基于VFTO特性的變壓器繞組變形在線檢測方法

張 寧，朱永利，張 蒙，張媛媛，鄭艷艷

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003)

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基于VFTO特性的變壓器繞組變形在線檢測方法

張 寧，朱永利，張 蒙，張媛媛，鄭艷艷

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003)

目前，變壓器繞組變形的檢測大多采用離線方式，需要變壓器退出運行，降低了變壓器的運行效率，存在一定的局限性。為能在線及時檢測到繞組變形，結(jié)合頻率響應(yīng)分析原理，提出了基于特快速暫態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)特性的變壓器繞組變形在線檢測方法。利用變壓器繞組在VFTO信號中高頻成分沖擊下體現(xiàn)的頻率響應(yīng)特性，測量繞組進線端的VFTO信號和繞組末端的響應(yīng)信號，計算得到頻率響應(yīng)曲線，通過分析比較曲線中波峰、波谷的變化實現(xiàn)繞組變形的在線檢測。仿真結(jié)果表明，該方法對繞組不同變形類型、程度和位置均體現(xiàn)出差異性和規(guī)律性，具有潛在的實用價值。

電力變壓器；繞組變形；在線檢測；VFTO；頻率響應(yīng)分析

0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一[1-2]，在電力系統(tǒng)中起到電壓等級轉(zhuǎn)換、能量分配等重要作用，其可靠性直接影響電力系統(tǒng)的正常運行。據(jù)實際運行資料的不完全統(tǒng)計，約有25%的變壓器故障是由繞組變形所致[3]。提高繞組變形診斷方法的準確度和可靠性，對于減少變壓器故障具有重要意義。

頻率響應(yīng)法[4]是普遍采用的繞組變形檢測方法之一，在實際檢測中，多次測量之間誤差小，而且操作簡單，但其為離線檢測方法，停電試驗時變壓器狀態(tài)與運行中不符，影響測量和判斷。而在線檢測是在變壓器處于運行狀態(tài)時對其進行檢測和診斷，與離線檢測相比，能及時發(fā)現(xiàn)繞組變形，提高診斷的真實性和靈敏度，而且在線檢測能積累大量數(shù)據(jù)，綜合分析變壓器的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，及時、全面地進行分析判斷，減少定期檢查帶來的誤差[5]。文獻[6]測試變壓器原、副邊的電壓和電流數(shù)據(jù)，然后計算變壓器等效短路電抗參數(shù)，和銘牌上的短路電抗對比以判斷繞組的變形程度，忽略了現(xiàn)場運行環(huán)境對測試數(shù)據(jù)的影響，而且隨著變壓器運行年限的增加，繞組的短路電抗值與銘牌上的標準值存在差別。文獻[7]介紹了一套基于脈沖信號注入法的繞組在線檢測系統(tǒng)，測試信號通過安裝于變壓器主饋線上的電容分壓器注入，注入信號可能影響變壓器的正常運行狀態(tài)，而且可能對其他設(shè)備造成干擾。

綜上所述，本文利用氣體絕緣變電站(Gas Insulated Substation, GIS)運行過程中產(chǎn)生的特快速暫態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)沖擊變壓器繞組這一特點，提出了基于VFTO特性的變壓器繞組變形在線檢測方法，在闡述原理的基礎(chǔ)上，采用MATLAB/Simulink建立模型，通過仿真實驗驗證本方法的可行性。

