电力工程师论文变压器绕组变形测试系统的应用

　　变压器是电网中的主要核心设备，其安全状况对整个系统的安全运行具有举足轻重的地位，而从变压器事故的情况看，很多都伴随有绕组的变形现象，甚至是由于绕组变形引起的。仅2000年，广东省内通过绕组变形测试就发现8台运行中的110kV变压器存在绕组变形，并及时对这些变压器进行了维修和加固改造，消除了事故隐患，取得了显著的效益。因此，开展变压器绕组变形测试对变压器的安全运行有着重要的意义，也是我们开展变压器状态检修的必备条件。

　　【摘要】绕组变形是变压器安全运行的一大隐患。本文介绍了频率响应分析法测试变压器绕组变形的原理，总结了频率响应分析法现场应用中的注意事项，并提供频率响应法测试绕组变形的应用实例。

　　【关键词】变压器,绕组变形,频率响应分析法,应用

　　1.变压器绕组变形的原因及危害

　　变压器在运行中不可避免地要遭受各种短路故障电流的冲击，特别是出口短路和近区短路对变压器的危害最大，变压器绕组将承受巨大的、不均匀的轴向和径向电动应力作用。当绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会产生绕组变形现象。包括轴向、径向尺寸变化，器身位移，匝间短路及绕组扭曲、鼓包等。变压器绕组变形后继续运行可有发生下列情况：

　　（1）变压器立即损坏。我局曾有一台110kv变压器在遭受近区短路，重合成功后，二十多秒后瓦斯动作，事后检查绕组变形，返厂重绕；

　　（2）由于绕组变形，引起变压器的绝缘材料损伤或者绝缘距离发生改变，导致绝缘强度下降，在长期正常电压或过电压作用下，最终可能导致绝缘击穿，此类情况可以用电气试验和油试验等常规的方法检出其绝缘缺陷；

　　（3）绕组变形后，绝缘状况没有损坏，但线圈的机械强度下降，当再次遭受短路故障时，将承受不住巨大的电动力而发生损坏，此类情况由于绝缘没有损坏，常规电气试验及油试反映不出问题，只能通过绕组变形测试的手段才能得出正确的结论。同时，这种情况也比较常见，因为许多的变压器并不会只遭受一次短路就损坏，而运行中的变压器可能已经遭受多次短路冲击，机械强度已下降，甚至有轻微变形，但由于常规试验无法检出其内部的变形故障，在大修吊检之前是无法判断其状态的，是严重的事故隐患。

　　因此，积极开展变压器绕组变形测试工作，及时发现和处理有问题的变压器，有针对性地进行吊检，即可节省大量的人力，物力，对防止变压器事故的发生也有极其重要的作用。

　　2.变压器绕组变形测试方法

　　变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然发生变化，特别是电感值。以往多使用的是集中参数检测法，如常规的测验变比，直流电阻等来诊断变压器绕组是否发生变形，因其灵敏度较低，显得困难；另一种方法是短路阻抗来判断，但也是中绕组变形非常严重时才能发现。同时这种试验需要庞大的试验设备及试验电源容量，在现场很难满足开展该项试验的条件。目前，我局使用TDT-4型绕组变形测试系统采用的是频率响应分析（FRA）的原理。该方法建立在对变压器绕组分布参数网络分析的基础上，变压器绕组可以被看作是电阻、电感、电容构成的无源线性双端口网络，根据电工学原理，其网络特性可以用传递函数H（jw）或n（f）来概述。如图1所示。

　　根据电工学理论，如果绕组发生机械变，即发生了轴向、径向尺寸，势必会改变网络上的L、K、C等分布参数，随着网络参数的改变，从而导致其频率响应特性。因此我们比较不同时期该变压器的频率响应特性是否一致，就可以判断变压器是否发生了变形及变形程度的大小。

