變壓器繞組與鐵心故障診斷技術(shù)

楊文睿，董鴻魁

(1.云南電網(wǎng)公司研究生科研工作站，昆明 650217;2.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，昆明 650217)

0 前言

在變壓器故障中，鐵心故障和繞組故障是最為頻繁且嚴(yán)重的故障之一［1］，對(duì)變壓器繞組及鐵心故障進(jìn)行研究，做到故障預(yù)警有重要意義。

1 故障診斷方法

1.1 離線(xiàn)法繞組檢測(cè)

離線(xiàn)法指在進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，變壓器需要退出運(yùn)行。檢測(cè)變壓器繞組變形的主要方法有:短路試驗(yàn)法，頻率響應(yīng)法，低壓脈沖法等。

1.1.1 短路阻抗法

短路阻抗是當(dāng)負(fù)載阻抗為零且負(fù)載電流為額定值時(shí)所測(cè)得的短路阻抗，相當(dāng)于變壓器的內(nèi)部等效阻抗。變壓器的短路阻抗由繞組的電阻和漏電抗構(gòu)成，而漏電抗通常情況下大于繞組電阻。漏電抗是由漏磁通引起的，由橫向漏電抗和縱向漏電抗構(gòu)成，一般情況下，橫向漏電抗比縱向漏電抗小得多。無(wú)論是橫向漏電抗還是縱向漏電抗，其電抗值都是由繞組的幾何尺寸及相互位置所決定的。也就是說(shuō)，當(dāng)外部工作參數(shù)一致的條件下，變壓器的短路阻抗是由繞組的結(jié)構(gòu)所決定的。因此，通過(guò)測(cè)量電力變壓器的短路阻抗，并與正常時(shí)的阻抗進(jìn)行比較，如果短路后測(cè)量的阻抗與正常時(shí)阻抗相比變化不大，則可認(rèn)為繞組沒(méi)有變形，如果測(cè)試前后阻抗發(fā)生明顯變化，則表明繞組發(fā)生明顯變形［2］，測(cè)量繞組短路阻抗的方法是判斷繞組變形的傳統(tǒng)方法［3］。

1.1.2 頻響分析法

當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形后，其等效網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)部分參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而通過(guò)比較兩次測(cè)試的變化，就可能判斷變壓器繞組的狀態(tài)是否正常。實(shí)際采用頻響分析法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先將一穩(wěn)定的正弦波掃頻信號(hào)施加到被試變壓器的一端，同時(shí)記錄該端和另一端的電壓幅值和相角，經(jīng)處理可以得到被試變壓器的一組頻響曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)前后兩次響頻特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比即可判定變壓器繞組狀態(tài)［4］。

1.1.3 低壓脈沖法

低壓脈沖法測(cè)試原理與頻響分析法類(lèi)似，不同之處是低壓脈沖法將頻響分析法中的掃頻信號(hào)發(fā)生器用低壓脈沖源替代。進(jìn)行測(cè)試時(shí)首先將一穩(wěn)定的低壓脈沖信號(hào)施加到被試變壓器的一端，同時(shí)記錄該端和另一端的響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)對(duì)前后兩次響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比即可判定變壓器繞組狀態(tài)［5］。還提出了利用沖擊試驗(yàn)進(jìn)行絕緣診斷［6］。

1.2 在線(xiàn)法繞組檢測(cè)

上述方法對(duì)變壓器繞組狀態(tài)的檢測(cè)屬于離線(xiàn)檢測(cè)法，是一種故障發(fā)生后的被動(dòng)防御模式，不能提早發(fā)現(xiàn)變形缺陷。且當(dāng)于繞組形變不明顯時(shí)，例如繞組發(fā)生軸向壓緊力減小松動(dòng)時(shí)，所測(cè)量的電氣參數(shù)并不發(fā)生變化，這些方法將不能進(jìn)行判斷。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，變壓器故障檢測(cè)也向著在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，這樣不僅避免不必要的檢修維護(hù)，且減少變壓器事故率，使電網(wǎng)能更安全可靠的運(yùn)行。目前在線(xiàn)監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀況的主要方法有短路電抗在線(xiàn)測(cè)試法、傳遞函數(shù)法等。

1.2.1 短路電抗在線(xiàn)測(cè)試法

理論上講，短路電抗的在線(xiàn)測(cè)試可以通過(guò)測(cè)試電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，其測(cè)試原理如圖1 所示。

根據(jù)辨識(shí)值與基準(zhǔn)值的偏差量，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電力變壓器短路耐受試驗(yàn)前后的短路電抗的變化的規(guī)定，即可判斷繞組是否存在變形。通過(guò)短路電抗判斷繞組變形的靈敏度和可靠性，并研制了變壓器短路電抗在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)［7－8］。

