基于頻率響應(yīng)分析的變壓器分接開關(guān)故障診斷方法

文章編號：1671-3559（2024）06-0763-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240911.001

摘要： 為了準(zhǔn)確診斷電力變壓器分接開關(guān)故障類型，提出一種基于頻率響應(yīng)分析的變壓器分接開關(guān)故障診斷方法；利用Simulink仿真工具提出并設(shè)計(jì)電氣等效電路模型，針對結(jié)焦、 點(diǎn)蝕2種常見分接開關(guān)故障，利用頻率響應(yīng)分析特征曲線分析變壓器分接開關(guān)的物理故障敏感性，對開路端對端、 短路端對端和繞組間電感和電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明： 使用頻率響應(yīng)分析測量值可以準(zhǔn)確識別變壓器分接開關(guān)觸頭結(jié)焦、 點(diǎn)蝕故障，結(jié)焦會對利用開路的電路端到端、 短路端到端、 電容繞組和電感繞組4種不同測量配置得出的頻率響應(yīng)分析特征造成顯著影響，但點(diǎn)蝕故障的影響僅在電感繞組配置中出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 變壓器； 分接開關(guān)； 頻率響應(yīng)分析； 故障檢測； 等效電路

中圖分類號： TM933

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Fault Diagnosis Method of Transformer

Tap-changers Based on Frequency Response Analysis

YANG Yue1， GUO Hongbing1， CHEN Bo1， LI Peiqiang2， SHEN Xianhao3

（1. Inner Mongolia Power Research Institute Branch， Inner Mongolia Power （Group） Co.， Ltd.， Hohhot 010020， Inner Mongolia， China;

2. College of Electrical and Information Engineering， Hunan University， Changsha 410082， Hunan， China;

3. College of Computor Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006， Guangxi， China）

Abstract： To accurately diagnose fault types of power transformer tap-changers， a fault diagnosis method of transformer tap-changers based on frequency response analysis was proposed. An electrical equivalent circuit model was proposed and designed by using Simulink simulation tool， and the physical fault sensitivity of transformer tap-changers was analyzed by using frequency response analysis characteristic curves for two common tap-changer faults of focal and pitting， and the inductance and capacitance between open end， short end and winding were tested experimentally. The results show that using the measured value of frequency response analysis can accurately identify the focal and pitting faults of transformer tap-changer contacts， and the focal has a significant impact on the frequency response analysis characteristics obtained by using four different measurement configurations of open circuit end-to-end， short circuit end-to-end， capacitor winding and inductor winding， but the pitting fault only appears in the inductor winding configuration.

Keywords： transformer; tap-changer; frequency response analysis; fault diagnosis; equivalent circuit

電力變壓器是電網(wǎng)的重要組成部分，其健康狀態(tài)至關(guān)重要［1-2］。在電力變壓器中，使用分接開關(guān)調(diào)整繞組匝數(shù)比將一側(cè)的電壓保持在正常水平。該過程可以通過有載分接開關(guān)［3］（OLTC）在線完成，或利用無勵(lì)磁分接開關(guān)［4］（DETC）離線完成。

OLTC是安裝在變壓器上的機(jī)電系統(tǒng)，在不斷開負(fù)荷電流的情況下改變負(fù)荷電壓水平，而DETC則先斷開負(fù)載電流，再對開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)更改。該機(jī)械系統(tǒng)是電力變壓器中唯一的運(yùn)動(dòng)部件，成本較高且非常重要。分接開關(guān)觸頭必須足夠堅(jiān)固，以承受規(guī)則運(yùn)動(dòng)、 摩擦和機(jī)械應(yīng)力。由于占比約40%～56%的變壓器故障是分接開關(guān)故障所引起的［5-6］，并且分接開關(guān)觸頭的更換成本較高且耗時(shí)較長，因此確保分接開關(guān)在變壓器的使用壽命內(nèi)保持正常工作非常重要。

絕緣劣化是造成變壓器分接開關(guān)故障的主要原因之一。變壓器分接開關(guān)通常使用礦物油作為絕緣材料和冷卻介質(zhì)，其耐用性和性能很大程度上取決于絕緣系統(tǒng)。絕緣材料在變壓器工作過程中因受到各種介電應(yīng)力、 機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用而老化，導(dǎo)致絕緣劣化。環(huán)境因素（如潮濕）也會造成絕緣劣化。當(dāng)濕度較大時(shí)，由于水分填充絕緣材料中的空隙，為電流提供低電阻路徑，因此使材料的介電強(qiáng)度減小，導(dǎo)致電介質(zhì)失效。此外，溫度和濕度都會影響絕緣材料介電性質(zhì)（即介電常數(shù)），從而使變壓器的紙絕緣劣化。

分接開關(guān)的故障模式包括機(jī)械磨損和觸頭結(jié)焦。評估分接開關(guān)穩(wěn)定狀況的分接開關(guān)診斷方法可被分類為絕緣油分析、 分接開關(guān)觸頭分析和機(jī)械分析［7］，但這些方法都存在一些缺陷。例如，油中氣體分析（DGA）法［8］無法確定分接開關(guān)損壞的具體位置。動(dòng)態(tài)電阻測量（DRM）法［9］利用直流電源將測試電壓注入到變壓器繞組，但無法檢測分接開關(guān)觸頭狀況。振動(dòng)聲分析是一種新的分接開關(guān)診斷技術(shù)［10］，與之類似，文獻(xiàn)［11］中提出了一種基于短時(shí)傅里葉變換（STFT）的變壓器繞組機(jī)械狀態(tài)診斷方法，這類方法通過結(jié)構(gòu)部件傳輸?shù)恼駝?dòng)聲波形，以診斷不同的分接開關(guān)故障。

頻率響應(yīng)分析（FRA）技術(shù)廣泛用于檢測變壓器繞組和變壓器鐵芯的機(jī)械形變［12-13］，但很少用于分接開關(guān)故障的診斷和檢測。本文中分析了FRA特征曲線對變壓器分接開關(guān)觸頭結(jié)焦和點(diǎn)蝕2種物理故障的敏感性，通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析，研究這些故障對FRA特征曲線的影響，分析利用FRA同時(shí)檢測繞組形變和分接開關(guān)故障的可行性。

1分接開關(guān)故障

分接開關(guān)故障模擬電弧開關(guān)為寬度、長度分別為22.5、 30 mm的裸銅帶。將該導(dǎo)體暴露在特定的故障模式下，并在DETC觸頭中實(shí)施規(guī)定機(jī)制。本文中采用結(jié)焦和點(diǎn)蝕2種故障模式，在分接開關(guān)的故障狀態(tài)和正常工作狀態(tài)上執(zhí)行FRA。

1.1結(jié)焦

油浸式分接開關(guān)通常會因碳化物沉積而經(jīng)歷結(jié)焦過程。在變壓器中，觸頭溫度升高導(dǎo)致碳從變壓器油中析出，并沉積在分接開關(guān)觸頭上［14］。本文中通過對分接開關(guān)觸頭加熱，并將分接開關(guān)在變壓器油中浸泡一定時(shí)間來模擬該過程，一旦在觸頭上觀察到碳質(zhì)沉積膜，則執(zhí)行FRA測量實(shí)驗(yàn)。由于聚合薄油膜具有高絕緣阻抗，因此會降低分接開關(guān)觸頭的導(dǎo)電性，F(xiàn)RA可檢測到這一現(xiàn)象。通過增加熱應(yīng)力，觸頭上會沉積更多的碳質(zhì)層，使觸頭的絕緣阻抗增大。分接開關(guān)觸頭結(jié)焦如圖1所示。

1.2點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕表現(xiàn)為金屬材料（如銅）中的空腔，此類故障的危害較大，且難以診斷［15］。本文中利用機(jī)械工具，在銅帶表面上人為產(chǎn)生不同等級的點(diǎn)蝕。圖2所示為不同點(diǎn)蝕程度的觸頭。

2基于FRA的分接開關(guān)故障檢測

相關(guān)研究［16］表明， FRA是電力變壓器中內(nèi)部機(jī)械故障的最佳檢測方法。 通過在繞組的一個(gè)線端處注入低壓交流電壓信號U1（f ）， 測量同一個(gè)繞組的其他線段所返回的輸出電壓信號U2（f）， 以執(zhí)行FRA測試。 FRA儀器獲取繞組電壓的頻率為20～2×106 Hz的傳遞函數(shù)。 輸出信號和輸入信號之比為20 lgU2（f）/U1（f），可生成唯一性的頻率響應(yīng)， 該頻率響應(yīng)用于分析變壓器狀態(tài)。 若變壓器中存在異常， 則變壓器的電阻、 電感和電容都會發(fā)生變化， 從而影響原始頻率響應(yīng)。 綜上，F(xiàn)RA法是利用變壓器的“指紋”（原始響應(yīng)），通過將其與最近的響應(yīng)相比較，以識別變壓器的響應(yīng)變化，檢測變壓器分接開關(guān)故障［17］。

變壓器傳遞函數(shù)如式（1），使用式（2）、 （3）計(jì)算變壓器的相位和振幅。通過FRA分析，可以得到振幅和相位的響應(yīng)。與相位響應(yīng)相比，振幅響應(yīng)提供了更多信息，且便于理解，因此在FRA分析中多使用振幅響應(yīng)。

H（f）=U2（f）U1（f） ，（1）

K（f）=20 lgU2（f）U1（f） ，（2）

φ（f）=arctan∠U1（f）∠U2（f） ，（3）

式中H（f）、 K（f）、 φ（f）分別是變壓器傳遞函數(shù)值、變壓器的相位和振幅。

在執(zhí)行FRA測量后，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)比較參考響應(yīng)和實(shí)測響應(yīng)2個(gè)頻率響應(yīng)間的差異。參考響應(yīng)為變壓器“指紋”，來自相同變壓器的FRA。常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括均方根誤差（RMSE）、 標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和相關(guān)系數(shù)等［18］，其中最常用的指標(biāo)為相關(guān)系數(shù)。

ζ=∑Ni=1［（xi-x—）（yi-y—）

］∑Ni=1（xi-x—）2

∑Ni=1（yi-y—）2 ，（4）

式中： ζ為相關(guān)系數(shù)； xi、 yi分別為數(shù)據(jù)x、 y的第i個(gè)值， x、 y分別對應(yīng)于要比較的參考響應(yīng)和實(shí)測響應(yīng)； x—、 y—分別為數(shù)據(jù)x、 y的均值； N為數(shù)據(jù)x、 y的總個(gè)數(shù)。

相關(guān)系數(shù)基準(zhǔn)區(qū)間劃分如下： 若相關(guān)系數(shù)為0.95～1.00， 變壓器狀態(tài)良好； 若相關(guān)系數(shù)為0.90～lt;0.95，變壓器處于臨界狀態(tài)；若相關(guān)系數(shù)小于0.90，變壓器狀態(tài)較差，須進(jìn)一步分析。

此外，若基于相關(guān)系數(shù)區(qū)間估計(jì)出變壓器處于良好或臨界狀態(tài)，本文中仍對絕緣狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析。雖然變壓器中沒有機(jī)械故障，但2個(gè)響應(yīng)之間的較小差異很有可能是由絕緣老化引起的，對此進(jìn)行分析，可得到有價(jià)值的額外信息。繞組絕緣老化會造成繞組電容的變化，但無法從FRA測量結(jié)果中計(jì)算出繞組電容，只能利用2個(gè)頻率響應(yīng)計(jì)算電容比。并聯(lián)電感-電容（LC）電路的諧振頻率表達(dá)式見式（5）。

f=12πLC ，（5）

f1f2=2πL2C22πL1C1 ，（6）

式中： f為電路的諧振頻率； L為電路的電感； C為電路的電容； C1、 C2分別為2個(gè)不同頻率響應(yīng)的電容； f1和f2為2個(gè)響應(yīng)的諧振頻率； L1、 L2分別為2個(gè)不同頻率響應(yīng)的電感。通?？赏ㄟ^假定繞組電感不變來計(jì)算電容比，即L1=L2。

利用頻率比求解電容變化百分比ΔC21，即

ΔC21=C2-C1C1×100%=

C2C1-1×100%=

f21f22-1×100%。（7）

ΔC21

可視為不同響應(yīng)的2個(gè)諧振頻率之差。 從理論上分析， 繞組響應(yīng)會隨著繞組絕緣的老化程度的增加而移至較低頻率， 這是由絕緣介電常數(shù)增大造成的， 并且電容隨著絕緣介電常數(shù)變化。

圖3所示為LC電路電容增大造成的諧振頻率偏移結(jié)果。從圖中可以看出， LC電路電容增大，電感不變，因此造成2個(gè)繞組響應(yīng)發(fā)生頻率偏移。

通常采用4種不同的測試配置將設(shè)備連接到變壓器終端來進(jìn)行FRA， 分別是電路的開路端到端、 短路端到端、 電容性繞組間和電感性繞組間的實(shí)驗(yàn)， 其中， 開路、 短路端到端測試較為常用， 原因是它們能提供足夠的信息來分析變壓器的狀態(tài)。 本文中采用頻率響應(yīng)分析儀執(zhí)行開路或短路端到端FRA測量， 將低振幅、 可變頻率的輸入電壓信號Ui（20 V）輸入高壓繞組的一個(gè)端子， 并測量同一繞組的另一端的輸出電壓Uo，同時(shí)所有低壓繞組保持開路［19］。將所有分接開關(guān)位置的FRA特征表示為繞組傳遞函數(shù)Uo/Ui。

根據(jù)文獻(xiàn)［20］，可將變壓器組件表示為由分布電阻R、 電感L、 電容C和電導(dǎo)G等參數(shù)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行FRA?？紤]串聯(lián)和并聯(lián)的電阻、 電感和電容（RLC）元件的變壓器等效電路，如圖4所示。本文中提出一個(gè)簡化電路，利用Simulink模擬的變壓器分接開關(guān)電路如圖5所示。

3結(jié)果與分析

3.1開路端對端測試

RLC電路模型表示開路端到端測量中變壓器的分接開關(guān)為正常工作狀態(tài)，其中，Rs和Ls分別為串聯(lián)電阻和電感，Cp為初級線圈電容，每條導(dǎo)線電阻R和參考電阻Rref均為50 Ω。利用變壓器的物理尺寸、 絕緣屬性、 繞組拓?fù)鋵ψ儔浩鬟M(jìn)行有限元分析，得到變壓器分接開關(guān)等效電路的參數(shù)如表1所示。

3.2短路端對端測試

短路端對端測試與開路端對端測試相似，不同之處是將低壓繞組短接在一起，以消除磁芯的磁化電感的影響。用于短路端對端測試的變壓器分接開關(guān)等效電路如圖6所示。RLC電路模型實(shí)現(xiàn)了變壓器在正常、 結(jié)焦和點(diǎn)蝕狀態(tài)時(shí)的短路端到端測量，電路參數(shù)見表2。

圖7給出了短路端到端測試配置下在變壓器分接開關(guān)正常及結(jié)焦、 點(diǎn)蝕狀態(tài)下的測試、 模擬FRA特征曲線。由圖可以看出，在正常狀態(tài)下，由于不存在變壓器鐵芯效應(yīng)， 因此諧振頻率向高頻移動(dòng)， 低頻、 中頻區(qū)域的響應(yīng)主要受漏電感的影響， 表現(xiàn)為負(fù)斜率特征。 在高頻區(qū)， 變壓器可認(rèn)為是純電容性的， 測試、 模擬FRA特征曲線表現(xiàn)出大致相似的振幅響應(yīng)。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，變壓器漏電感增大和繞組電阻減小， 導(dǎo)致分接開關(guān)觸頭結(jié)焦對低頻、 中頻區(qū)的FRA特征曲線有顯著影響。 此外， 由于磁化阻抗減小， 因此諧振頻率向更高頻率偏移［21］。 點(diǎn)蝕不會造成低頻區(qū)的FRA特征發(fā)生變化； 但是， 由于串聯(lián)電容和接地電容略有減小， 且諧振頻率無偏差， 因此FRA特征曲線在較高頻率處出現(xiàn)不易觀察到的偏差。

