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频率响应分析法检测电力变压器绕组变形的理论研究 舒乃秋 1!武剑利1!王晓琪2 !1.武汉大学电气工程学院 湖北 武汉!#$%;% 频率响应分析法; 绕组; 变形 !引言 作为电力系统中重要的设备之一,电力变压器 的安全运行将直接影响供电的安全。 变压器在运 输、安装过程中受到冲撞或在运行中发生突然短路 等可能使绕组发生变形。 这些变形都有可能使得绕 组的绝缘被破坏或使其机械强度下降。 在其遭受过 电压或再次遭受冲击时将破坏、影响电力系统的安 全运行,因此变压器绕组的变形检测很有必要。 目 前,国内外先后提出的用于检测变压器绕组变形的 方法主要有短路阻抗法、低压脉冲法和频率响应法 等等。 短路阻抗法虽然可以检测出较严重的绕组变 形,但是灵敏度较低,且需动用沉重的试验设备和 大容量的试验电源,试验时间较长,因此,难以推广 应用。 低压脉冲法克服了短路阻抗法的缺点,灵敏 度提高,但其不足是抗干扰能力太差,接地线、测量 引线和周围的电气设备都能明显地影响测量结果。 频率响应法较短路阻抗法的灵敏度要高出许多,抗 干扰能力较低压脉冲法强。 该响应法在实际使用中 工作量不大,且测量重复性较好,是目前在现场工 作中较好的选择1。 频率响应法的基本原理 用频率响应法检测电力变压器绕组的变形情 况是目前不断发展的一项新技术。 一些国家已将其 列入变压器的检测项目,国内也开展了这方面的工 作,许多电力局使用该方法对变压器进行了普测。 频率响应法的原理是将一扫频信号送入绕组 的一个端口,从另一端口测量其输出响应,并将各 频率点的输入输出之比根据频率描绘成曲线-频谱 曲线 (图谱)。 通过对绕组的频谱曲线进行对比分 析,可以判断绕组的结构变化。 另外,可以从绕组的 频率响应图谱,对绕组的防雷特性及防雷水平做出 估计。 由电工理论可知,当频率超过1kHz时,变压器 绕组可以被看作是一个由多个电容和电感组成的 无源二端口网络。 频率较低时,感抗较小,容抗较 大,电感起主要作用,电路呈感性;随着频率的增 加,感抗变大,容抗变小,二者同时起作用;当频率 继续增加时,电容起主要作用,电路呈容性。 绕组的 等值网络可用图1表示。 绕组中电压分布不均匀,在某一频率下会达到 极端情况,即产生谐振时,电压会出现极不均匀分 布,在频谱图上表现为峰和谷。 当然不同的峰谷及 峰谷的高低,分布曲线的描述也不一样。 频谱图实 际上是描述了变压器绕组在不同频率下电压分布 不均匀的情况。 图2给出了一种典型的变压器绕组 频谱曲线。 由图2可见,绕组的频谱曲线中出现若干峰值 点和谷点。 这些峰点和谷点是在不同频率下绕组中 出现谐振的结果, 其中峰点是发生串联谐振的结 果,谷点是发生并联谐振的结果。 谐振是由绕组电感和饼间电容及对地分布电 L绕组电感均数纵向电容#绕组对地电容$)输 出匹配电阻$*输出测量电阻+)扫频信号源 Fig.1Equivalent ir uit of transformer winding 第!卷第#$期 $%年#$月 9:;?:E: l、b增加,绕组电感量减小。 3.2变压器绕组的等值电容 变压器绕组中,在径向,有绕组与铁心之间的 电容,绕组与绕组之间的电容,绕组与油箱之间的 电容;在轴向,有线匝之间的匝间电容,线饼之间的 饼间电容。 计算径向电容,应用同轴圆柱电容公式; 计算轴向电容,应用平板电容公式。 绕组对铁心和 对油箱的电容又称为绕组的对地电容。 .2.1轴向电容的计算 轴向电容(图1中K)有匝间电容和饼间电容两 种,分别用Ct和C0表示。 由平板电容计算公式得: Ct1 !0!2Dh a2 1 3435!2Dh a2 610-2,27(2) C01 3435!8Db a8 610-2,27(9) 式中!2匝绝缘的介电常数 a2匝绝缘的两边厚度,cm !8饼间绝缘的介电常数 a8饼间绝缘厚度,cm h导线的净金属高度,cm KCt和C0的线性叠加 .2.2对地电容的计算 对地电容(图1中:)指绕组对铁心的电容(用 C;绕组与铁心之间的介电常数 R绕组的内半径,cm R绕组与油箱间组合介质的等效介电 常数 l绕组高度,cm 当D、b增大,a2、a8减小时, 即绕组的平均直径 和辐向尺寸增大,匝间和饼间距离减小,绕组的轴向 电容增大;R减小,R;,l增大, 即内绕组的直径减 小,外绕组的直径和绕组高度增大时,绕组的对地电 容会增大,反之亦然。 根据绕组以电感为主的结构, 提出以低频段为 主,中、高频段为辅的测量和分析的方法。 从变压器绕组的等值电路可知,在频率较低时, 绕组的对地电容及饼间电容的容抗较大,感抗较小, 等值电路呈感性。 当频率增加时,感抗逐渐增大,至 某一频率时,发生谐振,出现第一个谐振峰。 当绕组 结构发生改变时,会造成电感发生变化,频谱中低频 部分的谐振峰也将会有所变化。对于一个绕组来说, 因为其绕组的匝数不会改变,如果其电抗发生改变, 则必定是其结构尺寸发生改变。比如绕组的高度、等 效直径、绕组厚度等。 