頻響法與阻抗法診斷電力變壓器繞組變形互補(bǔ)性探討
文章前言
目前，檢測(cè)變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術(shù)成熟度看，頻響法用于現(xiàn)場(chǎng)要比低壓脈沖法易于實(shí)施，測(cè)得的圖譜較穩(wěn)定，重復(fù)性好，不易受試驗(yàn)接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應(yīng)用比較普遍。相對(duì)阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對(duì)繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實(shí)施更簡(jiǎn)單，有標(biāo)準(zhǔn)可循，仍不失為一種普測(cè)和互補(bǔ)的手段，尤其是對(duì)量大面廣的中低電壓等級(jí)的變壓器而言。
由于實(shí)際的變壓器種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)多樣，導(dǎo)致變壓器繞組的數(shù)學(xué)建模相當(dāng)困難，而簡(jiǎn)單的模型計(jì)算與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)還相差甚遠(yuǎn)。為此，本文以試驗(yàn)研究的方法，摸索綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據(jù)和規(guī)律。通過(guò)選擇實(shí)際的變壓器，借助比較成熟的測(cè)試技術(shù)和手段，建立變壓器繞組的物理模型進(jìn)行分析。推動(dòng)該測(cè)試技術(shù)的成熟和完善，促進(jìn)變壓器繞組的理論研究。
目前，檢測(cè)變壓器繞組變形一是阻抗法，二是頻響法和低壓脈沖法。從目前的技術(shù)成熟度看，頻響法用于現(xiàn)場(chǎng)要比低壓脈沖法易于實(shí)施，測(cè)得的圖譜較穩(wěn)定，重復(fù)性好，不易受試驗(yàn)接線、外界干擾的影響。因此，頻響法的應(yīng)用比較普遍。相對(duì)阻抗法，頻響圖譜包含的繞組特征信息豐富得多，對(duì)繞組變形的反映較靈敏。阻抗法則實(shí)施更簡(jiǎn)單，有標(biāo)準(zhǔn)可循，仍不失為一種普測(cè)和互補(bǔ)的手段，尤其是對(duì)量大面廣的中低電壓等級(jí)的變壓器而言。
由于實(shí)際的變壓器種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)多樣，導(dǎo)致變壓器繞組的數(shù)學(xué)建模相當(dāng)困難，而簡(jiǎn)單的模型計(jì)算與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)還相差甚遠(yuǎn)。為此，本文以試驗(yàn)研究的方法，摸索綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法診斷電力變壓器繞組變形的依據(jù)和規(guī)律。通過(guò)選擇實(shí)際的變壓器，借助比較成熟的測(cè)試技術(shù)和手段，建立變壓器繞組的物理模型進(jìn)行分析。推動(dòng)該測(cè)試技術(shù)的成熟和完善，促進(jìn)變壓器繞組的理論研究。
1、阻抗法和頻響法的測(cè)試原理和接線
阻抗法是通過(guò)測(cè)量工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏抗來(lái)反映繞組的變形和移位及匝間開(kāi)路和短路等缺陷。漏抗實(shí)質(zhì)上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內(nèi)部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映，因此對(duì)漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開(kāi)方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測(cè)量阻抗比測(cè)漏抗易于實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，建議在低電壓下實(shí)施阻抗測(cè)量，電壓根據(jù)被測(cè)變壓器容量的大小一般取幾百V，為避開(kāi)鐵芯非線性的影響，所加電流應(yīng)>2A。被測(cè)變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施壓，測(cè)量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
阻抗法是通過(guò)測(cè)量工頻電壓下變壓器繞組的短路阻抗或漏抗來(lái)反映繞組的變形和移位及匝間開(kāi)路和短路等缺陷。漏抗實(shí)質(zhì)上是散布在變壓器繞組與繞組之間，繞組內(nèi)部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映，因此對(duì)漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開(kāi)方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測(cè)量阻抗比測(cè)漏抗易于實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，建議在低電壓下實(shí)施阻抗測(cè)量，電壓根據(jù)被測(cè)變壓器容量的大小一般取幾百V，為避開(kāi)鐵芯非線性的影響，所加電流應(yīng)>2A。被測(cè)變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施壓，測(cè)量接線如圖1所示(以兩繞組變壓器為例)。
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圖1 阻抗法測(cè)量接線示意圖
當(dāng)所加電源的頻率逐步增高時(shí)，變壓器繞組分布參數(shù)的特性逐漸體現(xiàn)出來(lái)。實(shí)質(zhì)上，變壓器繞組在高頻下是一個(gè)由分布電感和電容構(gòu)成的線性無(wú)源兩端網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中，Ls為線匝自感；M為匝間互感；Cs為匝間電容；Cg為線匝對(duì)地電容(忽略了損耗因素)。
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圖2 繞組分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖
頻響法即是從繞組一端對(duì)地注入掃頻信號(hào)源，測(cè)量繞組兩端的端口特性參數(shù)，如輸入阻抗、輸出阻抗、電壓傳輸比和電流傳輸比的頻域函數(shù)。通過(guò)分析端口參數(shù)的頻域圖譜特性，判斷繞組的結(jié)構(gòu)特征。如果繞組發(fā)生變形，就會(huì)使繞組的分布電容和電感改變，反映到端口參數(shù)的頻譜發(fā)生變化。為了簡(jiǎn)化，通常只測(cè)量一種端口參數(shù)。電壓傳輸比反映了等效網(wǎng)絡(luò)的衰減特性，是常測(cè)的參數(shù)之一［1］，測(cè)量接線實(shí)現(xiàn)如圖3所示。入端施加正弦掃頻電壓信號(hào)Ui，并測(cè)量輸出電流在采樣電阻R上的壓降U0，并計(jì)算U0／Ui，得到傳輸比隨頻率變化的圖譜。如果輸出電流I0很小，U0也很小，則U0／Ui很小，表明繞組內(nèi)部發(fā)生了并聯(lián)諧振，頻譜曲線上出現(xiàn)頻谷；反之，則表明發(fā)生串聯(lián)諧振，頻譜曲線上出現(xiàn)頻峰。理論計(jì)算表明，在頻峰處，繞組上的駐波分布將呈現(xiàn)為整個(gè)半正弦波的分布；而在頻谷處，駐波呈現(xiàn)為奇數(shù)個(gè)1/4正弦波分布。
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| 顯然，繞組的結(jié)構(gòu)、大小、位置和引線不同，頻峰和頻谷的位置和高低也不同，頻譜也就不同，因此，不同繞組的頻譜圖譜肯定不同。但是，對(duì)于同類(lèi)型的變壓器繞組，由于繞組結(jié)構(gòu)的類(lèi)似性，其測(cè)到的頻譜曲線必然有可比性?？捎脕?lái)幫助判斷和確定繞組的變形故障。
圖3 變壓器繞組頻譜的測(cè)量接線圖
2、變壓器繞組變形故障模擬研究
表1 變形前后線圈阻抗和電感的變化數(shù)據(jù)
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| 阻抗及電感 | 測(cè)試工況1 | 測(cè)試工況2 | 測(cè)試工況3 |
| C相短路阻抗/% | 8.08 | 8.08 | 6.96 |
| 阻抗變化率*/% | / | 沒(méi)有變化 | -13.86 |
| C相漏感/H | 0.0193 | 0.0194 | 0.0168 |
| 漏感變化率*/% | / | 0.52 | -12.95 |
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*以工況1為基準(zhǔn)。
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圖4 變形前高壓三相繞組頻譜(1～500kHz)
2) 測(cè)試工況2
軸向局部變形。在C相高壓線圈頂部抽掉匝間墊塊(見(jiàn)圖5中的標(biāo)示圈)，壓緊頭5匝線圈。高壓繞組共80匝，因此，可認(rèn)為有5%的變形。測(cè)錄低壓短路阻抗，漏感和高壓三相繞組頻譜曲線(見(jiàn)圖6)。 |
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圖5 軸向變形實(shí)物照片
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圖6 軸向變形后高壓三相繞組頻譜(1～500kHz)
3) 測(cè)試工況3
幅向變形。在C相高壓線圈底部用力敲兩處，凹坑深達(dá)1 cm左右(見(jiàn)圖7中的標(biāo)示圈)，測(cè)錄低壓短路阻抗，漏感和高壓三相繞組頻譜曲線(見(jiàn)圖8)。 |
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圖7 幅向變形實(shí)物照片
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圖8 幅向變形后高壓三相繞組頻譜(1～500 kHz)
針對(duì)上述3種測(cè)試工況分析為：
a) 軸向變形后C相的頻譜曲線在第4個(gè)頻峰發(fā)生了較明顯的改變(箭頭指處)，頻峰向高頻方向偏移約40 kHz，幅值變化約4 dB，A和B相的頻譜基本不變。偏移頻峰位于300～400 kHz的中高頻域。根據(jù)頻率諧振峰與變形面積的關(guān)系，第1個(gè)頻峰發(fā)生改變，說(shuō)明有整體變形；第4個(gè)頻峰發(fā)生改變，說(shuō)明線圈可能存在1/4面積以下的局部變形；頻峰向高頻方向偏移，說(shuō)明部分分布電感減小或分布電容減小。 b) 幅向變形對(duì)頻譜曲線的影響頗為顯著。第1個(gè)頻峰向高頻方向偏移約6 kHz，表明整體電感有較明顯的變化；中頻域的頻峰向中部發(fā)生大面積的擠壓，說(shuō)明局部的變形相當(dāng)顯著(箭頭指處)，導(dǎo)致了整體特性的變化。 c) 阻抗法對(duì)影響整體電感的變形較為靈敏，如幅向變形、軸向扭曲、匝間開(kāi)路、短路等，但對(duì)匝、餅間的局部拉伸壓縮，線圈整體位移，分接開(kāi)關(guān)觸頭燒蝕等不靈敏。頻響法對(duì)影響線圈電容和電感的變形都很靈敏，因此后者具有顯著的優(yōu)越性。當(dāng)然，阻抗法在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中已建立嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，便于實(shí)施，易于判斷。建議在實(shí)際運(yùn)用中，靈活結(jié)合兩種方法，作出準(zhǔn)確的分析和判斷。 3、阻抗法和頻響法分析實(shí)例解析
以變壓器型號(hào)SFPSZ3—180 000/220，231/38.5/15.75為例，變壓器低壓出口側(cè)發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)。常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：C2H2偏高，示內(nèi)部有高能量放電；直流電阻測(cè)試表明低壓繞組b相偏大2倍，有斷股發(fā)生；低壓短路阻抗測(cè)試發(fā)現(xiàn)高壓加壓，低壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化12.38%；低壓加壓，中壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化-18.68%；高壓加壓，中壓短路，測(cè)量短路阻抗發(fā)現(xiàn)b相相對(duì)其它相變化-2.22%，說(shuō)明漏感有較大變化。為了確認(rèn)哪相繞組發(fā)生變形及可能變形的部位和程度，對(duì)低壓繞組進(jìn)行了頻響實(shí)測(cè)，如圖9所示。 |
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圖9 變壓器故障低壓繞組三相繞組頻譜
圖譜分析表明，a相和c相頻譜曲線嚴(yán)格吻合，b相頻譜第一個(gè)頻峰左移約4 kHz(箭頭指處)，說(shuō)明整體電感增大，與阻抗法的判斷相符。中高頻段頻響幅值略有升高，頻峰向高頻方向略有偏移(箭頭指處)，說(shuō)明分布電感略有減小，對(duì)地電容可能改變，判斷可能性較大的是幅向變形。因此診斷建議僅更換b相線圈。
后更換線圈解體發(fā)現(xiàn)，線圈由兩根銅線并繞，共3段，每段22匝，線圈受力向內(nèi)收縮，導(dǎo)致幅向扭曲，有一凸緣擠出約20 cm，61～62匝處開(kāi)路有數(shù)股。更換b相線圈后復(fù)測(cè)低壓繞組三相頻譜如圖10所示，基本吻合。  |
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圖10 變壓器更換線圈后低壓繞組三相繞組頻譜
4、文章結(jié)語(yǔ)
a.頻譜測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用為電力變壓器繞組變形的不解體檢測(cè)和診斷提供了新的思路和方法。 b.模擬變壓器的試驗(yàn)研究表明，頻響法測(cè)試診斷變壓器繞組變形比阻抗和漏抗法更為靈敏，能反映出影響繞組整體電感及對(duì)整體電感影響不大的變形，同時(shí)包含了變形故障類(lèi)型、程度、部位等多種信息。阻抗法只能反映對(duì)繞組整體電感影響較大的變形，但由于長(zhǎng)期的應(yīng)用趨于成熟，并有標(biāo)準(zhǔn)可循。 c.頻譜的分析診斷技術(shù)目前仍停留在物理概念分析和測(cè)試實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)上，有待診斷理論上的突破。一般而言，低頻段頻率諧振峰的改變表明線圈有整體變形，中頻段諧振峰的改變表明有局部變形，而高頻段的變化表明線圈引線位置變化或整體位移。但更多的情形是復(fù)合變形。因此，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試診斷時(shí)，建議綜合應(yīng)用阻抗法和頻響法，并參考相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以作出迅速而準(zhǔn)確全面的分析和判斷。 |
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