變壓器繞組變形診斷技術(shù)研究

曾鑫海

摘 要：隨著能源技術(shù)的發(fā)展，智能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求越來(lái)越大。因此，確保能源設(shè)備和能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。作為能源系統(tǒng)的核心部件，變壓器不僅價(jià)格昂貴，而且對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有極其重要的作用。在電力系統(tǒng)日常運(yùn)行過(guò)程中，由于短路故障，電容量不斷增加，變壓器承受多個(gè)電流的沖擊，瞬時(shí)短路電流可以是變壓器額定電流的數(shù)十倍。因此，它將對(duì)變壓器的繞組產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致變壓器繞組出現(xiàn)不同程度的變形。采用科學(xué)有效的診斷技術(shù)，定期檢測(cè)變壓器繞組情況，可以及時(shí)了解變壓器的運(yùn)行情況，采取具體措施，避免因變壓器繞組變形發(fā)生嚴(yán)重事故。文章系統(tǒng)地介紹和分析了幾種常用的變壓器繞組故障診斷方法，并在各種研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合的變壓器繞組故障診斷方法。

關(guān)鍵詞：變壓器;繞組變形;診斷技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.016

隨著能源負(fù)荷的增加，電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障的概率也大大增加。發(fā)生短路時(shí)，變壓器的繞組首先受損，強(qiáng)短路電流會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組變形。短路電流產(chǎn)生的徑向力和軸向力的作用是短路損壞變壓器的故障特征表現(xiàn)。繞組塌陷、扭曲、鼓包和位移等永久失穩(wěn)變形。如果不及時(shí)診斷和檢修，累積效應(yīng)將導(dǎo)致絕緣損壞、匝間短路、主絕緣放電或變壓器完全擊穿等故障，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，對(duì)變壓器進(jìn)行有效診斷和繞組檢測(cè)是非常重要的。

1 掃頻阻抗法診斷技術(shù)

1.1 診斷原理

掃頻阻抗法是一種通過(guò)全面檢測(cè)所要診斷的變壓器中的短路阻抗或者漏電阻抗等參數(shù)，生成相應(yīng)的繞組—頻率曲線，在對(duì)比曲線的橫向以及縱向測(cè)量結(jié)果后，再結(jié)合曲線的變化趨勢(shì)判斷繞組有可能出現(xiàn)的變形情況的一種方式。由于漏電感能夠直接反映兩個(gè)繞組間的距離，并與漏電感的電流呈線性相關(guān)關(guān)系，因而采用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組變形可以在低壓環(huán)境下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)診斷的復(fù)驗(yàn)性造成影響[1]。在使用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組時(shí)，應(yīng)將變壓器繞組視作組成一個(gè)電路系統(tǒng)的元件，在電路系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，如果有元件出現(xiàn)故障，則相應(yīng)的元件掃頻阻抗值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。將變壓器繞組的具體尺寸作為這些元件參數(shù)的基礎(chǔ)，如果繞組尺寸發(fā)生了改變，那么變壓器的掃頻阻抗值也隨之發(fā)生改變。

1.2 診斷方法

1.2.1 三相法

使用三相電源加壓的方式測(cè)量變壓器繞組時(shí)，在變壓器高壓一端施加相應(yīng)的電壓，將變壓器低壓一端的端子短接，把變壓器其余未測(cè)量的繞組全部開(kāi)路，然后將測(cè)量所得的變壓器繞組阻值和其銘牌上的阻值進(jìn)行比對(duì)。

1.2.2 單相法

使用單相電源加壓的方式測(cè)量變壓器繞組時(shí)，首先在變壓器高壓一端的中性點(diǎn)以及其中端子間施加電壓，變壓器低壓端子短接，其余非測(cè)量繞組開(kāi)路，并將所得測(cè)量值和三相法進(jìn)行比對(duì)。

