頻率響應(yīng)法在變壓器繞組變形診斷中的應(yīng)用

劉濤，肖鋒，徐廣

(1.國網(wǎng)黃石供電公司，湖北 黃石 435000；2.咸寧供電公司，湖北 咸寧 437100)

頻率響應(yīng)法在變壓器繞組變形診斷中的應(yīng)用

劉濤1，肖鋒1，徐廣2

(1.國網(wǎng)黃石供電公司，湖北 黃石 435000；2.咸寧供電公司，湖北 咸寧 437100)

變壓器繞組存在變形的情況下，在較大電動力沖擊時，變壓器內(nèi)部發(fā)生短路故障的概率大幅增加，嚴(yán)重威脅變壓器運(yùn)行安全。本文介紹了頻率響應(yīng)法的基本原理及分析判斷方法，并結(jié)合實(shí)際案例運(yùn)用縱向或橫向比較法及相關(guān)系數(shù)值對變壓器繞組變形情況進(jìn)行綜合分析。結(jié)果證明，頻率響應(yīng)法是判斷繞組是否變形的有效分析方法，該方法能有效判斷繞組變形的類別及嚴(yán)重程度，分析出是匝間短路、局部變形，還是整體位移等具體變形情況。關(guān)鍵詞：變壓器；繞組變形；頻率響應(yīng)

1 引言

電力變壓器在運(yùn)輸、安裝過程中，繞組可能受到碰撞沖擊而變形；運(yùn)行中的電力變壓器繞組可能受到近區(qū)短路或出口短路故障沖擊變形。在機(jī)械和電動沖擊力的作用下，變壓器繞組可能發(fā)生徑向或軸向變形，如匝間短路、局部鼓包扭曲、整體位移等[1]。近年來，變壓器繞組變形引起的內(nèi)部短路故障呈上升趨勢，因此，診斷變壓器在遭受短路電流沖擊后的繞組狀況是否良好，從而判斷變壓器是否需要停電檢修處理，對電網(wǎng)安全運(yùn)營十分重要，具有巨大的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益。

目前，判斷變壓器繞組變形的方法主要包括電容量法[2]、短路阻抗法[2-3]及頻率響應(yīng)法等。頻率響應(yīng)法與電容量法、短路阻抗法相比，能夠更有效地判斷繞組變形的類別及嚴(yán)重程度，診斷出是匝間短路、局部變形，還是整體位移等具體變形情況，對變壓器檢修策略的制定提供可靠依據(jù)。

2 頻率響應(yīng)法

2.1 頻率響應(yīng)法基本原理

變壓器繞組在頻率較高的電壓作用下，可等效為純電容、電感和電阻組成無源線性的雙端口網(wǎng)絡(luò)，可以用H(jω)表示的傳遞函數(shù)來描述，如圖1中所示。當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形時，電容、電感值將發(fā)生變化，對應(yīng)的H(jω)的極點(diǎn)與零點(diǎn)發(fā)生變化，反映在頻率輸出特性曲線的波峰、波谷位置及數(shù)值發(fā)生變化。

變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性采用圖1所示的頻率掃描方式獲得。圖中L、C及K為單位長度繞組的電感、電容和對地電容，RS為輸入信號源阻抗，R為匹配電阻，VS為正弦信號源。輸入信號頻率為f的交流正弦電壓V1，獲得不同頻率f下的響應(yīng)電壓V2。

用對數(shù)形式表達(dá)幅頻響應(yīng)為：

H(f)=20log[V2(f)/V1(f)]

式中：H(f)為相應(yīng)頻率f時傳遞函數(shù)的模值|H(jω)|；V2(f)與V1(f)為相應(yīng)頻率f時響應(yīng)端和輸入端電壓的峰值和有效值│V2(jω)│及│V1(jω)│。

2.2 頻率響應(yīng)法判斷方法

對繞組變型頻率響應(yīng)法判斷方法為：

(1)對測得特性曲線，進(jìn)行橫向(三相間數(shù)據(jù))或縱向(與歷史數(shù)據(jù))對比，根據(jù)特性曲線中的波峰或波谷分布位置及分布數(shù)量的變化判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形。

