的锈蚀影响，降低变压器设备的使用寿命。一旦油箱受损，混入杂质使油道堵塞，也会影响散热，使绝缘过于老化，从而发生短路故障。由于防雷措施不完善，也可能发生绝缘击穿的情况。此外，变压器高压侧多采用电容套管、产品质量不合格有沙眼或裂纹，电容本身缺陷，内部游离放电，密封效果差，有漏油现象，套管污秽都可能发生闪络效应[4]。

3 变压器故障设备绕组故障诊断系统设计

针对大型变压器设备绕组故障诊断，比较常用的方式包括：短路阻抗诊断、低压脉冲诊断、频率响应诊断以及电容变量诊断法等。

3.1 短路阻抗诊断法

短路阻抗诊断主要是根据变压器设备负载阻抗绕组的电抗值来判断其几何结构，由于变压器设备绕组电抗值大小主要由绕组几何结构和位置决定，当绕组受到外力作用产生形变，电抗值随之改变。因此，可以通过检测变压器设备中短路电抗值大小，来判断绕组是否发生形变。但是在实际应用过程中，由于检测短路阻抗的灵敏度较低，而且根据短路阻抗判断绕组形变的分析过程较长，不利于大面积的推广使用。

3.2 低压脉冲诊断法

通过检测大型变压器设备的低压脉冲来判断绕组发生形变的依据，是利用等值电路中，各个单元参数分布转化成波形上的结构变化，使用高频响应示波器，将一些微小的变化等效放大，便于清晰直观的反映出来。然后借助小波分析法去除干扰，准确获取绕组形变的特征量。该方法相较于短路阻抗诊断法有较强的精确性，但是容易受到电磁因素的干扰，重复性较差。

3.3 频率响应诊断法

大型变压器设备在高频率状态下工作，可以等效为一个电容、电感分布参数组成的网络系统，根据频率响应建立绕组的几何形状的函数特征曲线，当绕组结构发生改变时，函数特征曲线会发生改变，根据函数特征曲线推算出变压器绕组的结构状态。频率响应诊断法通过软件分析减少了大量的检测仪器设备，因此应用成本较低，并且有效的避免了电磁干扰的影响，重复性较强，目前在大型变压器设备绕组故障诊断中的应用较为广泛。

3.4 电容变量诊断法

变压器设备在工作过程中可以视为一个电阻、电容、电感的网络结构，绕组的等值电容可以直接反映出绕组与周围环境之间的相对位移。在正常情况下，绕组在工作过程中的电容量变化范围较小，当绕组受到外力作用，或者遭受短路冲击后，几何结构发生改变，电容量将会随即发生变化。如果检测到变压器设备的绕组电容量发生大范围的波动，则说明变压器绕组存在变形故障。

4 基于频率响应法检测变压器绕组变形的仿真分析

变压器设备在高频信号作用下可以等效为一个由分布电感、电容组成的网络结构，具体如下图1所示：

图1 变压器绕组等效仿真图

图1中，L代表便要求绕组电感，K代表变压器绕组电容，C代表变压器对地电容，R代表电阻。在仿真分析中，假设变压器绕组的参数都均匀分布，建立等效电路模型，然后在绕组一侧输入电流信号，通过扫描获得频响曲线，各级参数发生变化时，变压器绕组频响曲线会相应发生改变，并且变现出一定的规律性，变压器等效参数减小时，频响曲线会转移到高频方向，当绕组等效参数增大后，频响曲线会向低频方向移动[5]。改变绕组的位置信息和参数信息可以取得频响曲线偏移的位置参数和频响曲线变化幅度参数。根据变压器绕组几何结构或者位置发生的变化与频响曲线之间的相互关系，依靠频响曲线波峰、波谷的频率偏移和频响曲线幅值变化，可以进一步图算出便要其设备绕组是否存在变形故障。

5 结论

综上所述，电力工业的发展对推动国家经济建设有着非常中重要的意义。因此，确保电力设备的安全、稳定运行是电力企业运营中的重点工作。在大型变压器设备实际运行过程中，对绕组变形故障进行检测属于十分必要的一项内容，通过频率响应分析法，对大型变压器设备绕组故障进行在线检测，根据函数特征曲线推算出变压器绕组的结构状态，进而实现对大型变压器设备的在线检测，从而可及时发现故障，传递故障信息，以便及时进行处理，保证变压器能够对更好正常运行。