1 在線檢測原理

頻率響應(yīng)法是目前國內(nèi)外檢測變壓器繞組變形的主要方法之一[8]。在較高頻率下(通常指1 kHz以上)，變壓器繞組可等效為由電感、電容元件構(gòu)成等值單元的一個無源系統(tǒng)[9-11]，其單元電路模型如圖1所示。其中，L為繞組的電感，C為變壓器繞組的對地電容，K為變壓器繞組縱向電容，各元件的取值由繞組導線性質(zhì)和變壓器結(jié)構(gòu)等決定。頻率響應(yīng)特性是此類系統(tǒng)的突出性質(zhì)，對于一個確定的網(wǎng)絡(luò)，其頻率響應(yīng)特性是唯一的。當繞組發(fā)生變形時，變壓器繞組等效網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)將隨之改變，進而繞組等效網(wǎng)絡(luò)的頻響特性發(fā)生變化。頻率響應(yīng)法的基本檢測方法為在變壓器繞組一側(cè)施加掃頻激勵信號，使用信號采集裝置測量繞組兩端的激勵和響應(yīng)信號，進行數(shù)據(jù)處理得到繞組的頻率響應(yīng)曲線，通過對頻率響應(yīng)曲線進行橫向或縱向?qū)Ρ?，診斷繞組的健康狀況[12]。

圖1 變壓器繞組的單元電路模型Fig.1 Element circuit model of transformer winding

在GIS中，操作斷路器、隔離開關(guān)等會在GIS內(nèi)部產(chǎn)生一個電壓陡波，該陡波經(jīng)多次折射和反射形成波頭極陡、頻率高達幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲的VFTO。當變壓器通過套管直接與GIS連接時，產(chǎn)生的VFTO將進入變壓器，在繞組中傳播。由VFTO的特點可知，其波頭時間極短，甚至可小于10 ns，最高頻率達到兆赫茲，因而完全可與基頻信號分離。而且VFTO陡峭的上升沿幅值高，且含有大量的高頻成分，此時的變壓器繞組即為一個高頻下的無源系統(tǒng)。通過在線獲得繞組首端的VFTO信號和在繞組中傳播后的電壓信號，經(jīng)傅里葉變換后按式(1)求取頻率響應(yīng)曲線，通過分析比較曲線的變化實現(xiàn)變壓器繞組變形的在線檢測。

式中：Ui(ω)為變壓器繞組首端的VFTO的幅值，Uo(ω)為變壓器繞組末端的電壓幅值。

測試原理圖如圖2所示，使用數(shù)據(jù)采集裝置獲得沖擊變壓器的VFTO和繞組末端的電壓響應(yīng)信號，經(jīng)數(shù)據(jù)計算后構(gòu)建頻率響應(yīng)曲線，在線診斷繞組狀態(tài)。

圖2 測試原理圖Fig.2 Principle diagram of measurement

2 仿真分析

2.1 仿真模型

以單相變壓器為例，采用MATLAB/Simulink進行仿真。本文的繞組等效模型為一個9級分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，由于雷電波與VFTO的特征相似，因此，選用標準雷電波作為輸入[13]，仿真模型如圖3所示。在本仿真中，假設(shè)繞組模型的分布參數(shù)為均勻分布參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示，Ri為輸入匹配電阻。

圖3 變壓器繞組仿真模型Fig.3 Simulation model of transformer winding

參數(shù)Li/mHKi/pFCi/pFRi/Ω數(shù)值40.42619.51213.2750

2.2 繞組變形的仿真實驗

圖4 正常繞組的頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Frequency response curve of normal winding

變壓器繞組正常時的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，為作圖清楚，僅顯示了波峰、波谷出現(xiàn)的頻段?？梢钥闯觯l率響應(yīng)曲線中的波谷和波峰交替出現(xiàn)。由于變壓器繞組由電感和電容參數(shù)組成，因此內(nèi)部會發(fā)生多頻諧振的現(xiàn)象。當變壓器繞組的內(nèi)部發(fā)生串聯(lián)諧振時，頻率響應(yīng)曲線上產(chǎn)生波峰，當發(fā)生并聯(lián)諧振時產(chǎn)生波谷。由圖3的仿真模型可以看出，繞組發(fā)生變形會引起L、K、C參數(shù)的改變，從而使頻率響應(yīng)曲線上波峰、波谷的位置和幅值發(fā)生變化。在仿真中改變不同的參數(shù)模擬繞組變形，對比分析繞組變形前后頻率響應(yīng)曲線的變化，驗證本在線檢測方法的正確性。

