变压器绕组变形诊断技术研究

曾鑫海

摘 要：随着能源技术的发展，智能网络建设需求越来越大。因此，确保能源设备和能源系统的稳定性和可靠性非常重要。作为能源系统的核心部件，变压器不仅价格昂贵，而且对整个电力系统的稳定运行具有极其重要的作用。在电力系统日常运行过程中，由于短路故障，电容量不断增加，变压器承受多个电流的冲击，瞬时短路电流可以是变压器额定电流的数十倍。因此，它将对变压器的绕组产生重大影响，导致变压器绕组出现不同程度的变形。采用科学有效的诊断技术，定期检测变压器绕组情况，可以及时了解变压器的运行情况，采取具体措施，避免因变压器绕组变形发生严重事故。文章系统地介绍和分析了几种常用的变压器绕组故障诊断方法，并在各种研究成果的基础上，提出了一种综合的变压器绕组故障诊断方法。

关键词：变压器;绕组变形;诊断技术

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.016

随着能源负荷的增加，电力系统发生短路故障的概率也大大增加。发生短路时，变压器的绕组首先受损，强短路电流会导致变压器绕组变形。短路电流产生的径向力和轴向力的作用是短路损坏变压器的故障特征表现。绕组塌陷、扭曲、鼓包和位移等永久失稳变形。如果不及时诊断和检修，累积效应将导致绝缘损坏、匝间短路、主绝缘放电或变压器完全击穿等故障，进而对整个电力系统的稳定运行造成严重损害。因此，在电力系统发生短路故障后，对变压器进行有效诊断和绕组检测是非常重要的。

1 扫频阻抗法诊断技术

1.1 诊断原理

扫频阻抗法是一种通过全面检测所要诊断的变压器中的短路阻抗或者漏电阻抗等参数，生成相应的绕组—频率曲线，在对比曲线的横向以及纵向测量结果后，再结合曲线的变化趋势判断绕组有可能出现的变形情况的一种方式。由于漏电感能够直接反映两个绕组间的距离，并与漏电感的电流呈线性相关关系，因而采用扫频阻抗法诊断变压器绕组变形可以在低压环境下进行，不会对诊断的复验性造成影响[1]。在使用扫频阻抗法诊断变压器绕组时，应将变压器绕组视作组成一个电路系统的元件，在电路系统的运行过程中，如果有元件出现故障，则相应的元件扫频阻抗值也会发生相应的变化。将变压器绕组的具体尺寸作为这些元件参数的基础，如果绕组尺寸发生了改变，那么变压器的扫频阻抗值也随之发生改变。

1.2 诊断方法

1.2.1 三相法

使用三相电源加压的方式测量变压器绕组时，在变压器高压一端施加相应的电压，将变压器低压一端的端子短接，把变压器其余未测量的绕组全部开路，然后将测量所得的变压器绕组阻值和其铭牌上的阻值进行比对。

1.2.2 单相法

使用单相电源加压的方式测量变压器绕组时，首先在变压器高压一端的中性点以及其中端子间施加电压，变压器低压端子短接，其余非测量绕组开路，并将所得测量值和三相法进行比对。

1.2.3 相间法

使用单相电源对变压器高压端两相间施加电压，将变压器低压端子短接，其余非测量绕组开路[2]。采取这种方式测量，变压器的磁路分布情况和三相法基本一致，因而所得测量数据可以直接和变压器铭牌所标阻值进行比对。

1.3 绕组变形的诊断方法

1.3.1 相关系数法

利用扫频阻抗检测技术诊断变压器绕组会生成扫频阻抗曲线，在此过程中生成的相关系数可以使用两条扫频阻抗曲线的关联程度直接反映出来，并充分凸显阻抗特征，更加全面和直观地反映测量结果。

1.3.2 极值点偏移法

确认变压器结构完整后，能够得到变压器中每个绕组所对应的二端口网络参数，并得出对应的传递函数[3]。变压器绕组如果发生一定的变形，相应的电容、电感等参数也会发生变化，进而导致传递函数发生变化。根据此原理，将函数的波峰、波谷位置和数量的变化作为基础数据，就可以诊断变压器绕组的变形情况。

