基于低压脉冲法的变压器绕组变形探测技术

广西电网有限责任公司南宁供电局 覃智贤 廖英怀 罗传胜 周 闯 孙全才

作为电力系统重要设备，变压器直接影响着电力系统的运行安全性与可靠性。随着近年来电力系统的不断发展，大容量、自动化电力系统得以实现，在为生产及生活提供便利的同时也导致短路故障的增多。在具体运输过程中，变压器容易出现相对位移，当出现短路或发生故障，受电磁拉力影响会引起线圈变形，使得变压器绕组的分布参数产生改变，影响变压器正常使用。电力关乎众多人的日常生活，维持电网的稳定运行十分关键，电力企业要结合变压器绕组变形测试仪等一些设备提前发现故障问题，进行有针对性的分析与讨论，维护电力系统的稳定运行，创建可靠平稳的用电环境[1]。

变压器绕组变形影响因素复杂多样，但常规绕组变形短时间内不会出现明显的变压器故障，仍会以内部绕组畸形的状态进行工作，长此以往会加重变形严重程度，导致彻底故障、损毁，甚至引起重大电力事故的发生。采用变压器修理绕组变形耗时长且需要较高费用，因此及时检出绕组变形、在完全损毁之前予以维修处理，对于提升变压器稳定性、延长变压器使用寿命尤为重要。低压脉冲法是检测变压器绕组变形的常见方法，能够明确变压器是否存在短路，随着现代计算机信息技术、数字测量的发展，低压脉冲法得以优化改进，此次研究提出了纳秒级低压脉冲，探究了其在变压器绕组变形探测中的应用价值。

1 基于低压脉冲法的变压器绕组变形探测技术方案设计

1.1 低压脉冲法原理分析

变压器的频率＞1kHz，可将其每个绕组看作线性电阻、电感及电容等各参数构成的无源线性双端口网络，一旦出现机械变形会导致网络分布参数出现改变，改变绕组对低压脉冲的响应，通过对比绕组对低压脉冲的响应波形，掌握其变形情况，这是低压脉冲法的基本原理（图1）。以往低压脉冲在响应过程中多采用模拟示波器进行记录，依据时域响应波形变化对变压器绕组变形情况予以判断，随着现代数字信息技术及存储技术的进步，滤波、频谱等分析技术被引入变压器绕组变形探测中，能够提供更为准确、丰富的信息信号，为信号畸变原因分析提供可靠的参考[2]。

图1 低压脉冲法原理框图

研究发现，传统低压脉冲法在探测变压器绕组时，若间隔时间长重复性会受到一定的影响，测试首端故障灵敏度不佳，测量不同位置端口灵敏度差异性大，因此考虑将电力电子期间与传统变压器相结合，设计基于低压脉冲的纳秒级低压脉冲源，为提升测量准确性、保障重复性，将设备测量通路与变压器相匹配，扩展测试脉冲频谱，得到了更高的精确度与重复性。

1.2 纳秒级低压脉冲源阻抗匹配

研究采用纳秒级低压脉冲法或频率响应法对电力变压器绕组状态进行诊断，以判断绕组是否存在缺陷，通常大功率电力变压器输电效率≥99%，短路电压为Ush=40Un。其中Ush表示的是变压器短路电压，Un是变压器工作电压，电抗计算公式：XL=2πfL=100UnUsh%/s，其中工作频率用f 表示，为50Hz，L、Ush分别表示变压器等效电感与短路电压，变压器功率用S 表示。利用一条导线等效替代变压器输入及输出绕组，双绞线有特定电阻，连接双绞线、待测变压器及示波器等，并与测量设备连接，其能与不同变压器产生阻抗匹配，达到相应的传输效果。

变压器的总输入电容采用Cin表示，其中C 为0.6nF，Z 为120±12%Ω。通常变压器端子能够匹配测量装置可选择双绞线电缆、屏蔽与非屏蔽均可，其能够帮助变压器与诊断设备的连接，较传统的探针法价格低廉、操作简单。bnc 线缆若经过反复的使用会增加弯折频率，对测量结果产生一定的影响且价格高，研究发现双绞线重新设计所花费的成本仅为bnc 线缆的90%，却能够达到与bnc 线缆相当的效果。导线的直径、绝缘厚度及捻度是影响双绞线阻抗的主要指标，其会对导线参数产生一定的改变作用，实现负载匹配。

1.3 纳秒级低压脉冲源输出端设计

利用探测设备将矩形脉冲输入到变压器绕组端子，并在同一绕组其他端子或其他绕组端子对电流及电压情况予以观察，即低压脉冲[3]。此次研究对绕组对脉冲冲击所产生的瞬态过程予以分析，在进行探测时，将电压参数调整为100～2000V，持续200ns～1us、40～200us。由于在对变压器特性进行测量时，不同技术可能会对脉冲发生器负载电阻产生一定的影响。为实现对负载电阻的自动测量，提高输出开关利用率，可选择脉冲发生器输出端。反相信号对电流利用率输出开关的信号控制，开关V2、V3对应负载电阻控制信号U2、U3，注意的是当V2、V3控制电压为0时应避免应用负载电阻。

有学者在研究中提出，脉冲法可能仅能对正常质量结果予以评估，利用脉冲法获得的测量结果在对绕组内部情况进行判断时准确性可能会受到一定的影响。频率响应法则能实现对线圈中残余变形的量化评估，不容易受到外部环境因素的影响。此次研究采用纳秒级低压秒冲对装置测试变压器进行测量，其准确性及重复性均得到了较高的提升。在应用脉冲持续时间前10ns 时对脉冲进行探测，能够扩展频谱，当振幅自100～600V 增压时，会产生出低重复频率，约为1/100Hz 为宜，其能够将脉冲频谱延长至20/40MHz[4]。对比传统的频率响应法，该方法能促进探测变压器对绕组缺陷敏感性的提升，触发电源主体部位包括输入电压调节、脉冲形成升压、MOS 管集成部分、电源转换、控制部件及控制隔离部件。