1.2.3 相間法

使用單相電源對(duì)變壓器高壓端兩相間施加電壓，將變壓器低壓端子短接，其余非測(cè)量繞組開(kāi)路[2]。采取這種方式測(cè)量，變壓器的磁路分布情況和三相法基本一致，因而所得測(cè)量數(shù)據(jù)可以直接和變壓器銘牌所標(biāo)阻值進(jìn)行比對(duì)。

1.3 繞組變形的診斷方法

1.3.1 相關(guān)系數(shù)法

利用掃頻阻抗檢測(cè)技術(shù)診斷變壓器繞組會(huì)生成掃頻阻抗曲線，在此過(guò)程中生成的相關(guān)系數(shù)可以使用兩條掃頻阻抗曲線的關(guān)聯(lián)程度直接反映出來(lái)，并充分凸顯阻抗特征，更加全面和直觀地反映測(cè)量結(jié)果。

1.3.2 極值點(diǎn)偏移法

確認(rèn)變壓器結(jié)構(gòu)完整后，能夠得到變壓器中每個(gè)繞組所對(duì)應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并得出對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)[3]。變壓器繞組如果發(fā)生一定的變形，相應(yīng)的電容、電感等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳遞函數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)此原理，將函數(shù)的波峰、波谷位置和數(shù)量的變化作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以診斷變壓器繞組的變形情況。

1.4 影響因素

采用掃頻阻抗法診斷變壓器繞組變形時(shí)，能夠?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素有加壓方式、測(cè)量電流、短接方式與分接位置等。

1.4.1 測(cè)量電流的影響

診斷時(shí)，如果測(cè)量電流過(guò)小，則可能會(huì)造成測(cè)量數(shù)值出現(xiàn)偏差，通常情況下，測(cè)量行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求電流不應(yīng)小于5 A。通過(guò)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，在使用掃頻阻抗法診斷測(cè)量時(shí)，測(cè)量電流在大于2 A的情況下，將測(cè)量結(jié)果的偏差控制在0.1%以?xún)?nèi)。

1.4.2 加壓方式的影響

采用三相法診斷要用到380 V的三相電源，而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲取三相電源具有一定難度，測(cè)量時(shí)一般會(huì)采用單相法或者相間法診斷。再加上采用相間法測(cè)量時(shí)變壓器中的磁路分布與三相法幾乎無(wú)異，可以直接用單相法所得的測(cè)量數(shù)據(jù)和變壓器銘牌進(jìn)行比對(duì)。

1.4.3 短接方式的影響

通過(guò)分析和研究大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在三相五柱式變壓器的構(gòu)造中，由于其內(nèi)部鐵芯的兩側(cè)各有兩個(gè)磁路通徑，因而接線方式對(duì)其進(jìn)行短路阻抗的測(cè)量幾乎無(wú)影響。而對(duì)于三相三柱式鐵芯變壓器來(lái)講，在短接端采用YN方式進(jìn)行繞組連接時(shí)，短接的中性點(diǎn)會(huì)對(duì)單相法的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，卻對(duì)相間法的測(cè)量結(jié)果影響甚微。

1.4.4 分接位置的影響

在測(cè)量繞組變形過(guò)程中，分接位置不同，其繞組的電阻值會(huì)有不同的結(jié)果，阻抗值會(huì)隨著分接位置的距離增加而變大。

2 頻率響應(yīng)分析法診斷技術(shù)

2.1 診斷原理

頻響分析法是一種離線檢測(cè)變壓器繞組變形狀態(tài)的技術(shù)方法，由加拿大安大略水利學(xué)院的工程師提出。該方法具有靈敏度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成為變壓器繞組故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法之一。具體過(guò)程是將低壓正弦頻率掃描信號(hào)注入變壓器繞組的一端，測(cè)量輸出響應(yīng)信號(hào)從另一端繞組，并采取振幅比值輸出終端電壓信號(hào)激發(fā)終端電壓信號(hào)的頻率響應(yīng)曲線繞組。

變壓器繞組可看作一個(gè)由電感、電容、電阻參數(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，繞組變形時(shí)，相應(yīng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致繞組變形后測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線與故障前測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線存在偏差，分析偏差可以判斷變壓器繞組的變形狀態(tài)。

