浅谈频率响应分析法在变压器绕组变形测试中的应用

浅谈频率响应分析法在变压器绕组变形测试中的应用

陈江添

陈江添

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523000）

摘要：变压器是电力系统的重要设备，在遭受短路电流冲击或在运输过程中遭受冲撞时，均有可能发生绕组变形现象，将直接影响变压器的安全运行。本文介绍了频率响应分析法在变压器绕组变形测试中的应用，对频响法的测试原理进行了深入讲解，同时分析了影响绕组变形测试的因素，对绕组变形测试的分析判断方法进行了总结。

关键词：变压器；绕组变形；频率响应分析法

引言

变压器是电力系统中最重要的设备之一，其绕组在受机械力或电动力作用时可能会发生变形，包括轴向或径向尺寸的变化，通常表现为绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征。短路故障电流冲击是变压器绕组变形的最主要外因，在运输、安装或者吊罩大修过程中受到意外冲撞以及保护系统有死区，动作失灵等，均有可能发生绕组变形现象，使变压器绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，绕组机械性能下降，它将直接影响变压器的安全运行。

频率响应分析法是目前测试变压器绕组变形较为有效的方法，本文重点对频响法测试绕组变形的原理进行讲解，同时阐述影响绕组变形测试的几个因素，最后对绕组变形的分析诊断做一个总结。

1试验原理及分析

1.1变压器绕组的等值电路

当频率较高（＞1kHz）时，变压器绕组可视为一个由线性电阻、电容、电感（互感）等分布参数构成的无源线性双端口网络。

图1：变压器绕组等效为无源线性双端口网络

其中：Ls、Cs分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容，Cb、Cg为对地分布电容；Vi、Vo分别为等效网络的激励端电压和响应端电压，Rs为信号源输出阻抗，R为匹配电阻。

1.2频率响应分析法原理

在绕组的一端输入扫频电压信号Vs（依次输入不同频率的正弦波电压信号），通过仪器记录设备同时检测不同扫描频率下绕组两端的对地电压信号Vi（n）和Vo（n），并进行相应的数字计算处理，最终得到被测变压器绕组的传递函数H（n）：

公式：H（n）=20log[Vo（n）/Vi（n）]。

式中：H（n）为频率f时传递函数的模│H（jω）│；Vo（n）和Vi（n）为频率为f时响应端和激励端电压的峰值或有效值│Vo（jω）│和│Vi（jω）│。

图2：测试示意图

该网络的传递函数H（jω）的零点和极点分布与网络内部的元件参数密切相关。在无源线性二端口网络中，由于Vo（n）/Vi（n）（输出/输入）不大于1，H（n）将会不大于0，图谱只会在纵轴线负数区。

频域传递函数：

谐振条件：

电感量L表示线圈本身的固有特性，与电流大小无关，线圈电感量计算公式：

电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量，与电流电压的大小无关，电容计算公式：

综合以上公式，根据电感和电容自身的特性，影响传递函数H（n）的大小与频率、电容、电感三个因素有关，变形测试中，扫频的频率范围选为1kHz—1000kHz，只要变压器其他参数正常，绕组没有发生变形的情况下，则相同频率下每次测得的传递函数H（n）基本不变，其生成出来的图谱相近或重合，相关系数较大。如果绕组发生了轴向、径向尺寸变化等变形现象，绕组线圈的l、S、d参数发生变化，从而改变网络的Ls、Cs、Cg等分布参数，绕组的传递函数会相应变化，即网络的频率响应特性发生变化，生成出来的图谱变化较大，波峰和波谷出现移位，相关系数较小，可以考虑变压器发生了绕组变形。

2影响因素

2.1接线的影响（主要因素）

试验接线应遵守以下要求：

①变压器绕组变形检测须在直流试验项目之前或者在变压器绕组得到充分放电以后进行，否则将会影响检测数据的重复性甚至导致检测仪器损坏。如图3所示。

图3：内部绕组存有一定的剩余电荷产生的测量图谱（需充分放电）

②检测前应拆除与变压器套管端头相连的所有引线，并使拆除的引线尽可能远离被测变压器套管。对于套管引线无法拆除的变压器，可利用套管末屏作为响应端进行检测，但应注明，并应与同样条件下的检测结果作比较。