2.2.1 變形類型不同

他手舉風箏追趕我，卻不想風箏被一個樹枝夾到，進退不得。他喚住我，可憐兮兮的樣子不知道該怎么辦，我一把拿過風箏線，說“我來試試?！?/p>

以第5級的參數(shù)改變?yōu)槔?，分別將L、K、C增加15%，所得的頻率響應(yīng)曲線對比圖如圖5所示。圖中黑色虛線為變壓器繞組正常時的頻率響應(yīng)曲線，紅色實線為參數(shù)改變后的頻率響應(yīng)曲線，后面的曲線圖類同。圖5中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的變化情況如表2所示。

圖5 L5、K5、C5依次增加15%后的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results after increasing L5, K5 and C5 by 15% successively

正常時的波峰頻率/kHz7.814.421.126.431.334.437.539.3L5增加15%Δf/kHz0.00.50.00.9-2.2-0.20.0-0.2λ0+0+++++000ΔA/dB4.92.8-5.4-7.7-18.83.3-3.67.0γ+++++++++++++K5增加15%Δf/kHz0.00.00.00.20.20.20.00.2λ00000000ΔA/dB0.10.00.0-0.11.0-2.40.0-0.6γ00000+00C5增加15%Δf/kHz0.20.00.9-1.1-0.20.20.5-0.9λ00+++++00+++ΔA/dB-3.11.0-7.8-8.53.4-0.3-6.622.9γ+0+++++0+++++

在表2中， Δf為波谷的偏移量， ΔA為波谷幅值的變化量，其計算公式如下：

式中：f1i和A1i為繞組正常時第i個波谷的頻率和幅值，f2i和A2i為繞組變形后第i個波谷的頻率和幅值。正值表示波谷右移或波谷幅值減小，負值表示波谷左移或波谷幅值增大。

表2中的λ為波谷頻率的偏移度，γ為波谷幅值的變化程度，其定義如表3所示，表中數(shù)值為表2中數(shù)據(jù)的絕對值。

表3 繞組變形程度判斷

結(jié)合圖5和表2可以看出，頻響曲線反應(yīng)電感型變形主要體現(xiàn)在第3、4、5波谷上，波谷的偏移和幅值改變均比較明顯，尤其是第5個波谷處波形畸變嚴重；頻響曲線對縱向電容型變形不敏感，僅在第6個波谷處幅值發(fā)生變化；頻響曲線反應(yīng)對地電容型變形主要體現(xiàn)在第3、4、7、8波谷上，其諧振頻率及幅值均發(fā)生不同程度的變化。因此，根據(jù)頻率響應(yīng)曲線的特征可以區(qū)分變壓器繞組變形的大致類型。

以第5級的參數(shù)改變?yōu)槔謩e將L、K、C增加10%、15%、20%，分析所得頻率響應(yīng)曲線的差異。結(jié)果表明，通過對比曲線間的差異能有效診斷繞組發(fā)生的不同程度的變形。本文以參數(shù)L的改變?yōu)槔右哉f明，如圖6所示，其余參數(shù)改變后的頻響圖不再贅述。圖6中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的變化情況如表4所示。

圖6 L5增加不同比例后波谷變化情況Fig.6 Simulation results after increasing L5 by different proportion

正常時的波峰頻率/kHz7.814.421.126.431.334.437.539.3L5增加10%Δf/kHz-0.20.9-1.6-0.20.20.9-0.60.0λ0+++++00+++0ΔA/dB3.40.7-29.51.1-10.3-3.5-4.55.1γ+0+++++++++++L5增加15%Δf/kHz0.00.50.00.9-2.2-0.20.0-0.2λ0+0+++++000ΔA/dB0.10.00.0-0.11.0-2.40.0-0.6γ+++++++++++++L5增加20%Δf/kHz0.00.50.4-0.90.20.0-0.4-0.2λ0++++00+0ΔA/dB6.61.8-8.4-5.00.01.5-8.03.1γ++++++0++++