所以,如果频谱中20EHF以下 的频谱发生改变或第一个谐振峰发生位移时, 则预 示着绕组整体电感变化或整体变形。 对于局部变形,一般来讲,引起总电感量的变化 较小,所以在频谱曲线的低频段反映不明显。而中频 部分对饼间电容的变化敏感, 局部变形引起的饼间 电容的变化,改变了局部的谐振条件,使中频段的谐 振点发生变化。 所以中频(90EHFG200EHF)段的频谱 发生改变,表明绕组局部发生变化。 图2典型绕组的频谱曲线 Fig.2Frequen y urve of typi al winding ! 舒乃秋!武剑利!王晓琪频率响应分析法检测电力变压器绕组变形的理论研究 第10期 在高频(200kHz1MHz)的条件下,变压器绕组 的等值电路中,由于感抗增大,饼间电容容抗较小, 使电路呈容性,等值电路可简化为一个电容链式网 络。 这时,对地电容的改变对高频部分的频谱影响 较大。 所以,等值电路两端的引线对地电容及分接 开关对地电容的变化, 以及其结构上发生的变化, 在这一频段内反映较明显。 由于变压器内三相之间的对地电容一般不可 能一致,其中包括绕组对油箱的距离差异而造成的 电容差异,引线对地距离及绕组至分接开关引线长 短的差别造成的对地电容不同等,所以频谱图上高 频部分的曲线必然存在差异,特别是一些对工艺要 求不太严格的制造厂的产品。 正确区别制造工艺差 别和结构变形是非常重要的,将工艺差别看成为结 构变形会引起不必要的经济损失。 !绕组变形诊断实例 例1广东省东堤站1号主变,其型号为SFZ8- 40000/110,1997年12月出厂,1997年12月投产。 用频响法对1号主变进行测试, 测试结果显示,高 压三相绕组频率特性曲线一致性非常好,没有发现 变形现象; 低压a、b两相绕组的频率特性曲线变化 一致性也较好, 而c相图谱与a、b两相的图谱相比 则发生了较大的变化。c相低频处的第一个谐振峰 相对于a、b相向右偏移, 即在低频处频谱图发生偏 移,在低频处绕组呈感性,因此频谱图在低频处的 变化表明绕组的电感发生了变化,根据上述原理可 以断定绕组发生了整体性偏移, 使得其电感减小。 在中频处150kHz250kHz段内频响曲线向右偏移, 而中频处的频谱图对饼间电容的变化很敏感,因此 可以断定绕组局部发生变形, 使饼间电容增大,导 致频峰向左偏移,其频谱如图3所示。 频谱测试结束后, 认为c相绕组发生了比较严 重的变形,最后进行了吊罩检查,发现c相绕组局部 凹陷,且整体有位移,与从图谱分析的结果相一致。 例2广东省山村变电站3号主变,其型号为 SFZ7-40000/110,1995年7月投产。在运行过程中, 因短路使得3号主变轻、重瓦斯保护动作,3号主变 两侧开关跳闸。 故障后对变压器进行了常规电气试 验项目检查、本体油样色谱分析和绕组变形测试,检 查结果为电气试验合格,未发现异常;本体油样色谱 分析中C2H2和CO2含量升高, 其它指标含量正常; 高压绕组变形测试图谱正常, 三相高压绕组的频率 特性曲线的变化一致性较好,未发现变形现象;在低 压绕组频谱图中,b相与a、c相的低压频率特性曲 线出现了小的变化(特性曲线不一致,如图4所示)。 根据测得的频谱图,b相绕组相对于a、c相在中频 处发生了偏移, 同样可以表明b相绕组发生了局部 变形。 最后,该主变经解体检查证实,其本体遭受过大 的系统短路故障冲击, 高压绕组三相分接绕组和高 压绕组以及低压绕组的a、c相绕组完好, 未发现变 形,b相低压绕组有轻微局部变形。 诊断结果与吊罩 检查结果相一致。 结论 根据文中提出的变压器绕组变形诊断原理与方 法,对变形实例进行了分析与诊断,诊断结果与吊罩 检查结果相一致。分析出变压器绕组有些变形后,可 根据变形发生所在的绕组及对绝缘的危害程度来判 断是否需要立即退出运行。 变压器绕组的频响测量及分析, 对绕组的变形 非常敏感,并且该方法方便、快捷、灵敏度高,也可以 用于变压器型式试验、例行试验和交接预防性试验。 参考文献: 1胡晓岑,王玉琦.变压器绕组变形测量J.山西电力技 术. 1998,(4):8-10. 2郭忠尧.变压器绕组变形测试J.福建电力科技,1995, (1):16-22. 3岳章华,杨卫东,江健武.频响分析法检出变压器绕组变 形实例分析J.高电压技术,2001,27(4):74-75. 图3东堤站1号变低压绕组变形后的图谱 Fig.3Frequen y urve of LV winding deformation in Dongdi No.1 transformer 图4山村站3号主变低压绕组变形后的图谱 Fig.4Frequen y urve of LV winding deformation in Shan un No.3 main transformer ! 收稿日期:2003-09-24 作者简介:舒乃秋(1954-),男,湖北黄冈人,武汉大学电气工程学院教授,从事电力系统在线检测方面的研究; 武剑利(1979-),女,内蒙古乌兰察布盟人,武汉大学电气工程学院硕士研究生,研究方向为电力设备在线监测。 Re#e$%* +# ,* +/01 2&%3(&?89AB9 &()! *+,-./ 0)#$ $%