研究对比了电流测量与变压器正态的测量结果，上述数据无法直接对内部绕组的实际情况尤其是变形情况进行准确判断。在对比同一类型变压器测量结果时可选择某一对象作为参照。如三个绕组所发生的缺陷均不相同，以变压器某一部位作为变压器机械损伤。基于这一原理，可通过对不同部位变压器的测量评估其故障情况。利用对变压器的检测数据可设计针对绕组状态的新的分析法，便于对长时间运行且未能定期维护变压器的高效检测。

1.4 纳秒级低压脉冲测量数值谱分析法

研究所用与频率响应分析法能够对不同步信号进行记录，可促进信噪比的提升，在过滤杂波的作用下，纳秒级低压脉冲的准确度及灵敏性均能够得到相应的提升，此时探测脉冲电压控制在10～50V，能够使得设备脉冲抖动现象明显缓解，测量的精度也得到了相应的提升。

研究采用离散傅里叶变换数值谱分析了构造变压器绕组频率响应情况，谱函数为，其中频率用f 表示，接受信号波形对应函数采用F（t）表示。其中n=0,1,2，…n-1，2N 表示的是样本采样的间隔，采样时间用T 表示。频谱系数p(f)=|S(f)|=。

利用上述方法能够实现对非同步干扰的有效过滤，保障测量数据的精准性。经临床试验可发现大部分情况下脉冲振幅≤50V，使得脉冲发生器参数得以提高，促进测量精度的提升，不仅如此还能为设备部件节省成本。在器件与算法的相互配合下能够促进频谱的扩展，因此可对频谱进行脉冲测试后适当扩展，以20～40MHz 为宜，与数字噪声滤波法相比纳秒级低压脉冲对各类缺陷的敏感性更好。

2 变压器绕组变形探测实验过程及结果分析

此次研究采用电力变压器进行测量以验证试验假设的可行性，变压器电压参数分别为10000V/400V、1000MVA，未能开放变压器，未知缺陷。图2展示的是设备与高压绕组A、B、C 连接的情况，测试变压器设备图设置探针13与14电压为10～600V，将其与降压绕组相连接，变压器外壳为a、b、c、n的共同电极，连接示波器的输入与输出电极。

图2 变压器电路示意图

研究对比频率响应分析法进行试验需确保良好的重复性，以便提升测试系统的稳定性与可靠性，可发现传统的低压脉冲法重复性在24h 内尚具有一定的保障，24h 后重复性受到明显影响，检测结果不理想。采用频率响应法则具有较好的检测重复性，但当处于高频段状态下位置会出现一定的偏移。以往的低压脉冲测试存在高频率成分属于激励信号，测试结果会受到变压器端口至示波器接线长度的影响。

通常电缆线路中的阻抗不匹配点，除了导体断线(开路)、短路和接地故障外，在电缆接头和电缆穿过金属管道等处也都是阻抗不均匀点，同样会产生波的反射，测试时必须仔细辨别。尤其是当接地电阻值大于电缆波阻抗的2～3倍以上时反射波幅值很小，更难以辨别故障点。脉冲法最适用于测寻断线故障，同时也适用于测寻接地电阻小于100Ω 的电缆故障。研究设计仿真试验，按照相关参数设计6组数据下电压脉冲信号情况，对参数K、C、L 大小作出相应的调整，产生明显变化脉冲谐振点如表1所示。

表1 不同脉冲宽度取值谐振点变化情况

研究将纳秒级低压脉冲源分别接入变压器端子A、B、C，探测了每一个端子对脉冲的发射情况，对回波情况进行常规接收处理，分别在n、na、nb及nc 位置发生响应，在该位置进行测量，可发现信号加载至绕组A、B、C 时为10V，可发现当处于10V 脉冲下，A 端与C 端两者回波差异不大，此时B 端口回波在A 端及C 端均呈现出明显的相位变化，利用上述方式进行测量，可发现B 绕组内部与A、C 绕组内部可见明显的结构性改变。电力针对35kV 各种电压等级的动力电缆、通信同轴电缆、市话电缆、控制电缆、矿用电缆和海底电缆等发生的低阻、短路、断路、高阻泄漏故障和闪络性故障而研制的多脉冲电缆故障测试仪。

综上，研究针对变压器绕组变形情况采用纳秒级低压脉冲法，可发现将设备测量通道匹配负载变压器能够提升测量的准确性与重复性，满足内部绕组缺陷检验需求，将脉冲持续时间控制为100～2000ns 之间，上升沿控制为8～10ns，测试脉冲频谱进行扩展处理以20～40MHz 为宜，能够得到较频率响应分析法敏感性更高的效果，纳秒脉冲的优势有利于设备抗干扰能力的提升。

针对非同步噪声的干扰可采用特殊算法予以干预，能够促进测量数据准确性的提升，保持振幅与脉冲在50V 以下能够促进脉冲发生器参数及测量精度的提升，减少设备的成本。纳秒级低压脉冲应用的是原始电路及结构等，为设备改进、应用提供了便利，具有广泛的适用性。通过对变压器端子间的横向与纵向比较，与原始数据进行对比能精准掌握绕组变形情况，具有较高价值。