③变压器绕组的频率响应特性与分接开关的位置有关，建议在最高分接（1档）位置下测量，或者应保证每次测量时分接开关均处于相同的位置。

④因测量信号较弱，激励信号和响应信号测量端应与变压器绕组端头可靠联接，减小接触电阻。

⑤输入单元和检测单元的接地线应共同联接在变压器铁心接地点，接地线应尽可能短且不应缠绕。若三相之间起始位置相差较大，和幅频数值出现正值，即增益（纵座标）大于0，这是地电位升高，接地不良的原因。

另外要注意两点，一是若联接在变压器铁心接地点，测试人员在布置接线前，应考虑三相接地引线的最大长度，不要在测过完一相后发现长度不够再增加，而且延长线连接位置应悬空，不能碰到变压器身。二是对于500kV及以上电压等级变压器，由于现场感应电大，以变压器铁心为接地点，会受到干扰，接地点应接在各支套管的法兰处，会更接近交接测试时无干扰状态下的数据。

2.2其他因素

其他的干扰因素有：引线杂散电容影响、电场干扰、试验电源的影响、不同检测仪器的影响等等。

图4：接地线缠绕图5：芯线与屏蔽短接

产生的测量图谱（接地不良出现正值）的测量图谱幅

3绕组变形测试的分析判断

3.1不同频段的分析判断参考：

一般我们将扫频范围1kHz—1000kHz划分为3个频段：低频段（1kHz—100kHz）、中频段（100kHz—600kHz）、高频段（600kHz—1000kHz）。

（a）低频段（1kHz—100kHz）

当频响特性曲线低频段（1kHz—100kHz）谐振峰发生明显变化时，通常预示着着绕组的电感变化或发生整体变形现象。因为频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，势必会导致其频响特性曲线低频部分的谐振峰频率左右移动。对绝大多数变压器来说，其三相绕组低频段的响应特性曲线较为一致。如果发现不一致的情况，一般表明线圈整体结构出现问题，可能会危及运行，应慎重对待，根据其它测试手段来重点分析判断。

变压器受到短路冲击后，线圈受到压缩时，轴向高度减少，匝间电容k增大，对地电容C随之增大，漏磁减少，L增大，谐振点频率减小，频响特性曲线表现为低频段谐振点向低频方向移动。

线圈受到向外扩张力时，轴向高度增大，轴向会偏心，漏磁增大，L减小，匝间、饼间电容减小，所以谐振频率增大，频响特性曲线表现为谐振点向高频方向移动。

（b）中频段（100kHz—600kHz）、

当频响特性曲线中频段（100kHz—600kHz）的谐振峰发生明显变化时，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。因为在频率范围内，绕组的分布电感和电容均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振峰，故而根据其各个谐振峰频率的变化情况能够较灵敏地反映出绕组分布电感、电容的变化情况。对于那些遭受突发短路电流冲击的变压器，如果其谐振峰频率的分布与短路冲击前的有较大改变，例如谐振峰频率左右移动或谐振峰数目减少或增多，通常可认为绕组发生了局部变形现象。

（c）高频段（600kHz—1000kHz）。

当频响特性曲线高频段（600kHz—1000kHz）的谐振峰发生明显变化时，通常预示着绕组的对地电容改变。因为在高频条件下，绕组的感抗增大，基本被饼间分布电路所旁路，故对谐振峰变化的影响程度相对较低，基本以电容的影响为主。由于绕组饼间电容通常较大，故对地电容的改变（如绕组整体位移或分接开关引线的对地距离发生变化）是造成该频段内频响特性曲线变化的主要因素。