1.4 影响因素

采用扫频阻抗法诊断变压器绕组变形时，能够对其测量结果产生影响的因素有加压方式、测量电流、短接方式与分接位置等。

1.4.1 测量电流的影响

诊断时，如果测量电流过小，则可能会造成测量数值出现偏差，通常情况下，测量行业的标准要求电流不应小于5 A。通过大量的测量数据可知，在使用扫频阻抗法诊断测量时，测量电流在大于2 A的情况下，将测量结果的偏差控制在0.1%以内。

1.4.2 加压方式的影响

采用三相法诊断要用到380 V的三相电源，而在实验室内获取三相电源具有一定难度，测量时一般会采用单相法或者相间法诊断。再加上采用相间法测量时变压器中的磁路分布与三相法几乎无异，可以直接用单相法所得的测量数据和变压器铭牌进行比对。

1.4.3 短接方式的影响

通过分析和研究大量实验数据可知，在三相五柱式变压器的构造中，由于其内部铁芯的两侧各有两个磁路通径，因而接线方式对其进行短路阻抗的测量几乎无影响。而对于三相三柱式铁芯变压器来讲，在短接端采用YN方式进行绕组连接时，短接的中性点会对单相法的测量结果产生较大的影响，却对相间法的测量结果影响甚微。

1.4.4 分接位置的影响

在测量绕组变形过程中，分接位置不同，其绕组的电阻值会有不同的结果，阻抗值会随着分接位置的距离增加而变大。

2 频率响应分析法诊断技术

2.1 诊断原理

频响分析法是一种离线检测变压器绕组变形状态的技术方法，由加拿大安大略水利学院的工程师提出。该方法具有灵敏度高、重复性好等優点，经过几十年的发展，已成为变压器绕组故障诊断领域应用最广泛的方法之一。具体过程是将低压正弦频率扫描信号注入变压器绕组的一端，测量输出响应信号从另一端绕组，并采取振幅比值输出终端电压信号激发终端电压信号的频率响应曲线绕组。

变压器绕组可看作一个由电感、电容、电阻参数构成的网络，绕组变形时，相应的参数会发生变化，导致绕组变形后测得的频率响应曲线与故障前测得的频率响应曲线存在偏差，分析偏差可以判断变压器绕组的变形状态。

2.2 测量方法

采用响频法进行绕组测量之前，应做好如下准备：对变压器绕组实施充分的放电操作;拆除与变压器套管相连接的所有引线;打开变压器绕组的接地平衡;对于其余未测量的绕组进行开路处理;保证变压器、铁芯、测量仪器以及夹件接地性良好。

采用响频法进行绕组测量的过程中，应做好如下工作：存在中性点的绕组应从中性点处接入信号;没有中性点的绕组应采用固定式接入信号;无法拆除套管接头引线的变压器，则可以采用套管末端的抽头测量。

2.3 绕组变形的诊断方法

利用响频法测量变压器绕组变形的，一般会采用对频率响应曲线分析横向以及纵向比较的方式对其相关系数，其诊断标准是电力变压器绕组变形的响应分析方法。但要注意的是，在使用响频法测量时，由于其判定对于曲线的复验性具有较高的要求，应注意外部环境因素所造成的干扰。

2.4 影响因素

2.4.1 扫频信号接入方式的影响

由于变压器自身的结构问题，其绕组不能够绝对保证端部和末端处于完全对称的状态，其变压器绕组的匝间电容以及层间电容都不相同。扫频信号接入方式的不同将会对频响曲线产生直接的影响，尤其是对高频段的电容造成的影响较大，而低频段则受到的影响较小，如图1所示。因此，在采用频响法测试时，为确保测量结果的准确性和复验性，应尽量保证扫频信号接入方式一致。

2.4.2 屏蔽信号接地状态的影响

在测量过程中，屏蔽信号接地具体指扫频信号检测端口接地。屏蔽信号一般应可靠接地。如果屏蔽信号未可靠接地，测试线将处于电位悬浮状态，导致测量信号漂移。同样，可以得出，如果每次频率响应测试时接地点的选择不同，则接地线和接地点之间的电容会影响频率响应曲线[4]。屏蔽信号在接地铁芯、螺栓和不接地三种不同状态下的响应频率曲线如图2所示。

