變壓器繞組變形測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

【摘要】繞組變形是變壓器安全運(yùn)行的一大隱患。本文介紹了頻率響應(yīng)分析法測(cè)試變壓器繞組變形的原理，總結(jié)了頻率響應(yīng)分析法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，并提供頻率響應(yīng)法測(cè)試?yán)@組變形的應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】變壓器；繞組變形；頻率響應(yīng)分析法；應(yīng)用

變壓器是電網(wǎng)中的主要核心設(shè)備，其安全狀況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有舉足輕重的地位，而從變壓器事故的情況看，很多都伴隨有繞組的變形現(xiàn)象，甚至是由于繞組變形引起的。僅2000年，廣東省內(nèi)通過(guò)繞組變形測(cè)試就發(fā)現(xiàn)8臺(tái)運(yùn)行中的110kV變壓器存在繞組變形，并及時(shí)對(duì)這些變壓器進(jìn)行了維修和加固改造，消除了事故隱患，取得了顯著的效益。因此，開展變壓器繞組變形測(cè)試對(duì)變壓器的安全運(yùn)行有著重要的意義，也是我們開展變壓器狀態(tài)檢修的必備條件。

1.變壓器繞組變形的原因及危害

變壓器在運(yùn)行中不可避免地要遭受各種短路故障電流的沖擊，特別是出口短路和近區(qū)短路對(duì)變壓器的危害最大，變壓器繞組將承受巨大的、不均勻的軸向和徑向電動(dòng)應(yīng)力作用。當(dāng)繞組內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，必然會(huì)產(chǎn)生繞組變形現(xiàn)象。包括軸向、徑向尺寸變化，器身位移，匝間短路及繞組扭曲、鼓包等。變壓器繞組變形后繼續(xù)運(yùn)行可有發(fā)生下列情況：

（1）變壓器立即損壞。我局曾有一臺(tái)110kv變壓器在遭受近區(qū)短路，重合成功后，二十多秒后瓦斯動(dòng)作，事后檢查繞組變形，返廠重繞；

（2）由于繞組變形，引起變壓器的絕緣材料損傷或者絕緣距離發(fā)生改變，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降，在長(zhǎng)期正常電壓或過(guò)電壓作用下，最終可能導(dǎo)致絕緣擊穿，此類情況可以用電氣試驗(yàn)和油試驗(yàn)等常規(guī)的方法檢出其絕緣缺陷；

（3）繞組變形后，絕緣狀況沒有損壞，但線圈的機(jī)械強(qiáng)度下降，當(dāng)再次遭受短路故障時(shí)，將承受不住巨大的電動(dòng)力而發(fā)生損壞，此類情況由于絕緣沒有損壞，常規(guī)電氣試驗(yàn)及油試反映不出問(wèn)題，只能通過(guò)繞組變形測(cè)試的手段才能得出正確的結(jié)論。同時(shí)，這種情況也比較常見，因?yàn)樵S多的變壓器并不會(huì)只遭受一次短路就損壞，而運(yùn)行中的變壓器可能已經(jīng)遭受多次短路沖擊，機(jī)械強(qiáng)度已下降，甚至有輕微變形，但由于常規(guī)試驗(yàn)無(wú)法檢出其內(nèi)部的變形故障，在大修吊檢之前是無(wú)法判斷其狀態(tài)的，是嚴(yán)重的事故隱患。

因此，積極開展變壓器繞組變形測(cè)試工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理有問(wèn)題的變壓器，有針對(duì)性地進(jìn)行吊檢，即可節(jié)省大量的人力，物力，對(duì)防止變壓器事故的發(fā)生也有極其重要的作用。

