基于頻率響應(yīng)的電力變壓器繞組變形分析技術(shù)與應(yīng)用
引言
作為與社會(huì)生產(chǎn)生活密不可分的能源供應(yīng)體系，電力系統(tǒng)的安全性與可靠性正面臨著越來(lái)越高的要求，不僅體現(xiàn)在運(yùn)行管理方面，同時(shí)也體現(xiàn)在設(shè)備維護(hù)方面。其中，變壓器作為輸電、變電、配電等多個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵裝備，其投資造價(jià)高，服役周期長(zhǎng)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中最為核心的裝備之一。一旦發(fā)生故障，將對(duì)供電系統(tǒng)及用戶(hù)造成極大的影響。對(duì)大型電力變壓器來(lái)說(shuō)，在經(jīng)歷短路故障電流沖擊后，變壓器內(nèi)部繞組的機(jī)械損傷往往不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯現(xiàn)出來(lái)，投入運(yùn)行后存在巨大的安全隱患。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，短路沖擊，尤其是近距離的短路沖擊所帶來(lái)的電動(dòng)力對(duì)變壓器繞組的影響極大，極易造成繞組機(jī)械性能下降、位置偏移、絕緣惡化等缺陷，這些隱患在變壓器經(jīng)受再次沖擊后將逐漸積累、擴(kuò)大，最終可能造成嚴(yán)重?fù)p毀事故，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，發(fā)展并應(yīng)用變壓器繞組變形檢測(cè)與分析技術(shù)有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前，繞組變形檢測(cè)技術(shù)以短路阻抗法和頻響分析法為主。其中，短路阻抗法通過(guò)在低電壓、小電流環(huán)境下對(duì)變壓器短路阻抗進(jìn)行測(cè)量，并以其出廠(chǎng)值或歷史值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)，來(lái)作為繞組變形的判斷依據(jù)。短路阻抗數(shù)值與繞組的空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)、以及各繞組之間的相對(duì)位置密切相關(guān)，因此能夠在一定程度上反應(yīng)出繞組變形程度。同時(shí)由于測(cè)量電壓、電流水平較低，具備較好的可操作性，因此在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了大量應(yīng)用。但是，低電壓短路阻抗試驗(yàn)僅能夠得到單一的阻抗值作為依據(jù)，對(duì)繞組變形缺陷的反映并不全面，同時(shí)缺乏成熟有效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一般起到輔助作用。
頻率響應(yīng)分析法的基本原理在于通過(guò)測(cè)試變壓器單個(gè)繞組的頻率響應(yīng)特性來(lái)反映其空間幾何特征。由于變壓器繞組空間位置與幾何尺寸的變化必然使繞組感抗以及繞組對(duì)地、繞組餅間的耦合電容發(fā)生改變，必然會(huì)影響其頻率響應(yīng)特征。因此，通過(guò)在一定范圍內(nèi)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性（以幅頻曲線(xiàn)為主）進(jìn)行測(cè)試，并與出廠(chǎng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)或同類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，便能夠判斷繞組是否發(fā)生變形、以及判斷繞組形變的發(fā)生位置和嚴(yán)重程度。與短路阻抗法相比，F(xiàn)RA方法具有靈敏度高、可重復(fù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、對(duì)繞組形變的反映更加全面等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)相關(guān)測(cè)試與分析方法提出了挑戰(zhàn)。
本文圍繞基于FRA的大型電力變壓器繞組變形測(cè)試與分析問(wèn)題，對(duì)其技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析與故障判斷方法進(jìn)行了介紹，對(duì)未來(lái)FRA技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了展望。
FRA技術(shù)原理
