變壓器頻率響應分析法測試結果的影響因素分析

李 頡，張樹亮，葛瑞利

（國網河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061001）

變壓器頻率響應分析法測試結果的影響因素分析

李 頡，張樹亮，葛瑞利

（國網河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061001）

針對在現(xiàn)場應用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形時干擾因素較多，若操作不當，會使測試結果失真，導致對繞組狀態(tài)做出錯誤判斷的問題，結合頻率響應分析法的基本原理和現(xiàn)場實例經驗，從測試系統(tǒng)、被測變壓器兩方面分析測試結果的影響因素，并提出提高測試結果的準確性的相關注意事項。

變壓器；繞組變形；頻響法；頻響曲線；頻段

變壓器繞組變形的原因有兩種：一種是源于外力的機械碰撞導致的繞組發(fā)生整體性位移，一種是運行中的變壓器突發(fā)出口或近區(qū)短路時，繞組在短路電流產生的巨大且不均勻的軸向或徑向電動應力作用下發(fā)生的扭曲、鼓包或移位等現(xiàn)象。雖然在發(fā)生繞組變形后，變壓器多數(shù)情況下還能正常運行，但因內部絕緣距離的改變以及積累效應的存在，變壓器的電氣絕緣性能和機械性能將逐漸降低，最終可能引發(fā)絕緣故障。因此及時對疑似存在繞組變形的變壓器進行缺陷排查是十分必要的。國內外在變壓器繞組變形檢測方面的手段有很多種，其中頻率響應分析法（簡稱“頻響法”）是目前業(yè)內公認最為有效的檢測手段之一。

1 頻響法的基本原理

當變壓器繞組在較高頻率（頻率大于1kHz）的電壓作用下，變壓器的鐵心基本不起作用，每個繞組均可視為一個由電阻、電容、電感等分布參數(shù)構成的無源線性雙端口網絡。設繞組單位長度的分布電感、縱向電容和對地電容分別為L、K、C（繞組電阻通常很小，可忽略），則繞組的等值網絡可用圖1表示。

圖1 變壓器繞組等值網絡

根據(jù)電工學理論，可以通過傳遞函數(shù)H（jω）對其特性進行描述。如果繞組發(fā)生了軸向、徑向尺寸的變化，勢必會改變網絡的L、K、C等分布參數(shù)，導致其傳遞函數(shù)H（jω）的零點和極點發(fā)生變化。

變壓器繞組的頻響特性采用頻率掃描的方式獲得。頻響法一般選用1～1 000kHz的掃頻范圍內的1 000個線性分布掃描頻點進行測試。因為在此頻率范圍內變壓器繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用，諧振點豐富，頻響特征比較明顯。如圖1，連續(xù)改變外施正弦波激勵源Vs的頻率f（角頻率ω＝2πf），測量在不同頻率下的響應端電壓V2和激勵端電壓V1的信號幅值之比，獲得指定激勵端和響應端情況下的繞組頻響特性。

測得的頻響特性曲線常用對數(shù)（dB）形式表示，即對電壓幅值之比進行如下處理：

式中：H（f）為頻率f時傳遞函數(shù)的模│H（jω）│；V2（f）和V1（f）為頻率為f時響應端和激勵端電壓的峰值或有效值│V2（jω）│和│V1（jω）│。

頻響測試主機連續(xù)輸出1 000個線性分布的頻點進行掃頻檢測，經過計算機軟件處理得到直觀、量化的頻響曲線。用頻響法判斷變壓器的繞組變形，是通過對頻響曲線進行縱向或橫向比較，并參考相關系數(shù)的大小，診斷出繞組有無扭曲、鼓包、移位等變形現(xiàn)象。

2 測試結果的影響因素

頻響法是基于比較的方法，兩次的試驗結果必須在相同的測試條件下比較才有意義。但被測回路中電氣參數(shù)及測試條件的變化都會對試驗結果的重復性產生影響。通過多年的現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)了大量測試結果失真的案例，并從中歸納出影響測試重復性的兩大類因素，即源于測試系統(tǒng)的影響因素和源于被測主體的影響因素，以下做詳細闡述。

2.1 源于測試系統(tǒng)的影響因素

2.1.1 信號源的位置

信號源是指頻響測試主機掃頻信號的輸出端，即VS端。若將變壓器某1相繞組的等值數(shù)學模型看做完全理論化的無源雙端口網絡，則信號源不論施加在繞組首端還是尾端，其頻響特性不應有太大差異。但是由于變壓器內部復雜的結構設計，真實的變壓器繞組首尾兩端不可能完全對稱，故改變信號源位置對同一繞組的頻響曲線會有一定影響。影響程度的大小，取決于繞組首尾兩端在物理結構上的對稱程度。