圖1 短路電抗的在線(xiàn)測(cè)試原理圖

1.2.2 傳遞函數(shù)法在線(xiàn)檢測(cè)

該方法是基于離線(xiàn)的傳遞函數(shù)法的思想，隨時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中電力變壓器高壓側(cè)三個(gè)端子上的電壓和中性點(diǎn)對(duì)地電流，同時(shí)濾去信號(hào)中的50Hz等低頻分量;記錄分接開(kāi)關(guān)位置和變壓器的溫度等有關(guān)信息。監(jiān)測(cè)由于開(kāi)關(guān)操作或者雷電沖擊引起的三個(gè)高壓端子上的暫態(tài)電壓和中性點(diǎn)的暫態(tài)電流，當(dāng)另兩個(gè)端子上的電壓小于其中一個(gè)端子電壓的1/10 時(shí)，利用該端子的暫態(tài)電壓和流過(guò)中性點(diǎn)的暫態(tài)電流可以計(jì)算該端子的傳遞函數(shù)，與以前得到的該端的傳遞函數(shù)進(jìn)行對(duì)比即可判定變壓器該相的繞組狀態(tài)。

1.3 鐵心故障檢測(cè)

現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)變壓器鐵心故障的方法都是判定運(yùn)行的變壓器鐵心是否存在多點(diǎn)接地這種故障，通常采用油色譜分析和電氣測(cè)量?jī)煞N方法來(lái)檢測(cè)。

1.3.1 油樣氣相色譜分析

當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，為區(qū)分故障類(lèi)型，可取油樣對(duì)油中含氣量及組份進(jìn)行色譜分析。色譜分析中如發(fā)現(xiàn)氣體中的及烯烴組份含量較高，而和氣體含量和以往相比變化不大或含量正常，則說(shuō)明鐵心過(guò)熱;色譜分析中如發(fā)現(xiàn)含有氣體，有可能是鐵心出現(xiàn)間歇性多點(diǎn)接地［9］。

1.3.2 測(cè)試絕緣電阻

停電后，將引到油箱外部的鐵心接地片和夾件接地片打開(kāi)，用兆歐表分別測(cè)試鐵心和夾件對(duì)地絕緣電阻，如果鐵心對(duì)地的絕緣電阻為零，則表明鐵心有多點(diǎn)接地故障;如果夾件對(duì)地的絕緣電阻為零，則表明夾件有多點(diǎn)接地故障。

1.3.3 檢測(cè)鐵心故障方法

變壓器鐵心接地導(dǎo)線(xiàn)和外引的接地套管相連接，利用其外引接地套管，接入電流表，測(cè)量地線(xiàn)上有無(wú)電流。變壓器正常接地時(shí)，因無(wú)電流回路形成，地線(xiàn)上電流很小或等于零;當(dāng)鐵心出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，鐵心主磁通周?chē)卸搪吩汛嬖?，匝?nèi)將有環(huán)流流通，其環(huán)流的大小取決于磁通被包圍的多少，一般可達(dá)幾十安培。測(cè)量地線(xiàn)中有無(wú)電流，可很準(zhǔn)確地判斷鐵心有無(wú)多點(diǎn)接地故障［10］。

2 鐵心故障診斷方法

上文中提到的離線(xiàn)法檢測(cè)繞組形變雖然可行，但是需要將變壓器退出運(yùn)行，試驗(yàn)進(jìn)行起來(lái)不夠經(jīng)濟(jì)方便，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法測(cè)繞組形變則需要在變壓器運(yùn)行情況下接入電氣量，試驗(yàn)進(jìn)行有安全隱患，且不能保障對(duì)電力系統(tǒng)沒(méi)有影響。當(dāng)繞組有形變隱患，緊固螺母和鐵壓釘有松時(shí)油中總烴及各組分含量常保持正常，因此油色譜分析等方法不能反映類(lèi)似的機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷的問(wèn)題。而振動(dòng)法是通過(guò)測(cè)量分析油箱表面的振動(dòng)來(lái)預(yù)測(cè)繞組鐵心故障的方法，監(jiān)測(cè)時(shí)設(shè)備與整個(gè)電力系統(tǒng)沒(méi)有電氣連接，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行無(wú)任何影響，可以安全、可靠地達(dá)到在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。而且振動(dòng)法不僅僅可以檢測(cè)出短路引起的繞組變形故障，還可檢測(cè)出鐵心、夾件和其余結(jié)構(gòu)件的松動(dòng)故障。因此，基于振動(dòng)法的變壓器繞組和鐵心的故障診斷方法是對(duì)傳統(tǒng)變壓器故障診斷方法的補(bǔ)充和完善，有很大的研究?jī)r(jià)值。當(dāng)電力變壓器處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，硅鋼片的磁致伸縮引起了鐵心振動(dòng)，繞組在負(fù)載電流的電場(chǎng)力作用下產(chǎn)生振動(dòng)。繞組及鐵心的振動(dòng)通過(guò)變壓器器身和油傳遞到變壓器的油箱，引起油箱的振動(dòng)。因此變壓器油箱表面的振動(dòng)與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態(tài)密切相關(guān)。

