浅析电力变压器绕组变形试验频响法应用

引言

地铁主变压器作为供电系统中核心的设备之一，其能否安全运行将直接影响整个系统正常运营。变压器绕组在多种情况下都有可能产生变形，建设的运输、吊装过程保护措施不到位易受到碰撞，运行期系统短路事故都有可能使变压器绕组产生变形。以前常规的方法用短路阻抗法是否变形，阻抗法现场应用简单，但多数情况下现场很难获得所需的试验电流，对试验仪器的精度及灵敏度要求也很高。电力行业标准《电力变压器绕组变形测试导则（频率响应法）》（DL/T911-2004），该导则的出台对频响法检测推广起到了很好的指导作用。据了解，各省电网公司应用该导则预试发现变压器绕组变形，并都通过吊芯检查得到确认，使隐患变压器得到及时维护检修，避免事故造成损失。如何应用导则（频率响应法）中的诊断分析方法中的横向比较、纵向比较及相关系数比较，本文通过西安地铁供电系统主变压器更换安装实例对以上方法进行介绍。

1. 频率响应法原理

当在高频率段时，可以不考虑变压器铁芯的影响，此时可将其绕组等效成是由电阻、电感、电容等构成的分布参数电路，如图1所示。

其中L、C和K分别代表绕组电感、对地及分布电容。又可以将这些参数电路看作为一二端口网络，这些特性可用函数H（jω）表达。函数的极点和零点分布模拟二端网络的代标参数值。如绕组发生变形，那么其内部电容、电抗必然发生变化，函数参数关系也相应发生变化。频响法便可直观的看作是对变压器绕组进行X扫描，并绘制频谱曲线，其中，Vs为外施扫频信号源，Ri、Ro分别为输入输出匹配电阻，Vi、Vo分别为等效网络的激励电压和响应端电压；。通过对绕组频谱曲线进行对比分析，可以判断绕组的结构变化。用对数形式表示频率响应曲线：H（f）=20lgV2（f）/V1（f）。式中，H（f）为频率f时传递函数的摸|H（jω）|；V2（f）/，V1（f）分别为频率为f时相应端和激励端电压的峰值或有效值|V2（jω）|，|V1（jω）|。

为了定律表示曲线的相识程度，引入相关系数R作为量化结果表示比较特性曲线的相识程度，R值越大，表示曲线的相识程度越好。可按下列公式计算。设两个长度为N的传递函数幅度序列X（k）和Y（k），k=0，1，…，N_1，且X（k）和Y（k）为实数。

（1）计算两个序列的标准方差：

（2）计算2个序列的协方差：

（3）计算两个序列的归一化协方差系数：

2. 频响法现场综合应用与分析

2.1 频响法与低压阻抗法优缺点分析

（1）频响法

用频响法检测变压器绕组变形具有很高的灵敏性，抗干扰细节处理得当，能很好地反映变压器绕组变形的累积效应，但很多在实地应用时，诊断结果欠缺准确与直观。在测试仪器输出的响应频谱图因方法、干扰等因数影响无法对绕组变形做出正确的判断。

（2）低电压短路阻抗法

试验方法简单、所得数据能直观判断，只是目前用于测试的仪器精度较高，而实地用于满足测试的电流较小，加上干扰等问题，这些都造成了现场数据不确定度较高。

2.2 综合判断

目前国网变压器检修频响法测试主要以本台变压器三相间图形再与出厂前、交接试验等历史时期图形比较；再与同厂型号进行比较。频响法测试所用频率波段扫描范围为10kHz～1000kHz，1000个线性排布扫描点会获得较好的效果。高频段（600kHz以上）虽然能反映变压器变形位移，但受杂散电容影响干扰较大；而中低频段（600kHz以下）频响图形有较丰富的谐振点，这些点能很好地反映变压器的变形位移。在做判断分析时，应重点关注中低频段图形变化，高频段作为参考。

频响法和低电压短路阻抗法均可反映变压器变形情况。由于各自缺点都不能得出准确地判断，另外变压器常规电容变化、直阻、绝缘电阻及油气分析试验项目等，均在一定程度能反映变压器的绕组变形，因此实地操作试验以频响法为主，其他方法为辅进行综合判断。

2.3 现场实例

西安地铁二号线行政中心主变电站更换1#主变压器，安装完成做交接试验。第三方试验检测单位及供货厂家分别用各自仪器进行变压器绕组变形频响法测试图谱发现B相与出厂图谱差异大。如果按照频率响应法初步判定高压B相绕组有变形，变压器不能在现场开盖吊芯检查，必须吊起运回工厂处理。行政中心主变压器属于地下户内安装方式，变电所处于市内繁华主干道旁绿化带内，变压器起吊安装需占用大部分交通干道，长时间封锁围挡道路很难得到交通管理部门批准。西安地铁二号线供电系统采用的是110kV/35kV两级电压集中供电方式，行政中心主变电站更换时，由另外一座会展中心主变电站向全线供电方式，如果变压器再次运回工厂，就延长了单所主变电站向全线供电时间，影响地铁运营可靠性。由于变电所长时间施工需要，吊装口不能及时封闭，对整个变电站安全运行不利。综合以上原因，不能将频率响应法作为判断本台变压器B相绕组变形唯一方法。地铁公司组织各方专业人员组成专家组，从引起变压器绕组变形的各种因数入手，首先新变压器未接入系统运行，不存在短路故障引起绕组变形；其次检查工程发运过程冲撞仪，从打印记录看没有发现运输、吊装过程受到有大的震动冲击；最后询问现场监理及施工负责人，安装过程也没有碰撞、震动发生，以上直观因数排除后，又用低电压阻抗法测试，测试值符合要求，直流电阻、绝缘电阻测试结果都在规范要求之内。最后回到频率响应法本身，对所有干扰项一一排查，发现B相测试接线接地点与其他相位置距离有差异，A、C相接地点基本在相同位置。从图谱上反映的是A、C相图形波线基本相同，而B相（蓝线）在400kHz以上波形与A（红线）、C（绿线）相有差异（图2）。调整B相接地点与A、C相一致后，所得图谱波形三相基本一致。最后专家组结论本台变压器B相绕组未发生变形，投运后一切正常，1年后运营按规程做预防性试验，所有试验结果符合要求，证明当初判断正确。  　会展中心主变电站更换主变压器更换交接试验，用频率响应法测试结果，白天测得频谱图，无论是高频段还是低频段，一段时间频谱图都有跳跃。结合行政中心变压器更换经验，没有排查运输、安装过程直观影响因数，而是直接从频响法干扰项入手，最终发现是测试电源引起的频谱图都有跳跃，地铁白天运营时，全线电力机车频繁启动制动取流时引起供电系统电压波动，而测试电源取自本所站用电源。为使测试电源不受电力机车取流影响，改在晚上地铁停运时间段进行，测试结果符合要求，证明测试电源的波动是引起频谱图都跳跃的原因。推广到新建变电所变压器用频率响应法测试绕组变形时，停止易引起施工电源产生波动的施工作业项目，尤其是电焊切割作业。

3. 频响法试验应注意的几个问题

（1）频响法应是变压器试验的第一个项目，否则绕组中存在的静电荷会对结果造成影响，因此测试前应对绕组进行充分放电。

（2）隔离绕组，解开主变绕组与外部接线，高频作用线，引线存在会影响绕组的频响特性，对地杂散电容存在且不固定。尽量测试整体绕组，将分接开关置于量高压位置。

（3）做好试验接地和试验线路连接，三相接地点一致，尤其以后做对比测试时，接地点应相同；变压器铁芯、信号检测端、试验仪器外壳必须与变压器外壳可靠接地，否则频响曲线会有尖刺出现影响判断。

（4）采用一致的信号源注入方式和采样方式。一般变压器短路故障，绕组端部发生变形几率大，对星接绕组，从中性点注入信号，线端取信号；对三角接绕组，可从首端注入，尾端取信号，也可相反。

（5）测试电源不要有外接气焊引起电源电压波动等作业。

（6）现场测试人员与测试点远近或有无接触，容易引起高频段杂散电容变化，从而影响测试结果。

结语

（1）频响法测试变压器绕组变形时，频率范围在1kHz～1000kHz内，这时绕组内的电感和分布电容均发挥作用，频响特性较多的谐振点，能较灵敏的反映绕组变形情况。

（2）频响曲线的尖峰与绕组模型级数有关。

（3）多数情况频谱图稍微发生偏移仅在高频段出现，而测试接地点不同和气焊干扰对测试结果影响较大，发生大幅偏移出现在中频段，实地测试时应重视。

（4）频响法灵敏度高，干扰事项没有排除掉，容易影响判断结果，因此现场测试时，除方法得当外还应结合低电压短路阻抗法等进行综合判断。