2.4.3 平衡绕组内部接线方式的影响

测试变压器绕组的响频时，对于绕组的平衡一般会有三种不同的方式，其具体方式如图3所示。

平衡绕组采用三角形接线连接，其连接方式是由自身的结构决定的。

第一种方式中，中间以及右侧绕组位于底端，尾端位于顶部，与左侧绕组布局的方式不尽相同。

第二种方式中，中间绕组的首端位于底部，而尾端则位于顶部，这种方式和左侧以及右侧绕组的布局均不一样。由于该绕组的首尾分布情况不一样，必然导致电容电感分布情况不同，进而造成绕组的频响曲线不具备对称关系，因而无法横向对比绕组的变形情况。

第三种方式中，平衡绕组的内部接线方式能够保证频响曲线具有对称性，可以采取横向比对的方式分析绕组变形情况。

3 低电压短路阻抗法

3.1 诊断原理

变压器短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量[5]。对于大功率变压器，短路阻抗电阻分量所占比例很小，短路阻抗主要是电抗分量[6]。一般来说，漏阻抗远小于励磁阻抗，因此短路阻抗可被视为变压器的漏阻抗大小。变压器的漏阻抗有纵向漏电抗和横向漏电抗，其中纵向漏电抗的影响最大。变压器的漏阻抗与绕组结构有关，变压器线圈结构状态的变化将导致磁路漏电流的变化，导致变压器漏阻抗的变化以及变压器短路阻抗的变化。

3.2 诊断方法

短路阻抗试验对变压器的高压绕组侧施加压力，使低压绕组侧短路，必要时可采用低压、高压短路方式。根据低压短路阻抗法的判据，分析同一参数的三个单相值的横向差值，原始数据与上次测试数据的相同参数值的差值和纵向比，结合绕组的电容和频率的响应特性可以准确判断变压器绕组是否变形以及变形的严重程度。

3.3 影响因素

3.3.1 绕组温度

短路阻抗中的电阻分量与温度成正相关。因此，测试期间应准确记录线圈温度，以便根据参考温度校正短路阻抗测试数据。

3.3.2 铁心剩磁

短路阻抗测试是在励磁阻抗远大于漏电阻抗的前提下进行的。变压器铁芯的剩磁会降低励磁电感的测量值，导致变压器阻抗值减小，从而增加低压短路阻抗测试的误差。为了避免判断错误，应在所有直流测试之前进行低压短路阻抗测试。

3.3.3 试验电源频率

短路阻抗反应分量与频率有关。检修电源或发电机电源的频率不满足工作条件时，将影响短路阻抗值，应纠正试验结果。同时，测试电源的电压波动会导致较大误差。在测量过程中应选择相对稳定的测试电源，通过多次测量获得平均值，最大限度地减少数据误差。

4 结语

扫频阻抗法变压器的影响整体变形比较灵敏，诸如幅向变形、轴向变形等情况，但却对于绕组匝间、饼间的拉伸以及压缩变形、绕组整体移位变形等情况反应不灵敏。响频法能够准确、快速体现出变压器的绕组变形情况，但却容易受到外部环境以及实验流程的影响。此外，其诊断和判断标准也不够直观，使用该种方式进行绕组诊断时应注意测试方式、测试仪器的选择，并尽最大可能排除外部环境的干扰。低电压短路阻抗测试简单易行，试验数据直观，通过横向比较能分析变形绕组的差别。

通过对上述三种常用的绕组诊断技术的分析，可以通过对多种技术的融合开展对绕组的测试与诊断工作，其具体方式为：充分结合扫频阻抗法，响频法和低电压短路阻抗法的优点，以常规实验方法为辅，在测试绕组抗短路能力的前提下，采取三种方式的趋势相关性对变形绕组进行综合诊断。

参考文献

[1] 王斌.变压器绕组变形诊断技术的研究[J].中国设备工程，2019（6）：227-228.

[2] 甘锡淞，李云，傅成华，等.基于信息融合和CS-SVM的变压器绕组变形故障诊断方法研究[J].电力系统保护与控制，2018（1）：156-161.

[3] 孙翔，何文林，詹江杨，等.电力变压器绕组变形检测与诊断技术的现状与发展[J].高电压技术，2016（4）：1207-1220.

[4] 丛莹.500kV电力变压器绕组变形诊断技术的应用及研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[5] 王钰，李彥明，张成良.变压器绕组变形检测的LVI法和FRA法比较研究[J].高电压技术，1997（1）：13-15，18.

[6] 邓长生，王庆东.基于低电压短路阻抗法判断变压器绕组变形的影响因素分析[J].机电信息，2018（27）：1-2.