　　3.TDT型变压器绕组变形测试系统及其分析方法

　　该测试系统是采用频响法诊断变压器绕组变形的。其原理显通过计算机管理和控制，由扫频电压发生器依次输出不同频率的正强波电压信号Vs（f）到变压器骁组的一个端子上，然后通过双通道检测单元纪录绕组两端上的电压信号Vi（f）和Vo（f），并作相应的数字化处理，得到其在不同扫描频率下的幅值和相位，然后根据下式求得被测试绕组的幅频响应特性或相频响应特性，再由计算机作输出处理（如图2所示）。

　　幅频响应特性：

　　H（f）=20lg（Avo（f）/Avi（f））

　　相频响应特性：

　　φ（f）=φvo（f）-φVi（f）

　　电力变压器绕组的幅频响应特性H（f）主要取决于其内部电感、电容等分布参数，通常具有如下特性：（1）当频率低于10KHz时，其频率响应特性主要由线圈的电感所决定，谐振点通常较少，对分布电容的变化较不敏感；（2）当电频率超过1MHz时，绕组的电感又被分布电容所旁路，对电感的变化不敏感；（3）在10KHz-1MHz的范围内，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点能够灵敏地反映出绕组电感，电容的变化情况。因此，在该系统中，选用10KHz-1MHz的扫频测量范围。

　　频率响应分析法诊断变压器绕组变形是建立在比较绕组频率响应特性变化基础上的，即变压器遭受突发短路冲击后测得的各个绕组的频率响应特性为原始测试结果一致，则表明该次短路故障没有导致绕组变形，反之，可根据其特性变化的情况判断变形的绕组以及其变形的严重程度。（这种判断的方法，在实际的测试中，我们对两台遭受出口短路的220kV变压器进行检查，得出的频响特性波形与两年前所测试出的波形相当一致，故判断其绕组未受到该次短路冲击的破坏）。在实际的工作中，很多时候会碰上没有原始数据的情况，（即那些已投入运行的变压器，投运前没有做该项测试），就采用比较变压器互相绕组相间特性曲线的差异，对绕组绕组的变形情况作出判断，对于制造工艺良好的变压器，其三相绕组的结构基本是一致的，测得的频响曲线通常具有一定的可比性，但需注意，这种“可比性”仅仅是相对的，受绕组引线长度，其内部位置等影响，特别是三角型接法的绕组，测得的三相频率响应特性往往有较大的差异，这时应与该型号同厂家同一时期的其他变压器作比较。4.绕组变形测试技术的实际应用

　　本局开展绕组变形测试主要分为三类：

　　（1）对全新投运的变压器，主要是检查运输途中是否意外的碰撞或冲击，同时也是作为该变压器频率响应特性曲线的原始资料，用作以后测试的重要对比资料；

　　（2）对于遭受出口或近区短路的变压器，根据我省执行的《变压器状态检修手则》的有关规定，必须进行绕组变形测试，判断其是否变形，作为能否继续运行的依据之一；

　　（3）配合日常的预试工作，对已运行的变压器作绕组变形检查，若判断其绕组没有发生变形现象，该次测得频率响应特性曲线也将作为原始资料，是以后作对比的依据。

　　在目前，我局共进行了四十多台次的绕组变形测试，积累了一定经验，在现场的测试中，应特别注意以下两方面的因素对测试结果的影响：

　　（1）变电站高压电磁场的干扰。收于该系统的扫频电压发生器仅输出5V左右的正弦波，容易受到高压电磁场的干扰，如：本局所属500kV变压站#2主变低压侧的35kV电抗器开关爆炸，造成相间短路，主变B相有载开关瓦斯的动作，跳开三侧开关。我们在现场作绕组变形测试时，发现其频率响应特性曲线极不稳定，并且三相频率响应特性曲线极不一致，为了防止误判，我们进行了多台次的测试，发现其特性曲线虽不稳定，但有规律性，并且三相之间的规律是一致。我们判断是受到了电磁场的干扰，（在排除了受干扰的特性曲线后，三相频响曲线较为一致）在结合了其它电气试验，油化验的结果认为该次短路冲击对主变的绕组没有造成损害；在测试一台220kV变压器时，也观察到在某些频率段受到干扰而产生尖峰，甚至在110kV场地也有这种现象，因此在判断波形是要注意排除：

　　（2）要注意绕组的直流电阻或测试线与绕组之间的接触电阻对测试结果的影响：在以上提及的变压器绕组分布参数等值网络图中，是忽略绕组的电阻的，但实际上，绕组的电阻变化，不但对频率响应特性曲线的幅值产生影响，而且还会影响谐振峰点出现的频率，容易产生误判。我们在对一台220KV变压器作绕组测试时，造成与原始曲线相差较大，经多次试验，才发现是测试线与绕组之间的接触不良。因此，在作判断时，除了要检查试验接线，还要结合变压器的直流电阻作判断，看是否由于绕组的内部接触不良，造成对测试的影响。

　　下面介绍一下变压器绕组变形的测试实例：某站#1主变，型号SFZ7-40000/110由于误操作，10kV母线相间短路，短路电流约8kA。但由于#2主变开关需处理，无法投运，因此只能将#1主变迅速恢复运行。事后，取主变本体油样作检查，未发现有异常情况。#2主变开关经处理投运后，将#1主变停下，作常规电气试验，吸收比、介损值、绕组直流电阻等项目和以往数据比较，均无异常。按以往的做法，已可认为该次短路冲击对#1主变没有造成损害，可以继续投运。但接着进行绕组变形的测试，发现低压侧面绕bc线圈与ab、ca两相线圈的频响特性曲线有相当的差异，经多次测试，均为同一结果（由于该台变压器没有原始数据，只能作三相比较）。为了稳妥起见，我们将#2主变停下，作绕组变形测试（该主变为#1主0变同型号，同期出厂，同时投运，但没有遭受该次短路的冲击），其特性曲线三相间较为一致。据此，我们判断#1主变的低压绕组线圈发生变形，根据频率响曲线应判断为：低压c相单独变形或a、b两相同时变形。决定该主变返厂吊罩检查。吊芯后，发现低压绕组a、b相线圈出现鼓包，并伴随有线圈的扭曲现象。通过绕组变形的测试，可以将变压器隐藏的、但常规预防性试验很难检出的绕组变形故障发现，及时进行处理，避免损坏变压器的事故发生。

　　推广和开展绕组变形测试，可避免不必要的吊芯检查。如某局一台220KV变压器11OkV侧开关爆炸，相间短路，变压器遭受出口短路，电气试验及油化验无发现异常情况，由于该厂家多台同型号变压器曾发生过近区短路后，变压器绕组变形较严重的情况，因此对该变压器在遭受这次冲击后绕组的情况比较怀疑，在作了绕组变形测试后，我们发现该台变压器三侧绕组三频率响应特性曲线一致性较好，并与该型号的其它变压器相比较，亦无异常的情况，判断其变压器绕组没有变形。并结合电气试验和油化验的结果，认为该变压器可以继续投运。从而避免了盲目的吊芯检查，节省了大量人力、物力。从以上的事例可见，绕组变形的测试，作为一种必要的监督手段，可以保障变压器的安全运行。

　　5.结束

　　变压器绕组变形测试技术是近年来才逐步推广的新技术，但从我们目前开展了这项工作的情况来看，该技术可以及时发现那些有问题的变压器，对防止变压器事故的发生有重要的作用；可避免不必要的吊检和大修，节省大量的人力、物力，是我们推变压器状态检修的必要的技术保证。但变压器绕组变形测试毕竟是一种检测方法，还有待完善和改进的地方，如目前只能定性于判断绕组是否变形，还不能量化地诊断绕组变形的性质及严重程度。

　　参考文献

　　[1]TDT型变压器绕组变形测试系统诊断原理及使用说明[S].电力科学研究院.

　　[2]姚森敬，林春耀，周尚礼.电力变压器绕组变形系统在我省的应用[C].广东省电力工业局试验研究所.

　　[3]电力变压器变形测量与分析[C].武汉高压研究所.