要通過(guò)振動(dòng)信號(hào)判斷繞組和鐵心的運(yùn)行狀態(tài)，首先要將繞組和鐵心對(duì)應(yīng)的特征信號(hào)分離出來(lái)。變壓器勵(lì)磁電流在鐵心中產(chǎn)生的主磁通在空載、負(fù)載變化時(shí)大小基本保持不變，因此鐵心的振動(dòng)在空載、負(fù)載及負(fù)載變化時(shí)也基本不變。當(dāng)變壓器在空載條件下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流為零，沒(méi)有電場(chǎng)力的作用，因此繞組振動(dòng)可以忽略不計(jì)，此時(shí)的振動(dòng)可以看做是由變壓器鐵心振動(dòng)引起。所以在剔除風(fēng)扇、油泵的振動(dòng)信號(hào)后，變壓器空載運(yùn)行條件下所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)即是變壓器的鐵心振動(dòng)信號(hào)。

而當(dāng)變壓器在負(fù)載情況下的振動(dòng)信號(hào)是由鐵心、繞組振動(dòng)及風(fēng)扇、油泵等冷卻裝置共同振動(dòng)信號(hào)的疊加。在小于100Hz 范圍內(nèi)，集中的是由冷卻系統(tǒng)引起的振動(dòng)，因此可以較容易的將冷卻系統(tǒng)振動(dòng)從中剔除。而在變壓器空載運(yùn)行條件下可以測(cè)得鐵心振動(dòng)信號(hào)，因此從負(fù)載情況下得到的振動(dòng)信號(hào)中剔除冷卻系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)和鐵心振動(dòng)信號(hào)，即可得到變壓器繞組振動(dòng)信號(hào)［11］。當(dāng)取得繞組和鐵心的振動(dòng)特征信號(hào)后，通過(guò)分析其幅值是否大于正常閾值即可判定鐵心、繞組是否發(fā)生故障。

對(duì)振動(dòng)分析法在變壓器鐵心松動(dòng)、繞組變形狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面作了大量的研究，取得了很多的研究成果［12］。汲勝昌教授還引入小波包分析提取變壓器箱壁的振動(dòng)信號(hào)的特征信息［13］。上海交通大學(xué)的謝岸坡等從動(dòng)力學(xué)建模入手，建立了較完善的繞組和鐵心分析模型，通過(guò)深入的理論分析和試驗(yàn)研究，找出變壓器不同運(yùn)行狀況時(shí)在預(yù)緊力的作用下繞組和箱體的振動(dòng)特征［14］。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比發(fā)現(xiàn)振動(dòng)法檢測(cè)繞組、鐵心狀況可以避免很多問(wèn)題，綜合考慮下來(lái)是比較經(jīng)濟(jì)安全的檢測(cè)方法，目前對(duì)變壓器振動(dòng)的研究已經(jīng)有很多，但是還面臨很多問(wèn)題。

1)通過(guò)振動(dòng)特征信號(hào)對(duì)變壓器繞組及鐵心進(jìn)行故障判斷需要知道變壓器原始的鐵心及繞組振動(dòng)數(shù)據(jù)，且不同型號(hào)類(lèi)型的變壓器原始數(shù)據(jù)也不相同，這方面數(shù)據(jù)收集存在困難。

2)用振動(dòng)法進(jìn)行故障診斷時(shí)，故障閾值的設(shè)定沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要大量數(shù)據(jù)來(lái)研究設(shè)定報(bào)警閾值。

3)其它電氣量對(duì)特征信號(hào)的影響及消除，例如直流偏磁對(duì)電力變壓器振動(dòng)特性號(hào)的影響。

4)目前對(duì)變壓器振動(dòng)檢測(cè)法已有大量的研究，但是大部分還停留在理論研究階段，基本上沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的推廣。

5)目前研究的基于振動(dòng)法的檢測(cè)設(shè)備大都是短時(shí)記錄的，不能連續(xù)長(zhǎng)期的對(duì)變壓器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，如果能長(zhǎng)期進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，則通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以更清楚直觀的反映變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

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