對于110kV及以上電壓等級的變壓器，其高壓、中壓繞組一般為星型接線，繞組尾端為三相共聯(lián)的星點，繞組首端和中性點（星點）端在器身內部的空間位置和結構設計上有明顯的差異，而且由于多數(shù)變壓器的高壓繞組都配置了有載分接開關（如三相中性點調壓的有載分接開關，其安裝位置在中性點一側），這些因素都增大了高壓繞組首尾兩端的不對稱程度。因此信號源分別選擇在首端和尾端時，測得的頻響曲線會有明顯差異。圖2是某臺110kV變壓器高壓側U相進行測試時，信號源分別施加在首端（虛）及尾端（實）時測得的頻響曲線對比圖。從圖2中可以看到，兩曲線在50kHz附近出現(xiàn)了明顯的差異，這種差異一直延續(xù)到測試結束。

圖2 信號源分別位于繞組首端與尾端時的頻響曲線對比

低壓繞組一般為三角型接線，如果三角型接線無法在外部解開，則沒有實際意義上的繞組尾端（每一相繞組的尾端又是另外一相繞組的首端），因此不能單相測試，只能通過兩相繞組的首端進行激勵和響應。由于每相繞組的首端在空間位置和結構尺寸都具有較高的相似性，結構上基本對稱，因此無論選擇哪一相繞組首端作為信號源進行激勵，測試結果不會有太大差異。結論的正確性也通過現(xiàn)場測試結果得到了充分驗證。

2.1.2 測量接地線的長度

測試時在儀器的激勵端和響應端各有1個測量接地點，分別通過2根帶絕緣層的銅線接地。接地點可作為測量激勵電壓和響應電壓幅值的基準點。由于頻響法測試儀的工作頻段在1～1 000 kHz，因此測量接地線在工作狀況下可認為是由電阻和電感串聯(lián)形成的阻抗，在頻率較低情況下可認為是阻性的（電抗很小），但在高頻情況下主要是感性的，其阻抗值隨頻率f的升高而增大。因此如果激勵端和響應端的接地線長度不等，使其因在高頻狀態(tài)下呈現(xiàn)的阻抗值不同而在測量回路中產生不同的壓降，導致頻響特性誤差增大。這種影響在頻響曲線的高頻段最為明顯。如果忽略此因素，很可能因誤判而得出錯誤的結論［3］。因此每次試驗時，激勵端與響應端應使用固定長度的測量接地線，且應盡量伸直，不要纏繞。

2.1.3 測量接地點位置的選擇

激勵端與響應端測量接地點位置的選擇對頻響曲線也會有一定影響。

圖3為某臺220kV變壓器高壓側U相繞組兩次測試的頻響曲線對比圖。其中實線為激勵端和響應端的測量接地分別接在主變壓器鐵心引出的接地導體和散熱片外殼上測得的曲線，而虛線為2個測量接地都接在主變壓器鐵心引出的接地導體上測得的曲線。可見，2條曲線在中頻段及高頻段都存在明顯的差異。因此應注意，初次測量時測量接地點的位置一旦確定，以后每次測試都不能更改，避免因測試條件不同而引入較大誤差。

圖3 激勵端與響應端測量接地點在不同位置時的頻響曲線對比

2.2 源于被測變壓器的影響因素

2.2.1 變壓器外接引線的影響

變壓器的外接引線如果沒有拆除，頻響法測試的重復性會受到一定影響。影響程度的大小，取決于外接引線的長度。相連的外接引線會改變變壓器繞組的頻響特性，因為這些引線增大了繞組對地電容的大小，引線越長，對地電容就越大。引線對低壓側的影響最為嚴重，因為低壓側外接引線與接地架構的距離最短，而且往往是銅排，投影面積比較大，這些因素都會增大引線對地電容。圖4為某110kV變壓器低壓側繞組在外接引線拆除前后的頻響曲線對比圖，其中實線為正常曲線。外接引線為10kV銅排，這段引線從低壓側套管一直到配電室內的隔離開關，長度大約為15 m。從圖4中看出，引線對頻響曲線的高頻段影響最為嚴重。

因此，頻響法測試前應拆除與變壓器套管相連的所有引線。拆除的引線應盡量遠離被測變壓器的套管并直接接地，避免感應電壓影響測試結果。

圖4 低壓側套管外接引線拆除前后的頻響曲線對比

2.2.2 分接開關檔位的影響

變壓器分接開關的檔位，決定了繞組匝數(shù)的多少，直接影響到被試變壓器繞組的分布電感和電容，從而引起該繞組頻響曲線的變化。故在繞組變形測試時務必記錄下分接開關的檔位，以便在同一檔位上進行歷史數(shù)據(jù)的比較。建議每次試驗都在最高分接檔位（1檔）進行測試，因為在1檔位可以測到全部調壓繞組及主繞組的頻響數(shù)據(jù)。

有載分接開關檔位對頻響曲線低頻段的影響最大。對于大容量變壓器，這種影響的范圍主要集中在100kHz以內。

圖5為某220kV等級、容量為240MVA的變壓器，分接開關檔位分別在1檔（實）和2檔（虛）測得的頻響曲線對比圖。從圖5中可以看出，僅僅1個分接檔位之差，使得兩曲線在低頻段35kHz附近出現(xiàn)明顯的差異，導致低頻段相關系數(shù)小于1.0。因此，分接開關的檔位會對頻響測試結果產生至關重要的影響。