低頻段(頻率范圍：1～100kHz)曲線的波峰或波谷位置若發(fā)生明顯變化，則反映繞組的電感改變，可能存在匝間或餅間短路情況。

中頻段(頻率范圍：100～600kHz)曲線的波峰或波谷位置若發(fā)生明顯變化，則反映繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形情況。

高頻段(頻率范圍：>600kHz)曲線的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，則反映繞組的對地電容發(fā)生改變，可能存在繞組線圈整體移位或者引線位移等情況。

(2)結(jié)合相關(guān)系數(shù)R判斷繞組變形情況。通過公式計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)值可以定量出兩條曲線的變化值，為變壓器繞組變形嚴(yán)重程度判斷提供數(shù)據(jù)支撐，可作為綜合判斷的輔助手段。變壓器繞組變形情況與相關(guān)系數(shù)關(guān)系表如表1所示[4]。

注釋：RLF為低頻段(1～100kHz)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)系數(shù)值；RMF為中頻段(100～600kHz)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)系數(shù)值；RHF為高頻段(600～1000kHz)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)系數(shù)值。

3 實(shí)例分析

變壓器：型號為SZ11-50000/110，接線組別為YNd11，生產(chǎn)廠家是山東達(dá)馳電氣股份有限公司，投運(yùn)時間是2006年12月20日。2015年1月27日11時35分，主變低壓側(cè)刀閘過熱燒損引起母線橋短路，導(dǎo)致主變保護(hù)動作跳閘，變壓器低壓側(cè)短路電流達(dá)到13kA。

3.1 高壓繞組頻率響應(yīng)

高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線如圖2所示。主變高壓繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表2所示。

圖2 主變高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

相關(guān)參數(shù)低頻段(1～100kHz)中頻段(100～600kHz)高頻段(600～1000kHz)Rba1.001.242.09Rca1.051.431.65Rcb1.031.231.36

從圖2和表2中可以看出A、B、C三相幅頻響應(yīng)特性曲線：

(1)低頻段(1～100kHz)曲線一致性較好，波峰或波谷位置重疊性較好，說明不存在匝間或餅間短路的情況；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)在2.0>RLF≥1.0范圍內(nèi)，屬于輕度變形數(shù)值范圍；低頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，高壓繞組低頻段無明顯變形。

(2)中頻段(100～600kHz)曲線一致性相對不是很好，波峰或波谷位置有輕微位移，說明可能存在輕微扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象的情況；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)在RMF≥1.0范圍內(nèi)，屬于正常繞組數(shù)值范圍；中頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，高壓繞組中頻段有可能存在輕微扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象的情況，但無明顯變形。

(3)高頻段(600～1000kHz)曲線一致性較好，波峰或波谷位置重疊性較好，說明不存在線圈整體移位或引線位移等情況；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)在RHF≥0.6范圍內(nèi)，屬于正常繞組數(shù)值范圍；高頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，高壓繞組低頻段無明顯變形。

因此，由幅頻響應(yīng)特性曲線推測出，高壓繞組無明顯變形缺陷。

3.2 低壓繞組頻率響應(yīng)

低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線如圖3所示。主變低壓繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表3所示。

圖3 主變低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

從圖3和表3中可以看出A、B、C三相幅頻響應(yīng)特性曲線：

(1)低頻段(1～100kHz)曲線一致性較好，波峰或波谷位置重疊性較好，說明不存在匝間或餅間短路的情況；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)在2.0>RLF≥1.0范圍內(nèi)，屬于輕度變形數(shù)值范圍；低頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，低壓繞組低頻段無明顯變形。

(2)中頻段(100～600kHz)曲線一致性非常差，波峰或波谷位置有明顯位移，說明繞組存在明顯扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象的情況；且三相曲線一致性都很差，說明至少有兩個繞組發(fā)生明顯變形；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)在RMF<0.6范圍內(nèi)，屬于明顯變形數(shù)值范圍；中頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，高壓繞組中頻段有可能存在明顯扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。