2.2 測(cè)量方法

采用響頻法進(jìn)行繞組測(cè)量之前，應(yīng)做好如下準(zhǔn)備：對(duì)變壓器繞組實(shí)施充分的放電操作;拆除與變壓器套管相連接的所有引線;打開(kāi)變壓器繞組的接地平衡;對(duì)于其余未測(cè)量的繞組進(jìn)行開(kāi)路處理;保證變壓器、鐵芯、測(cè)量?jī)x器以及夾件接地性良好。

采用響頻法進(jìn)行繞組測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)做好如下工作：存在中性點(diǎn)的繞組應(yīng)從中性點(diǎn)處接入信號(hào);沒(méi)有中性點(diǎn)的繞組應(yīng)采用固定式接入信號(hào);無(wú)法拆除套管接頭引線的變壓器，則可以采用套管末端的抽頭測(cè)量。

2.3 繞組變形的診斷方法

利用響頻法測(cè)量變壓器繞組變形的，一般會(huì)采用對(duì)頻率響應(yīng)曲線分析橫向以及縱向比較的方式對(duì)其相關(guān)系數(shù)，其診斷標(biāo)準(zhǔn)是電力變壓器繞組變形的響應(yīng)分析方法。但要注意的是，在使用響頻法測(cè)量時(shí)，由于其判定對(duì)于曲線的復(fù)驗(yàn)性具有較高的要求，應(yīng)注意外部環(huán)境因素所造成的干擾。

2.4 影響因素

2.4.1 掃頻信號(hào)接入方式的影響

由于變壓器自身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其繞組不能夠絕對(duì)保證端部和末端處于完全對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)，其變壓器繞組的匝間電容以及層間電容都不相同。掃頻信號(hào)接入方式的不同將會(huì)對(duì)頻響曲線產(chǎn)生直接的影響，尤其是對(duì)高頻段的電容造成的影響較大，而低頻段則受到的影響較小，如圖1所示。因此，在采用頻響法測(cè)試時(shí)，為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和復(fù)驗(yàn)性，應(yīng)盡量保證掃頻信號(hào)接入方式一致。

2.4.2 屏蔽信號(hào)接地狀態(tài)的影響

在測(cè)量過(guò)程中，屏蔽信號(hào)接地具體指掃頻信號(hào)檢測(cè)端口接地。屏蔽信號(hào)一般應(yīng)可靠接地。如果屏蔽信號(hào)未可靠接地，測(cè)試線將處于電位懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)漂移。同樣，可以得出，如果每次頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)接地點(diǎn)的選擇不同，則接地線和接地點(diǎn)之間的電容會(huì)影響頻率響應(yīng)曲線[4]。屏蔽信號(hào)在接地鐵芯、螺栓和不接地三種不同狀態(tài)下的響應(yīng)頻率曲線如圖2所示。

2.4.3 平衡繞組內(nèi)部接線方式的影響

測(cè)試變壓器繞組的響頻時(shí)，對(duì)于繞組的平衡一般會(huì)有三種不同的方式，其具體方式如圖3所示。

平衡繞組采用三角形接線連接，其連接方式是由自身的結(jié)構(gòu)決定的。

第一種方式中，中間以及右側(cè)繞組位于底端，尾端位于頂部，與左側(cè)繞組布局的方式不盡相同。

第二種方式中，中間繞組的首端位于底部，而尾端則位于頂部，這種方式和左側(cè)以及右側(cè)繞組的布局均不一樣。由于該繞組的首尾分布情況不一樣，必然導(dǎo)致電容電感分布情況不同，進(jìn)而造成繞組的頻響曲線不具備對(duì)稱(chēng)關(guān)系，因而無(wú)法橫向?qū)Ρ壤@組的變形情況。