3.2相关系数的分析判断参考：

绕组变形测试程序的相关系数是表明两条曲线波峰或波谷分布位置及分布数量变化的量化参数，直观地描述了频响曲线之间的相似程度。数值越大表明两条曲线重合度越好，越小表明重合度越差，它是判断绕组是否变形的主要数值判据。

相关系数判断参考：

3.3变形测试的其他分析判断

实际运行中并不是所有的变形都会立即危及到变压器的安全。因此，就有必要对变形发生的部位、程度和种类进行仔细的分析和判断，从而为维修决策提供依据。

（1）低压绕组为主，高、中压绕组为辅

现场运行经验得出，低压绕组发生短路故障的几率要比高、中压绕组高的多。因此，对于大型变压器而言，低压绕组的频谱是判断变形的重要特征图谱。无论是相与相之间的横向比较，还是与上次（或原始值）的纵向比较，低压绕组的特征频谱是主要依据。

而在分析高、中压绕组的频谱时，应仔细判断频峰的特征。值得注意的是，各绕组之间的变形会相互影响，这是因为线圈的压缩或膨胀会明显的改变另一侧线圈的电气分布参数，甚至连带变形。所以，需综合各侧线圈的频谱变化，作出全面的分析和判断。

（2）横向比较为主，纵向比较为辅

由于横向比较的曲线测试条件、接线方式基本一致，因此应优先考虑进行相与相之间的横向比较，再进行与原始数据或上次数据的纵向比较。

（3）低频段为主，中、高频段为辅

如果在中频和高频段频谱图发生差异，应具体的分析这种差异是否代表线圈引线的结构差异或分接开关引线长短的差异，这种差异有些是变压器设计制造中固有的。

（4）波形观察为主，相关系数判断为辅

在实际运用中，不能生搬硬套相关系数标准（特别是对遭受过短路冲击的变压器），标准还有待完善。如果需要确定线圈变形的详细情况和变形的严重程度，则应具体对被测绕组频率响应特性曲线的变化情况进行分析，找出波形的各种细微变化和发展趋势来慎重分析。

（5）综合判断

当分析出有变形时，应根据这种变形发生的线圈及对线圈对绝缘的危害判断是否需要立即退出运行。

局部的小程度的轴向压缩或拉开变形发生在低压绕组时，可以认为不会立即危害运行；而如果发生在高压绕组，则可能会引起饼间绝缘距离不够危及运行安全。

某些变压器线圈之间发生小程度偏心时，线圈之间的绝缘强度不够会造成局部放电、油色谱改变，引起瓦斯动作等。而有些变压器因为线圈间的绝缘强度裕度比较大，较小程度的偏心不会危及变压器运行。

所以变压器线圈变形分析应根据频谱图上的谐振峰的改变以及其它变压器常规试验结果、变压器具体结构来进行。具体问题，具体分析，避免造成误判，导致不必要的损失。

目前频谱法仍主要为定性分析用。测量低压短路阻抗可以作为与频响法互为补充的方法。测量低压短路阻抗可以做到定量分析，因此，阻抗电压法是在用频率响应法判断变压器绕组存在变形时可进一步确定绕组变形程度，还要结合油化验数据、直流电阻、本体介损电容量、绝缘数据等多方面数据，这些都是作出准确判断的有效方法。

4结论

（1）变压器是电力系统的重要设备，变压器绕组变形会导致设备潜伏性故障的发生，在运行维护中应注重绕组变形的测试，而频率响应分析法是测试绕组变形较为有效和成熟的方法。

（2）对拟投产的主变，应在投产前做频响特性曲线测试，作为变压器的基础数据存档，对运行中超过一定年限的主变，应结合停电检修机会及时做测试。只有这样才能有效比对，避免不必要的漏判和错判。

（3）在实际运行中，对于遭受出口或近区短路事故的变压器，即使电气试验和油试验合格，也应进行变压器绕组变形的测试，以最终确定变压器绕组是否变形，能否正常投入运行。

（4）对变压器绕组变形频率响应分析曲线的变化可能存在的故障原因分析，需要一定经验的积累，应切实做好相关的培训工作，以提高判断的准确率。

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