變壓器繞組變形測試儀選頻濾波特性校驗(yàn)技術(shù)研究

劉 勇， 彭 倩， 王 劍,， 王 鵬

(1. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610039; 2. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

變壓器是電網(wǎng)的核心設(shè)備，繞組變形是電力變壓器最常見的內(nèi)部故障之一。在電動力和機(jī)械力的作用下，繞組的尺寸或形狀發(fā)生不可逆的變化，繞組發(fā)生局部變形后，即使沒有立即損壞，也有可能留下嚴(yán)重的故障隱患[1-3]?！斗乐闺娏ιa(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》[4]和《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》[5]把變壓器繞組變形試驗(yàn)放在十分重要的位置，規(guī)定頻響法測試?yán)@組變形為110（66）kV及以上變壓器必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目。

對變壓器繞組變形進(jìn)行測試，通常采用基于頻率響應(yīng)分析法（frequency response analysis，F(xiàn)RA）的變壓器繞組變形測試儀[6-8]（以下簡稱測試儀）。頻率響應(yīng)分析法將變壓器的等值電路當(dāng)作是共地的二端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)繞組變形后，內(nèi)部參數(shù)變化將導(dǎo)致傳遞函數(shù)發(fā)生變化，通過分析和比較變壓器的頻率響應(yīng)特性曲線，可發(fā)現(xiàn)變壓器繞組是否發(fā)生變形[9-10]。

測試儀具備一個(gè)正弦波激勵信號輸出接口和兩個(gè)獨(dú)立的信號檢測接口[11]，作為一種測試儀器，其通用技術(shù)部分應(yīng)符合GB/T 6587——2012 《電子測量儀器通用規(guī)范》[12]的要求。為滿足現(xiàn)場測試，減小其他頻率信號對測試結(jié)果的影響，其抗干擾能力，即選頻濾波性能（濾掉除掃頻信號以外的干擾信號的能力），作為測試儀的基本功能要求。在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 911——2016 《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析方法》[13]中雖然已經(jīng)提及，但缺乏對應(yīng)的校準(zhǔn)方法對該性能指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的評估和判定。為判定測試儀選頻濾波性能，一般采用頻譜分析儀進(jìn)行測試。然而，測試儀掃頻信號輸出和響應(yīng)信號檢測均集成在儀器內(nèi)部，響應(yīng)信號檢測端的濾波器性能測試需要拆解或破壞測試儀[14-15]。因此需要研究一種更有效、直接的判定方法，便于測試儀校準(zhǔn)時(shí)對選頻濾波特性進(jìn)行判定。

本文開展對變壓器繞組變形測試儀的選頻濾波性能測試研究，提出相應(yīng)的判定方法，并對HR 1000、TDT6U變壓器繞組變形測試儀選頻濾波性能進(jìn)行測試。通過開展四川電力生產(chǎn)單位變壓器繞組變形測試儀器現(xiàn)場判定試驗(yàn)和性能評價(jià)工作，證實(shí)了提出的方法可靠，符合測試儀實(shí)際的工作情況。最后對提高測試儀的選頻濾波性能提出建議。

1 頻率響應(yīng)分析法

繞組局部變形后，繞組的相對電阻、電感、電容等參數(shù)都會發(fā)生變化，這是測量繞組變形的基礎(chǔ)。自1966年Lech和Tyminski提出了低壓脈沖法（LVI）確定變壓器是否通過短路測試后，一系列的變壓器繞組變形檢測方法已在國內(nèi)外發(fā)展，例如低電壓短路阻抗、頻率響應(yīng)分析法（FRA）、掃頻阻抗法、振動檢測法等。

變壓器繞組在一定頻率范圍可等效成二端口電路網(wǎng)絡(luò)。它由有限的部分組成，每一部分可看作由串聯(lián)電容Cs、并聯(lián)電容Cg、電感Lij、互感Mn和電阻R構(gòu)成的π型電路[16]，圖1為變壓器繞組的等效電路。

圖1 變壓器繞組等效電路圖

圖2為變壓器繞組變形測試儀（transformer winding deformation tester，TWDT）測試接線圖。正弦激勵信號Vs(ω)注入繞組的一端，通過激勵信號檢測端口測得的Vs(ω)用V1(ω)表示，響應(yīng)信號V2(ω)由響應(yīng)檢測端口在繞組的另一端測得。通常用V1(ω)和V2(ω)這兩個(gè)信號的均方根值計(jì)算電壓比，結(jié)果以對數(shù)刻度上的頻率和振幅的形式給出，其表達(dá)式為

圖2 TWDT測試接線圖

2 選頻濾波判定方法

2.1 判定原理

根據(jù)DL/T 911——2016對選頻濾波性能的要求，其－6 dB帶寬應(yīng)小于掃描頻率的2%，即測試儀的選頻濾波功能對檢測到的位于輸出正弦頻率值±2%處的信號，應(yīng)至少衰減為該信號原幅值的二分之一。干擾信號對測試儀的影響主要是對激勵信號輸出的幅值造成干擾，使響應(yīng)信號檢測端口的正弦信號有效值發(fā)生變化，影響增益檢測的準(zhǔn)確度。

因此，可通過增益檢測值來判斷選頻濾波性能是否滿足要求?；舅悸肥菍L/T 911——2016提出的頻帶衰減要求轉(zhuǎn)換成增益要求，利用測試儀的增益檢測結(jié)果對選頻濾波特性進(jìn)行間接判定，利用增益檢測的誤差值表示測試儀選頻濾波特性優(yōu)劣程度。

選頻濾波判定試驗(yàn)接線圖如圖3所示。設(shè)置測試儀為單頻點(diǎn)檢測模式，輸出固定頻率的正弦信號，信號發(fā)生器輸出已知頻率和幅值的正弦干擾信號；加法器將測試儀輸出的信號和信號發(fā)生器輸出的信號同相相加后用標(biāo)準(zhǔn)衰減器進(jìn)行衰減；計(jì)算測試儀檢測的增益值與已知的標(biāo)準(zhǔn)衰減器的誤差，若誤差小于判定值|?δ|，即可認(rèn)為選頻濾波性能滿足要求。

圖3 試驗(yàn)接線圖

2.2 判定指標(biāo)推導(dǎo)

設(shè)測試儀輸出正弦信號V1(t)的頻率為f0，幅值為A，相位為φ0；信號源輸出正弦信號V2(t)作為干擾信號，頻率為k倍信號V1(t)的頻率，即kf0，幅值為α倍信號V1(t)的幅值，即αA，相位設(shè)為φ1，則有：

加法器為同相比例相加，設(shè)比例系數(shù)為1，經(jīng)過加法器后的信號V(t)表達(dá)式為

設(shè)衰減器的衰減量為δdB，即信號幅值衰減輸入信號的10δ/20倍，則通過標(biāo)準(zhǔn)衰減器后的信號Vδ(t)表達(dá)式為

測試儀內(nèi)部對輸入信號在頻率f0處具有選頻濾波功能，會對除f0以外信號幅值衰減。測試儀響應(yīng)信號檢測端口的輸入信號為Vδ(t)，設(shè)測試儀選頻濾波器對頻率為k倍f0輸入的干擾信號幅值衰減為β倍，則經(jīng)過測試儀選頻濾波后的信號Vout(t)為

式中φ2為濾波器對干擾信號的移相角。

測試儀按照下式計(jì)算掃頻增益Am，其表達(dá)式為

其中Vout和Vin為正弦信號的均方根值。

Vout(t)的信號均方根值Vout_rms由下式給出：

測試儀激勵信號檢測端測得輸入的激勵信號均方根值Vin_rms由下式給出：

測試儀輸出正弦信號頻率下的理論增益δf0為

選頻濾波判定時(shí)可用絕對誤差來表示，由于外接的標(biāo)準(zhǔn)衰減器衰減量δ已知，所以，不同參數(shù)對選頻濾波校準(zhǔn)的影響可用下式來表示：

從式（10）可知，影響選頻濾波性能指標(biāo)的因素為外部干擾信號對激勵信號的幅值倍數(shù)α和濾波器自身對干擾信號的衰減倍數(shù)β。

根據(jù)要求，測試儀對檢測到的位于（1±2%）倍輸出正弦頻率值處的信號應(yīng)至少衰減為該信號原幅值的二分之一，即β≤0.5。試驗(yàn)時(shí)設(shè)輸入干擾信號的幅值與測試信號的相同，即α=1，可以得出判定的指標(biāo)為

因此，在此種情況下選頻濾波校準(zhǔn)的指標(biāo)為

表1給出了不同選頻濾波衰減指標(biāo)下的校準(zhǔn)理論要求（α=1）。

表1 不同衰減下的判定指標(biāo)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的選頻濾波性能試判定方法的正確性，選用目前國內(nèi)各電力企業(yè)普遍配備的兩種變壓器繞組變形測試儀HR1000和TDT6U進(jìn)行驗(yàn)證，兩種TWDT的參數(shù)如表2所示。

表2 TWDT儀器參數(shù)

選頻濾波判定試驗(yàn)的接線按圖3進(jìn)行連接，試驗(yàn)步驟為：

1）測試儀設(shè)置為單頻點(diǎn)掃描檢測模式，掃描頻率Fo分別設(shè)置為1，10，100，500，1000 kHz；

2）數(shù)字示波器同時(shí)測量加法運(yùn)算器兩個(gè)輸入端的信號幅度及頻率；

3）信號發(fā)生器輸出正弦信號，頻率分別設(shè)置為0.98Fo和1.02Fo，設(shè)置輸出幅值與測試儀輸出正弦波信號幅值相同；

4）加法器由寬帶運(yùn)算放大器搭建而成，幅值運(yùn)算線性度宜優(yōu)于1%，用于把測試儀和信號發(fā)生器輸出的正弦波信號進(jìn)行同相比例相加，比例系數(shù)取為1；

5）選擇標(biāo)準(zhǔn)衰減器的衰減量為-20 dB。

在測試儀以頻率Fo進(jìn)行單頻點(diǎn)掃描檢測過程中，分別記錄施加頻率為0.98Fo和1.02Fo正弦波信號時(shí)的掃頻增益檢測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果記錄如表3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制折線圖如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 選頻濾波性能

圖4表明了不同中心頻率處外加干擾信號的檢測增益值?？梢钥闯?，在低頻段（1～100 kHz）選頻濾波性能最好，干擾信號對測試儀的增益檢測影響最??；在中頻段（100～600 kHz），干擾信號對測試儀增益檢測準(zhǔn)確度的影響開始凸顯，檢測結(jié)果在一個(gè)較小范圍內(nèi)波動；在高頻段（>600 kHz），干擾信號對增益檢測準(zhǔn)確度的影響最大，出現(xiàn)最大0.6 dB的檢測誤差，但是仍然滿足<0.9691 dB的選頻濾波指標(biāo)。因此，從表3和圖4可以判定，試驗(yàn)采用的兩個(gè)測試儀選頻濾波性能均符合DL/T 911——2004的要求。

按照中心頻率±2%的選頻范圍，隨著頻率增加，選頻濾波的中心頻率頻帶增大。掃頻為1 kHz時(shí)，選頻帶寬為0.98～1.02 kHz，測試結(jié)果受0.04 kHz、較窄帶寬的干擾信號影響；掃頻信號1 000 kHz時(shí)，選頻帶寬為980～1 020 kHz，測試結(jié)果受40 kHz、較大帶寬的干擾信號影響。因此，為提高測試儀選頻濾波性能，模擬濾波時(shí)應(yīng)在高頻段設(shè)計(jì)具有較好濾波性能的濾波器，數(shù)字濾波時(shí)應(yīng)提高高頻段采樣精度和增加采樣點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)束語