第三種方式中，平衡繞組的內(nèi)部接線方式能夠保證頻響曲線具有對(duì)稱(chēng)性，可以采取橫向比對(duì)的方式分析繞組變形情況。

3 低電壓短路阻抗法

3.1 診斷原理

變壓器短路阻抗可分為電阻分量和電抗分量[5]。對(duì)于大功率變壓器，短路阻抗電阻分量所占比例很小，短路阻抗主要是電抗分量[6]。一般來(lái)說(shuō)，漏阻抗遠(yuǎn)小于勵(lì)磁阻抗，因此短路阻抗可被視為變壓器的漏阻抗大小。變壓器的漏阻抗有縱向漏電抗和橫向漏電抗，其中縱向漏電抗的影響最大。變壓器的漏阻抗與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)，變壓器線圈結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化將導(dǎo)致磁路漏電流的變化，導(dǎo)致變壓器漏阻抗的變化以及變壓器短路阻抗的變化。

3.2 診斷方法

短路阻抗試驗(yàn)對(duì)變壓器的高壓繞組側(cè)施加壓力，使低壓繞組側(cè)短路，必要時(shí)可采用低壓、高壓短路方式。根據(jù)低壓短路阻抗法的判據(jù)，分析同一參數(shù)的三個(gè)單相值的橫向差值，原始數(shù)據(jù)與上次測(cè)試數(shù)據(jù)的相同參數(shù)值的差值和縱向比，結(jié)合繞組的電容和頻率的響應(yīng)特性可以準(zhǔn)確判斷變壓器繞組是否變形以及變形的嚴(yán)重程度。

3.3 影響因素

3.3.1 繞組溫度

短路阻抗中的電阻分量與溫度成正相關(guān)。因此，測(cè)試期間應(yīng)準(zhǔn)確記錄線圈溫度，以便根據(jù)參考溫度校正短路阻抗測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.3.2 鐵心剩磁

短路阻抗測(cè)試是在勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于漏電阻抗的前提下進(jìn)行的。變壓器鐵芯的剩磁會(huì)降低勵(lì)磁電感的測(cè)量值，導(dǎo)致變壓器阻抗值減小，從而增加低壓短路阻抗測(cè)試的誤差。為了避免判斷錯(cuò)誤，應(yīng)在所有直流測(cè)試之前進(jìn)行低壓短路阻抗測(cè)試。

3.3.3 試驗(yàn)電源頻率

短路阻抗反應(yīng)分量與頻率有關(guān)。檢修電源或發(fā)電機(jī)電源的頻率不滿(mǎn)足工作條件時(shí)，將影響短路阻抗值，應(yīng)糾正試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，測(cè)試電源的電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大誤差。在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)選擇相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)試電源，通過(guò)多次測(cè)量獲得平均值，最大限度地減少數(shù)據(jù)誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

掃頻阻抗法變壓器的影響整體變形比較靈敏，諸如幅向變形、軸向變形等情況，但卻對(duì)于繞組匝間、餅間的拉伸以及壓縮變形、繞組整體移位變形等情況反應(yīng)不靈敏。響頻法能夠準(zhǔn)確、快速體現(xiàn)出變壓器的繞組變形情況，但卻容易受到外部環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)流程的影響。此外，其診斷和判斷標(biāo)準(zhǔn)也不夠直觀，使用該種方式進(jìn)行繞組診斷時(shí)應(yīng)注意測(cè)試方式、測(cè)試儀器的選擇，并盡最大可能排除外部環(huán)境的干擾。低電壓短路阻抗測(cè)試簡(jiǎn)單易行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀，通過(guò)橫向比較能分析變形繞組的差別。

通過(guò)對(duì)上述三種常用的繞組診斷技術(shù)的分析，可以通過(guò)對(duì)多種技術(shù)的融合開(kāi)展對(duì)繞組的測(cè)試與診斷工作，其具體方式為：充分結(jié)合掃頻阻抗法，響頻法和低電壓短路阻抗法的優(yōu)點(diǎn)，以常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法為輔，在測(cè)試?yán)@組抗短路能力的前提下，采取三種方式的趨勢(shì)相關(guān)性對(duì)變形繞組進(jìn)行綜合診斷。

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