2.變壓器繞組變形測(cè)試方法

變壓器繞組發(fā)生局部的機(jī)械變形后，其內(nèi)部的電感、電容等分布參數(shù)必然發(fā)生變化，特別是電感值。以往多使用的是集中參數(shù)檢測(cè)法，如常規(guī)的測(cè)驗(yàn)變比，直流電阻等來(lái)診斷變壓器繞組是否發(fā)生變形，因其靈敏度較低，顯得困難；另一種方法是短路阻抗來(lái)判斷，但也是中繞組變形非常嚴(yán)重時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。同時(shí)這種試驗(yàn)需要龐大的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)電源容量，在現(xiàn)場(chǎng)很難滿足開展該項(xiàng)試驗(yàn)的條件。目前，我局使用TDT-4型繞組變形測(cè)試系統(tǒng)采用的是頻率響應(yīng)分析（FRA）的原理。該方法建立在對(duì)變壓器繞組分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，變壓器繞組可以被看作是電阻、電感、電容構(gòu)成的無(wú)源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電工學(xué)原理，其網(wǎng)絡(luò)特性可以用傳遞函數(shù)H（jw）或n（f）來(lái)概述。如圖1所示。

根據(jù)電工學(xué)理論，如果繞組發(fā)生機(jī)械變，即發(fā)生了軸向、徑向尺寸，勢(shì)必會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)上的L、K、C等分布參數(shù)，隨著網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變，從而導(dǎo)致其頻率響應(yīng)特性。因此我們比較不同時(shí)期該變壓器的頻率響應(yīng)特性是否一致，就可以判斷變壓器是否發(fā)生了變形及變形程度的大小。

3.TDT型變壓器繞組變形測(cè)試系統(tǒng)及其分析方法

該測(cè)試系統(tǒng)是采用頻響法診斷變壓器繞組變形的。其原理顯通過(guò)計(jì)算機(jī)管理和控制，由掃頻電壓發(fā)生器依次輸出不同頻率的正強(qiáng)波電壓信號(hào)Vs（f）到變壓器驍組的一個(gè)端子上，然后通過(guò)雙通道檢測(cè)單元紀(jì)錄繞組兩端上的電壓信號(hào)Vi（f）和Vo（f），并作相應(yīng)的數(shù)字化處理，得到其在不同掃描頻率下的幅值和相位，然后根據(jù)下式求得被測(cè)試?yán)@組的幅頻響應(yīng)特性或相頻響應(yīng)特性，再由計(jì)算機(jī)作輸出處理（如圖2所示）。

幅頻響應(yīng)特性：

H（f）=20lg（Avo（f）/Avi（f））

相頻響應(yīng)特性：

φ（f）=φvo（f）-φVi（f）

電力變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性H（f）主要取決于其內(nèi)部電感、電容等分布參數(shù)，通常具有如下特性：（1）當(dāng)頻率低于10KHz時(shí)，其頻率響應(yīng)特性主要由線圈的電感所決定，諧振點(diǎn)通常較少，對(duì)分布電容的變化較不敏感；（2）當(dāng)電頻率超過(guò)1MHz時(shí)，繞組的電感又被分布電容所旁路，對(duì)電感的變化不敏感；（3）在10KHz-1MHz的范圍內(nèi)，繞組的分布電感和電容均發(fā)揮作用，其頻率響應(yīng)特性具有較多的諧振點(diǎn)能夠靈敏地反映出繞組電感，電容的變化情況。因此，在該系統(tǒng)中，選用10KHz-1MHz的掃頻測(cè)量范圍。

頻率響應(yīng)分析法診斷變壓器繞組變形是建立在比較繞組頻率響應(yīng)特性變化基礎(chǔ)上的，即變壓器遭受突發(fā)短路沖擊后測(cè)得的各個(gè)繞組的頻率響應(yīng)特性為原始測(cè)試結(jié)果一致，則表明該次短路故障沒有導(dǎo)致繞組變形，反之，可根據(jù)其特性變化的情況判斷變形的繞組以及其變形的嚴(yán)重程度。（這種判斷的方法，在實(shí)際的測(cè)試中，我們對(duì)兩臺(tái)遭受出口短路的220kV變壓器進(jìn)行檢查，得出的頻響特性波形與兩年前所測(cè)試出的波形相當(dāng)一致，故判斷其繞組未受到該次短路沖擊的破壞）。在實(shí)際的工作中，很多時(shí)候會(huì)碰上沒有原始數(shù)據(jù)的情況，（即那些已投入運(yùn)行的變壓器，投運(yùn)前沒有做該項(xiàng)測(cè)試），就采用比較變壓器互相繞組相間特性曲線的差異，對(duì)繞組繞組的變形情況作出判斷，對(duì)于制造工藝良好的變壓器，其三相繞組的結(jié)構(gòu)基本是一致的，測(cè)得的頻響曲線通常具有一定的可比性，但需注意，這種“可比性”僅僅是相對(duì)的，受繞組引線長(zhǎng)度，其內(nèi)部位置等影響，特別是三角型接法的繞組，測(cè)得的三相頻率響應(yīng)特性往往有較大的差異，這時(shí)應(yīng)與該型號(hào)同廠家同一時(shí)期的其他變壓器作比較。