結(jié)合圖6 和表4可以看出，電感參數(shù)L5的變化程度不同，各波谷波形的畸變程度也存在差異。其中，L5增加10%時，第3、5波谷變化明顯，尤其是第3波谷的幅值和頻率均發(fā)生較大變化；L5增加15%時，第3、4、5波谷變化明顯，尤其是第5波谷的幅值和頻率發(fā)生較大偏移；L5增加20%時，第1、3、7波谷的幅值發(fā)生明顯變化，第4波谷的頻率偏移明顯。因此，通過分析頻響曲線對比圖能有效判斷繞組發(fā)生變形的程度。

2.2.3 變形位置不同

分別將L、K、C在第1、3、5、7、9級增加15%，分析所得頻率響應(yīng)曲線的差異。結(jié)果表明，通過對比曲線間的差異能有效診斷繞組不同位置的變形。本文以參數(shù)L的改變?yōu)槔右哉f明，所得的頻率響應(yīng)曲線對比圖如圖7所示，其余參數(shù)改變后的頻響圖不再贅述。圖7中各主要波谷的偏移程度及波谷幅值的變化情況如表5所示。

結(jié)合圖7和表5可以看出，不同位置的電感參數(shù)發(fā)生變化，各波谷的畸變程度不同。其中，L1變化時，主要是第4、5、6、7波谷變化明顯；L3變化時，第1、2、3、4、8波谷畸變明顯；L5變化時，第3、4、5波谷變化明顯，尤其是第5波谷的幅值和頻率發(fā)生較大偏移；L7變化時，主要是第1、2、3、5波谷變化明顯；L9變化時，主要是第3、7波谷變化明顯。因此，根據(jù)頻率響應(yīng)曲線的特征差異可以區(qū)分變壓器繞組變形的大致位置。

圖7 L在不同位置增加15%后的仿真結(jié)果
Fig.7 Simulation results after increasing L by 15% in different positions

表5 L在不同位置增加15%后波谷變化情況

3 結(jié) 論

VFTO陡峭的上升沿中包含大量的高頻成分，變壓器繞組在該高頻信號的作用下體現(xiàn)出頻響特性。結(jié)合頻率響應(yīng)法原理，本文提出了基于VFTO特性的變壓器繞組變形在線檢測方法。仿真結(jié)果表明，本方法能有效反映繞組變形類型、程度和位置，頻率響應(yīng)曲線的波峰、波谷在不同變形情況下存在一定的差異和規(guī)律，驗證了本方法的可行性和實用價值。本課題組后續(xù)將開展在線測量VFTO信號的傳感器的研究，并在變壓器不同運行方

式下，通過實驗進一步驗證本方法的可行性。

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On-line Detection Method for Transformer Winding Deformation Based on Characteristics of VFTO

ZHANG Ning, ZHU Yongli, ZHANG Meng, ZHANG Yuanyuan, ZHENG Yanyan

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Off-line mode is mostly used in the detection of transformer winding deformation; however, it has some limitations. To detect winding deformation on-line and in time, an on-line detection method for transformer winding deformation based on characteristics of Very Fast Transient Overvoltage (VFTO) is proposed by combining the principle of frequency response analysis. Frequency response characteristic of the winding which is under the impact of high frequency components in VFTO is utilized. The VFTO signal in the input end of transformer winding and the response signal in the terminal are measured, which are calculated to frequency response curves. On-line detection of winding deformation can be done by analyzing and comparing the variations of the response curves. The simulation results show that the method reveals diversities and regularities of different deformation types, location and degree and it is of great potential practical value.

power transformer; winding deformation; on-line detection; VFTO; frequency response analysis

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.02

2016-01-01.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014xs74).

TM406

A

1007-2691(2016)05-0008-06

張寧(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷；朱永利(1963-)，男，教授，博士生導師，研究方向為輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、智能分析和智能電網(wǎng)；張蒙(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷；張媛媛(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為輸電線路故障定位和電力系統(tǒng)運行、分析與控制；鄭艷艷(1987-)，女，博士研究生，研究方向為電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷。