殘余電荷對變壓器繞組頻率響應(yīng)影響的機(jī)理分析

唐民富 方 笑 田 維 羅思瑤

（1．國網(wǎng)湘西供電公司，湖南 吉首416000；2．國網(wǎng)益陽供電公司，湖南 益陽413000）

0 引言

繞組變形是指電力變壓器繞組在機(jī)械力或電動(dòng)力作用下發(fā)生的軸向或徑向尺寸變化，通常表現(xiàn)出繞組局部扭曲、鼓包或移位等特征［1］。短路電流沖擊、外部沖撞等均有可能導(dǎo)致變壓器繞組發(fā)生變形，致使變壓器絕緣損壞，從而影響變壓器的安全運(yùn)行。因此，當(dāng)變壓器遭受近區(qū)短路故障、雷電和合閘沖擊，或經(jīng)過長途運(yùn)輸后，應(yīng)開展繞組變形試驗(yàn)。

當(dāng)前變壓器繞組變形檢測工作中，頻率響應(yīng)分析法（Frequency Response Analysis，F(xiàn)RA）簡稱頻響法，具有靈敏度高、綜合分析全面、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，但應(yīng)用過程中對現(xiàn)場條件的要求也比較嚴(yán)格。

文獻(xiàn)［2］對繞組變形測試的頻響法理論進(jìn)行了深入分析。文獻(xiàn)［3－5］從現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā)詳細(xì)論述了應(yīng)用頻響法測量變壓器繞組變形時(shí)的影響因素，但未對各類影響因素產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行理論分析。本文將從頻率響應(yīng)分析法的基本理論出發(fā)，從理論角度對變壓器繞組殘余電荷的影響機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 頻響法基本原理

在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性二端口網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部特性可通過傳遞函數(shù)H（jω）描述，如圖1所示。

圖1 頻響法原理圖

如果變壓器的繞組發(fā)生了變形，那么繞組內(nèi)部的分布電感L、電容C等參數(shù)必然改變，導(dǎo)致等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H（jω）的零點(diǎn)、極點(diǎn)發(fā)生變化，從而改變網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。用頻響法檢測變壓器繞組變形，正是通過檢側(cè)變壓器各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性，并對檢測結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應(yīng)特性的差異來判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形［1］。

變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性曲線采用頻率掃描方式獲得。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源Us的頻率（角頻率ω＝2πf），測量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓U2和激勵(lì)源U1的信號幅值之比，即可獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下繞組的幅頻響應(yīng)曲線。

圖1中，L、C1及C2分別為繞組單位長度的分布電感、分布電容及對地分布電容，U1、U2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓和響應(yīng)端電壓，Us為正弦波激勵(lì)信號源電壓，Rs為信號源輸出阻抗，R為匹配電阻。測得的幅頻響應(yīng)曲線常用對數(shù)形式表示，即對電壓幅值進(jìn)行如下處理：

式中，H（f）表示頻率為f時(shí)的傳遞函數(shù)的模｜H（jω）｜；U2（f）、U1（f）表示頻率為f時(shí)的響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的峰值或有效值｜U2（jω）｜、｜U1（jω）｜。

2 殘余電荷對頻率響應(yīng)的影響機(jī)理

用頻響法測量變壓器繞組變形的一個(gè)重要前提是變壓器繞組可以等效成一個(gè)無源的二端口網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的性質(zhì)可知一定滿足U2（f）＜U1（f），由于H（f）＝20log［U2（f）／U1（f）］，所以：

現(xiàn)場實(shí)際工作中，當(dāng)變壓器剛停電或剛做完直流試驗(yàn)項(xiàng)目后未進(jìn)行充分放電時(shí)，在變壓器繞組中電容元件可能會帶有電荷，此時(shí)相當(dāng)于變壓器繞組內(nèi)部含有源元件，如圖2所示。

圖2 殘余電荷對頻響法的影響原理圖

在內(nèi)部電容元件充有電荷的情況下應(yīng)用繞組變形頻率響應(yīng)分析法時(shí)，這些電容儲存的電荷會釋放出來，影響輸出函數(shù)U2（f），造成輸出結(jié)果的不確定性，會出現(xiàn)U2（f）≥U1（f）的情況，當(dāng)U2（f）＞U1（f）時(shí)有 H（f）＞0，此時(shí)的繞組頻響曲線與不含電荷時(shí)相比將明顯抬高。

3 實(shí)例分析

某變電站發(fā)生主變跳閘事故后，檢修人員對變壓器進(jìn)行繞組變形診斷試驗(yàn)，在對低壓繞組進(jìn)行測量后，試驗(yàn)儀器給出的診斷結(jié)果是低壓繞組可能存在變形，頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

對圖3進(jìn)行仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，ab繞組的頻響曲線在中高頻后明顯上翹，其響應(yīng)值明顯大于0。根據(jù)式（1）可知，在沒有干擾因素的情況下，由于U2（f）的幅值小于U1（f），H（f）應(yīng)小于0，即整條頻率響應(yīng)曲線應(yīng)處于0刻度以下，圖中頻響曲線上翹超出0值極有可能是繞組內(nèi)部具有殘余電荷所致。

圖3 未排除干擾前低壓繞組頻響曲線

放置一段時(shí)間并進(jìn)行充分放電后，重新對該變壓器進(jìn)行繞組變形測試，試驗(yàn)儀器給出的測試結(jié)論為：低壓繞組未發(fā)生明顯變形，頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 排除干擾后低壓繞組頻響曲線

從圖中可以看出，經(jīng)過放置和充分放電后，低壓繞組頻率響應(yīng)曲線全部處于0刻度以下，并具有較好的重合度，按照橫向比較方法可得出低壓繞組無明顯變形的結(jié)論。這證明了前面對于繞組殘余電荷對頻率響應(yīng)結(jié)果影響推斷的正確性。

4 結(jié)語

（1）變壓器繞組殘存電荷時(shí)，殘余電荷對頻響曲線具有明顯影響，表現(xiàn)為抬高頻響曲線，使頻響曲線出現(xiàn)大于0的情況。

（2）在現(xiàn)場工作中，影響頻響曲線的因素很多，應(yīng)多積累經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)甄別，去偽存真。

（3）用頻響法測量繞組變形，具有不能定量分析的缺陷，應(yīng)結(jié)合其他如短路阻抗法、油色譜分析、電容量測試等相關(guān)手段進(jìn)行綜合分析，避免以偏概全和誤判斷。

［1］DL／T911—2004 電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法［S］

［2］舒乃秋，武劍利，王曉琪．頻率響應(yīng)分析法檢測電力變壓器繞組變形的理論研究［J］．變壓器，2005（10）：23～26

［3］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（7）：81～87

［4］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（5）：37～41

［5］李晨，李強(qiáng)，孫昭昌，等．變壓器繞組變形的影響因素及出口短路后分析［J］．變壓器，2013（8）：66～70