4.繞組變形測(cè)試技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

本局開展繞組變形測(cè)試主要分為三類：

（1）對(duì)全新投運(yùn)的變壓器，主要是檢查運(yùn)輸途中是否意外的碰撞或沖擊，同時(shí)也是作為該變壓器頻率響應(yīng)特性曲線的原始資料，用作以后測(cè)試的重要對(duì)比資料；

（2）對(duì)于遭受出口或近區(qū)短路的變壓器，根據(jù)我省執(zhí)行的《變壓器狀態(tài)檢修手則》的有關(guān)規(guī)定，必須進(jìn)行繞組變形測(cè)試，判斷其是否變形，作為能否繼續(xù)運(yùn)行的依據(jù)之一；

（3）配合日常的預(yù)試工作，對(duì)已運(yùn)行的變壓器作繞組變形檢查，若判斷其繞組沒有發(fā)生變形現(xiàn)象，該次測(cè)得頻率響應(yīng)特性曲線也將作為原始資料，是以后作對(duì)比的依據(jù)。

在目前，我局共進(jìn)行了四十多臺(tái)次的繞組變形測(cè)試，積累了一定經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試中，應(yīng)特別注意以下兩方面的因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響：

（1）變電站高壓電磁場(chǎng)的干擾。收于該系統(tǒng)的掃頻電壓發(fā)生器僅輸出5V左右的正弦波，容易受到高壓電磁場(chǎng)的干擾，如：本局所屬500kV變壓站#2主變低壓側(cè)的35kV電抗器開關(guān)爆炸，造成相間短路，主變B相有載開關(guān)瓦斯的動(dòng)作，跳開三側(cè)開關(guān)。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)作繞組變形測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)其頻率響應(yīng)特性曲線極不穩(wěn)定，并且三相頻率響應(yīng)特性曲線極不一致，為了防止誤判，我們進(jìn)行了多臺(tái)次的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其特性曲線雖不穩(wěn)定，但有規(guī)律性，并且三相之間的規(guī)律是一致。我們判斷是受到了電磁場(chǎng)的干擾，（在排除了受干擾的特性曲線后，三相頻響曲線較為一致）在結(jié)合了其它電氣試驗(yàn)，油化驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為該次短路沖擊對(duì)主變的繞組沒有造成損害；在測(cè)試一臺(tái)220kV變壓器時(shí)，也觀察到在某些頻率段受到干擾而產(chǎn)生尖峰，甚至在110kV場(chǎng)地也有這種現(xiàn)象，因此在判斷波形是要注意排除：

（2）要注意繞組的直流電阻或測(cè)試線與繞組之間的接觸電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響：在以上提及的變壓器繞組分布參數(shù)等值網(wǎng)絡(luò)圖中，是忽略繞組的電阻的，但實(shí)際上，繞組的電阻變化，不但對(duì)頻率響應(yīng)特性曲線的幅值產(chǎn)生影響，而且還會(huì)影響諧振峰點(diǎn)出現(xiàn)的頻率，容易產(chǎn)生誤判。我們?cè)趯?duì)一臺(tái)220KV變壓器作繞組測(cè)試時(shí)，造成與原始曲線相差較大，經(jīng)多次試驗(yàn)，才發(fā)現(xiàn)是測(cè)試線與繞組之間的接觸不良。因此，在作判斷時(shí)，除了要檢查試驗(yàn)接線，還要結(jié)合變壓器的直流電阻作判斷，看是否由于繞組的內(nèi)部接觸不良，造成對(duì)測(cè)試的影響。