圖5 有載開關位于1分接和2分接時的頻響曲線對比

2.2.3 鐵心及夾件的接地情況

變壓器的鐵心及夾件在正常運行狀態(tài)下必須保證一點可靠接地。經過試驗驗證，鐵心和夾件接地與否會對繞組的頻響曲線產生一定影響。圖6中虛線為變壓器的鐵心不接地情況下測得的頻響曲線，而實線為正常曲線，2條曲線在500kHz附近開始出現(xiàn)明顯的差別，通過試驗，另外發(fā)現(xiàn)夾件不接地時也會出現(xiàn)類似的差異。因此為確保測試結果的準確性，測試時鐵心和夾件必須可靠接地。

圖6 變壓器鐵心是否接地時的頻響曲線對比

2.2.4 引線線夾的影響

進行頻響法測試時，如果引線線夾沒有從變壓器套管的導電桿上拆除，而將激勵端與響應端直接接在引線線夾上，那么導電桿與引線線夾之間的接觸電阻會串入測試回路。為了弄清接觸電阻是否會對頻響特性數(shù)據(jù)造成影響，在有無引線線夾的情況下分別進行了頻響法測試，結果為2條頻響曲線基本重疊，各頻段的相關系數(shù)都在3以上。這是因為引線線夾與套管導電桿之間的接觸電阻是純阻性的，且阻值非常小，而引起繞組頻響特性變化的主要因素是分布電感及分布電容。因此，在頻響法測試時，套管上的引線線夾是否拆除，對測試結果的影響并不大。

2.2.5 其他試驗項目的影響

對繞組進行絕緣電阻、泄漏電流等直流項目的試驗時，都會在繞組中積累大量的電荷。如果試驗后放電不充分，將直接影響到被試變壓器繞組層間、匝間及對地電容量的大小，進而引起頻響曲線的變化［2］。圖7中虛線是正常情況下測得的，而實線是使用2 500V兆歐表對繞組進行絕緣電阻測量后，未充分放電即進行頻響測試所得的曲線。從圖7中可以看到，曲線在低頻段和高頻段都出現(xiàn)了比較大的差異，低頻段尤為明顯。可見，繞組殘余電荷會對頻響測試結果產生十分嚴重的影響。

圖7 繞組絕緣電阻試驗前后的頻響曲線對比

3 結論

基于上述的各種影響因素，為了提高測試結果的準確性，應該嚴格遵循以下幾點。

a.帶分接開關的繞組應在最大分接（1檔位）進行頻響法測試。如果條件不允許，可在其他分接位進行測試，但應做好備注，以便日后在同一檔位進行測試比較。

b.測試前應拆除與變壓器套管相連的所有引線，拆除的引線應盡量遠離被測變壓器的套管并接地，以消除感應電壓及引線對地雜散電容的影響。

c.測試前變壓器的外殼、鐵心及夾件均應可靠接地。

d.頻響法測試最好在所有試驗項目開始之前進行，尤其避免在繞組絕緣電阻、泄漏電流和外施耐壓試驗后進行，這些試驗容易在繞組中產生殘余電荷，導致頻響曲線嚴重失真。如遇到上述情況，則應在測試前將三相繞組短路接地放電，放電時間應足夠長以確保殘余電荷徹底放盡。

e.信號源位置的改變在很多情況下會影響頻響曲線的走勢。因此如無特殊規(guī)定，可參考圖8的接線方式來規(guī)范信號源位置的選擇。

圖8 繞組變形的幾種常見接線方式

f.激勵端與響應端接地線的長度應一致，測試時接地線應盡量伸直，不要纏繞。

g.激勵端與響應端接地線應選擇在同一點接地，建議選擇變壓器鐵心引出的接地導體作為測量接地點，因為變壓器鐵心多在頂部引出，接地導體比較明顯，易于規(guī)范化管理。

［1］DL／T 911－2004，電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法［S］.

［2］吳曉東，魏澤民.影響變壓器頻率響應測試結果的因素分析［J］.電力設備，2004，5（10）：60-63.

［3］王景林，李銳海.接地線對變壓器繞組變形試驗的影響［J］.云南電力技術，2007，35（1）：1-2.

本文責任編輯：王麗斌

InfluenceFactosAnalysisonTestResultsofTransformer FrequencyResponseAnalysisMethod

Li Jie，Zhang Shuliang，Ge Ruili
（State Grid Hebei Electric Power Corporation Cangzhou Power Supply Branch，Cangzhou 061001，China）

Because there are many interference factors during the in-site test of frequency response analysis method on transformer winding deformation，any improper operations would make some distortions on the test result，so it is easy to cause the incorrect judgment for the condition of transformer winding.For this point，this paper is based on basic principle of frequency response analysis method and practical experience，analyses the influence factor of the test results on two sides，and puts forward some notices concerned about how to improve the accuracy of the test results.

transformer；winding deformation；FRA；frequency response curve；frequency band

TM41

B

1001-9898（2015）03-0042-04

2014-12-03

李 頡（1980－），男，工程師，主要從事變電設備的電氣試驗工作。