3.3繞組間電容測試

在繞組間電容測試過程中， 在高壓繞組的一個(gè)端子處注入輸入信號， 并在同一個(gè)相位的低壓繞組的端子處測量響應(yīng)， 同時(shí)其他繞組的端子保持浮動(dòng)。變壓器分接開關(guān)正常及完全結(jié)焦、 點(diǎn)蝕狀態(tài)下的電容性繞組間FRA特征曲線如圖8所示。 從圖中可知， 頻率響應(yīng)是高度電容性的， 巨大的阻抗導(dǎo)致繞組振幅增大， 與低頻處（20～1 000 Hz）的頻率響應(yīng)具有顯著差異， 并且結(jié)焦造成觸頭電阻增大， 使得初始時(shí)低頻區(qū)的振幅非常小， 逐漸增大的振幅說明電力變壓器繞組間電容對繞組間FRA的影響是主導(dǎo)的。 將變壓器故障模式與繞組間電容性分析進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)， 兩者的FRA特征曲線具有較好的一致性， 結(jié)焦通過減小振幅來影響低頻區(qū)的繞組響應(yīng)， 而點(diǎn)蝕則未對振幅造成顯著影響。 變壓器分接開關(guān)不同狀態(tài)下的繞組間電容測量數(shù)據(jù)見表3。 從表中數(shù)據(jù)可以看出， 分接開關(guān)觸頭的電阻和電感對繞組響應(yīng)未造成顯著影響。

3.4繞組間電感測試

在繞組間電感測試過程中，將輸入信號施加在高壓繞組的一個(gè)端子，并在同一相位的低壓繞組的端子處測量輸出信號，其他高壓和低壓端子則均接地。變壓器分接開關(guān)正常、 結(jié)焦和點(diǎn)蝕狀態(tài)下的繞組間電感測量參數(shù)見表4。

變壓器分接開關(guān)不同狀態(tài)下的電感性繞組間FRA特征曲線如圖9所示。 由圖可以看出： 在正常狀態(tài)下， 由于沒有互電感的影響， 因此FRA信號振幅保持恒定。 繞組只影響105～106 Hz頻段， 其中繞組響應(yīng)受到漏電感、 繞組串聯(lián)電容和接地電容的影響。 在105～106 Hz頻段中， 串聯(lián)電容是決定繞組響應(yīng)形態(tài)的最重要因素， 振幅呈增大趨勢， 諧振頻率極小， 而在高頻區(qū)（gt;106 Hz）， 正常狀態(tài)主要受連接線的影響。 對于結(jié)焦和點(diǎn)蝕2種故障，在20～3 000 Hz頻段內(nèi)轉(zhuǎn)移函數(shù)的振幅均表現(xiàn)出顯著減小的趨勢，表明電阻的略微增大有助于減小FRA特征的振幅。同時(shí)，變壓器電容顯著減小，導(dǎo)致低頻區(qū)中頻率坡度向低幅值偏移，變壓器并聯(lián)電容的增大還造成頻率響應(yīng)向低頻區(qū)偏移。

4結(jié)語

本文中提出一種基于FRA的變壓器分接開關(guān)故障的診斷方法， 分析了分接開關(guān)故障狀態(tài)對FRA特征的影響。 由實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可知， 使用FRA測量值識別不同的觸頭結(jié)焦、 點(diǎn)蝕故障是可行的。 結(jié)焦故障對利用不同測試配置得出的FRA特征振幅造成顯著影響， 但點(diǎn)蝕故障的影響僅在電感繞組配置中可見。 對于開路端對端、 短路端對端和繞組間電感測試， 2種故障狀態(tài)均導(dǎo)致低頻區(qū)的FRA特征變化， 而繞組間電容測試不適用于變壓器分接開關(guān)故障， 特別是對于滑動(dòng)機(jī)械應(yīng)力造成的故障（如點(diǎn)蝕）。

本文中提出的基于FRA的變壓器分接開關(guān)故障診斷方法的故障特征頻率因受到臨近調(diào)制的干擾而難以有效提取，這是FRA方法的共性，未來將對此研究改進(jìn)方案，提高方法的魯棒性。

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（責(zé)任編輯：劉飚）

收稿日期： 2023-11-29網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2024-09-12T08：57：56

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62362017）； 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021BS05005）

第一作者簡介： 楊玥（1983—）， 女， 河北保定人。 高級工程師， 碩士， 研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備狀態(tài)檢修、 設(shè)備異常檢測。E-mail：y18548139798@163.com。

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