針對基于頻率響應(yīng)分析法的變壓器繞組變形測試儀選頻濾波性能要求，本文提出了一種新的選頻濾波性能判定方法，即外接干擾信號的情況下進(jìn)行增益檢測。當(dāng)檢測的增益絕對誤差小于給定值時(shí)，判定選頻濾波性能滿足要求，并給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程和判定依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)：

1）由于采用檢測增益的絕對誤差值判定，因此，判定指標(biāo)與試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)衰減器具體值無關(guān)，在試驗(yàn)時(shí)無需選擇特定的衰減器，但應(yīng)知其衰減量。

2）本方法屬于綜合判定法，將DL/T 911——2016提出的頻帶衰減要求轉(zhuǎn)換成增益要求，采用增益絕對誤差值間接表示，利用測試儀的檢測結(jié)果對選頻濾波特性進(jìn)行綜合判定，無需拆卸測試儀內(nèi)部的選頻濾波器，符合現(xiàn)場測試和校準(zhǔn)以及儀器的工作原理。

3）測試儀工作在低頻段（1～100 kHz）、中頻段（100～600 kHz）時(shí)，儀器選頻濾波性能較好，干擾信號對增益檢測影響較??；處于高頻段（>600 kHz）時(shí)，增益檢測值誤差增大，但仍然能滿選頻濾波的指標(biāo)要求。為了分析測試儀的選頻濾波性能，可在高頻區(qū)間設(shè)定更多頻率點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)判定。

[1]嚴(yán)玉婷, 江健武. 變壓器繞組變形的理論與試驗(yàn)研究[J]．高壓電器, 2010, 46(5): 55–59.

[2]何文林, 陳金法. 頻響分析法測試變壓器繞組變形的研究[J]. 中國電力, 2000, 33(12): 39–42.

[3]劉利鵬, 喬玉良, 朱永利, 等．電流源法檢測變壓器繞組變形[J]. 電測與儀表, 2014, 51(8): 56–59．

[4]國家電網(wǎng)公司. 防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[Z]. 2000.

[5]國家電網(wǎng)公司. 國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施[M].北京：中國電力出版社, 2007.

[6]程文鋒, 喇元. 變壓器繞組頻響測試法相關(guān)問題的研究[J].電測與儀表, 2013, 50(6): 41–43.

[7]龍坤, 陳亞軍, 唐俊. 頻響法在診斷繞組變形中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào), 2015, 12(6): 91–94.

[8]豈小梅. 變壓器繞組變形的綜合判斷及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2006(S1):226–228.

[9]孫翔, 何文林, 詹江楊, 等. 電力變壓器繞組變形檢測與診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(4):1207–1220.

[10]何平, 文習(xí)山. 變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法綜述[J].高電壓技術(shù), 2006, 32(5):37–41.

[11]RYDER S A. Diagnosing transformer faults using frequency response analysis [J]. IEEE Electrical Insulation Magazine,2003, 19(2):16–22.

[12]電子測量儀器通用規(guī)范:GB/T 6587–2012[S].北京:中國質(zhì)檢出版社, 2013.

[13]電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法:DL/T 911–2016[S].北京:中國電力出版社，2016.

[14]劉連睿, 馬繼先, 郭東升. 應(yīng)用頻響法診斷變壓器繞組變形的應(yīng)用研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 1993, 23(3): 35–39.

[15]曹小龍, 胡春梅, 曹小虎, 等. 變壓器頻率響應(yīng)法測試結(jié)果的影響因素分析及改善[J]. 高壓電器, 2012, 48(7):81–87.

[16]OGUZ S A. A method for wide frequency range modeling of power transformers and rotating machines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8(4):1802–1810.