(3)高頻段(600～1000kHz)一致性非常差，波峰或波谷位置有明顯位移，說明可能存在線圈整體移位或引線位移等情況；對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)存在RHF<0.6范圍內(nèi)數(shù)值，屬于非正常繞組數(shù)值范圍；高頻段曲線結(jié)合相關(guān)系數(shù)綜合分析，高壓繞組高頻段有明顯變形。

因此，由幅頻響應(yīng)特性曲線推測出，低壓繞組至少兩相繞組存在明顯扭曲和鼓包等局部變形情況，同時可能存在線圈整體移位或引線位移情況。

3.3 試驗(yàn)推論

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析推測出，變壓器繞組不存在匝間或餅間短路的情況，但低壓繞組至少兩相繞組存在明顯扭曲和鼓包等局部變形情況。建議主變不能投運(yùn)，需要進(jìn)行吊罩解體，檢查其內(nèi)部的繞組受沖擊程度和固體絕緣的好壞情況。

3.4 吊罩解體檢查

在變壓器廠家，進(jìn)行變壓器吊罩后如圖4、圖5所示。

主變吊罩解體后發(fā)現(xiàn)，變壓器高壓繞繞組情況良好，不存在明顯變形情況；低壓繞組不存在匝間短路現(xiàn)象，但主變低壓A相繞組和C相繞組存在明顯扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。

3.5 缺陷原因分析

從變壓器吊罩的情況來看，高壓繞組A、B、C三相均沒有發(fā)生明顯變形，只是繞組與絕緣紙板發(fā)生了輕微的松動；而低壓繞組B相完整性很好，A、C兩相發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形。這說明A、C兩相承受十分強(qiáng)烈的短路電流，巨大的短路沖擊電流將使變壓器繞組受到很大的電動力，并使繞組急劇發(fā)熱，在較高的溫度下，導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度變小，電動力使繞組變形。而B相未受到這種沖擊。另外，高壓側(cè)繞組并未發(fā)生變形，說明短路電流不是特別大，或者其作用時間極短，來不及造成高壓繞組變形。

4 結(jié)論

頻率響應(yīng)法通過縱向或橫向比較法，對特性曲線中波峰或波谷分布位置及數(shù)量的變化對比，并集合相關(guān)系數(shù)綜合分析，可有效判斷變壓器是否發(fā)生了繞組變形，并能診斷出繞組變形的類別及嚴(yán)重程度，從而判斷變壓器能否繼續(xù)運(yùn)行。頻率響應(yīng)法是電力變壓器在遭受短路沖擊或運(yùn)輸、安裝過程中發(fā)生意外碰撞后判斷繞組是否變形的有效分析方法。

[1] 羅錚.兩項(xiàng)檢查變壓器繞組變形的試驗(yàn)[J].高壓電器，2005，41(5)：392-393.

[2] 李林，賈帆，袁威,等.變壓器繞組變形綜合診斷與分析[J].電氣開關(guān)，2014(6):8- 12.

[3] 楊曉玲.低電壓短路阻抗法在變壓器繞組變形診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42(7)：91- 93.

[4] 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 911-2004，電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法[S].

Application of Frequency Response Analysis Method in The Diagnosis on Winding Deformation of Power Transformer

LIUTao1，XIAOFeng1,XUGuang2

(1.Huangshi Power Supply Company of State Grid,Huangshi 435000,China;2.Xianning Power Supply Company,Xianning 437100,China)

In the case of electrodynamic force on winding deformation of power transformer,the probability of short circuit failt in the transformer will be a sharp increase，which will be a serious threat to safe operation of transformer.The basic principles and judgment standard of frequency response analysis are introduced.The method,in combination with the longitudinal comparison or transverse comparison and correlation coefficient,which has been proved by a case of transformer winding deformation,can prove the winding deformation diagnosis efficiency and accuracy.The category and order of severity,such as turn-to-turn fault,local deformation or whole displacement,can be effective judged by requency response analysis method.

transformer;winding deformation;frequency response

1004-289X(2016)06-0087-04

TM71

B

2015-08-29

劉濤(1985-)，男，工程師，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)工作。