下面介紹一下變壓器繞組變形的測(cè)試實(shí)例：某站#1主變，型號(hào)SFZ7-40000/110由于誤操作，10kV母線相間短路，短路電流約8kA。但由于#2主變開關(guān)需處理，無(wú)法投運(yùn)，因此只能將#1主變迅速恢復(fù)運(yùn)行。事后，取主變本體油樣作檢查，未發(fā)現(xiàn)有異常情況。#2主變開關(guān)經(jīng)處理投運(yùn)后，將#1主變停下，作常規(guī)電氣試驗(yàn)，吸收比、介損值、繞組直流電阻等項(xiàng)目和以往數(shù)據(jù)比較，均無(wú)異常。按以往的做法，已可認(rèn)為該次短路沖擊對(duì)#1主變沒有造成損害，可以繼續(xù)投運(yùn)。但接著進(jìn)行繞組變形的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)面繞bc線圈與ab、ca兩相線圈的頻響特性曲線有相當(dāng)?shù)牟町?，?jīng)多次測(cè)試，均為同一結(jié)果（由于該臺(tái)變壓器沒有原始數(shù)據(jù)，只能作三相比較）。為了穩(wěn)妥起見，我們將#2主變停下，作繞組變形測(cè)試（該主變?yōu)?1主0變同型號(hào)，同期出廠，同時(shí)投運(yùn)，但沒有遭受該次短路的沖擊），其特性曲線三相間較為一致。據(jù)此，我們判斷#1主變的低壓繞組線圈發(fā)生變形，根據(jù)頻率響曲線應(yīng)判斷為：低壓c相單獨(dú)變形或a、b兩相同時(shí)變形。決定該主變返廠吊罩檢查。吊芯后，發(fā)現(xiàn)低壓繞組a、b相線圈出現(xiàn)鼓包，并伴隨有線圈的扭曲現(xiàn)象。通過(guò)繞組變形的測(cè)試，可以將變壓器隱藏的、但常規(guī)預(yù)防性試驗(yàn)很難檢出的繞組變形故障發(fā)現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行處理，避免損壞變壓器的事故發(fā)生。

推廣和開展繞組變形測(cè)試，可避免不必要的吊芯檢查。如某局一臺(tái)220KV變壓器11OkV側(cè)開關(guān)爆炸，相間短路，變壓器遭受出口短路，電氣試驗(yàn)及油化驗(yàn)無(wú)發(fā)現(xiàn)異常情況，由于該廠家多臺(tái)同型號(hào)變壓器曾發(fā)生過(guò)近區(qū)短路后，變壓器繞組變形較嚴(yán)重的情況，因此對(duì)該變壓器在遭受這次沖擊后繞組的情況比較懷疑，在作了繞組變形測(cè)試后，我們發(fā)現(xiàn)該臺(tái)變壓器三側(cè)繞組三頻率響應(yīng)特性曲線一致性較好，并與該型號(hào)的其它變壓器相比較，亦無(wú)異常的情況，判斷其變壓器繞組沒有變形。并結(jié)合電氣試驗(yàn)和油化驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為該變壓器可以繼續(xù)投運(yùn)。從而避免了盲目的吊芯檢查，節(jié)省了大量人力、物力。從以上的事例可見，繞組變形的測(cè)試，作為一種必要的監(jiān)督手段，可以保障變壓器的安全運(yùn)行。

5.結(jié)束

變壓器繞組變形測(cè)試技術(shù)是近年來(lái)才逐步推廣的新技術(shù)，但從我們目前開展了這項(xiàng)工作的情況來(lái)看，該技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)那些有問(wèn)題的變壓器，對(duì)防止變壓器事故的發(fā)生有重要的作用；可避免不必要的吊檢和大修，節(jié)省大量的人力、物力，是我們推變壓器狀態(tài)檢修的必要的技術(shù)保證。但變壓器繞組變形測(cè)試畢竟是一種檢測(cè)方法，還有待完善和改進(jìn)的地方，如目前只能定性于判斷繞組是否變形，還不能量化地診斷繞組變形的性質(zhì)及嚴(yán)重程度。

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