FRA的基本原理是通過(guò)對(duì)繞組施加特定頻率的電壓激勵(lì)，測(cè)量其響應(yīng)幅值并繪制幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)，測(cè)試接線(xiàn)如圖1所示。在頻率響應(yīng)特性分析中，大型電力變壓器的高、中、低壓繞組可分別視為一組等效的串聯(lián)電感，而在各繞組之間、繞組對(duì)地、甚至繞組的層間與匝間都存在耦合電容，其等效電路中，L為繞組分布電感，C1、C2分別為繞組對(duì)地電容和縱向電容。對(duì)實(shí)際變壓器來(lái)說(shuō)，其電感、電容并不是均勻分布的，而是會(huì)受繞組空間位置、物理結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素影響00?！ ?br /> 當(dāng)輸入頻率較低時(shí)，繞組感抗較小、容抗較大，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈感性；而當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，繞組感抗增加、容抗下降，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈容性。在一定頻率變化范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)將在不同的頻率位置發(fā)生諧振，諧振點(diǎn)頻率、響應(yīng)幅值等與網(wǎng)絡(luò)的電容、電感參數(shù)分布有關(guān)，并將受到繞組線(xiàn)圈空間結(jié)構(gòu)、尺寸、布局的顯著影響。這樣一來(lái)，便建立了繞組物理形變與其頻率響應(yīng)特征之間的聯(lián)系。
由于變壓器繞組等效電路中電感、電容拓?fù)溥B接關(guān)系的復(fù)雜性，在不同輸入頻率條件下，發(fā)生諧振的方式也有著巨大的差異。而串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振等不同的諧振形式，以及不同的諧振發(fā)生位置等，也將在頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)上有所體現(xiàn)。給出了一個(gè)典型的繞組幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)。
FRA測(cè)試得到的幅頻特性曲線(xiàn)往往具有多個(gè)波峰與波谷特征，反映了不同的諧振位置與諧振方式等信息。對(duì)于波峰位置來(lái)說(shuō)，說(shuō)明該頻率下以串聯(lián)諧振為主導(dǎo)；而對(duì)于波谷位置來(lái)說(shuō)，則說(shuō)明該頻率位置以并聯(lián)諧振為主。當(dāng)繞組發(fā)生物理形變時(shí)，必然導(dǎo)致耦合電容與電感數(shù)值與分布的改變，進(jìn)而導(dǎo)致諧振頻率出現(xiàn)變化。反映在頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)上，即波峰與波谷位置發(fā)生移動(dòng)。因此，通過(guò)對(duì)頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，即可了解繞組的物理形變情況。
需要指出的是，在不同的頻率范圍內(nèi)，頻率特性曲線(xiàn)與諧振點(diǎn)所反映的信息側(cè)重點(diǎn)是不同的，不同位置與程度的繞組形變往往只有在某個(gè)特定的頻率范圍內(nèi)才能得到體現(xiàn)?？紤]到變壓器自身結(jié)構(gòu)的特殊性、以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可操作性，需要對(duì)測(cè)試頻率范圍做出一定限定，以在充分體現(xiàn)變壓器繞組物理變形缺陷的同時(shí)，縮短測(cè)試時(shí)間，降低檢測(cè)成本，提高試驗(yàn)結(jié)果的針對(duì)性和可對(duì)比性。因此，一般按照輸入頻率將響應(yīng)曲線(xiàn)劃分為低頻、中頻和高頻三個(gè)區(qū)域，對(duì)三個(gè)區(qū)間內(nèi)的曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分別考量和分析。
分析方法與判據(jù)
通過(guò)FRA能夠得到繞組在一定頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性曲線(xiàn)，這一曲線(xiàn)的波形與繞組的空間形態(tài)與特征密切相關(guān)，并將通過(guò)不同頻率位置的響應(yīng)幅值來(lái)體現(xiàn)。文獻(xiàn)中對(duì)變壓器繞組不同狀態(tài)的對(duì)應(yīng)頻率范圍進(jìn)行了歸納。
根據(jù)給出的變壓器繞組等效電路可見(jiàn)，在低頻率范圍內(nèi)，繞組的對(duì)地電容及餅間電容的容抗較大，整個(gè)繞組以電感為主導(dǎo)。因此，一般認(rèn)為頻率響應(yīng)曲線(xiàn)中20kHz以下的低頻段部分發(fā)生偏移時(shí)，則預(yù)示著繞組整體電感發(fā)生變化，可能存在匝間短路、餅間短路等缺陷，也可能是由于鐵心變形或剩磁引起。這些缺陷除了會(huì)引起頻率響應(yīng)特性的變化以外，往往還能夠通過(guò)油化驗(yàn)等其他項(xiàng)目得到準(zhǔn)確判斷。
在中頻段范圍內(nèi)，繞組的頻率響應(yīng)特性受到餅間電容、繞組電感等多重因素的復(fù)合影響，在曲線(xiàn)上存在著多個(gè)波峰與波谷。當(dāng)繞組發(fā)生局部變形時(shí)，必然會(huì)引起餅間電容的變化，進(jìn)而使中頻段的諧振點(diǎn)發(fā)生改變。因此，當(dāng)繞組在中頻段的響應(yīng)特性改變時(shí)，通常表明繞組局部發(fā)生扭曲、鼓包等變形缺陷，是判斷繞組局部變形的主要依據(jù)；
在高頻段范圍內(nèi)，變壓器繞組的等值感抗增大，容抗減小，可被等值為一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)。由于繞組的餅間電容遠(yuǎn)大于對(duì)地電容，其特性以繞組對(duì)地電容為主導(dǎo)0。因此，當(dāng)幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)高頻段范圍內(nèi)的波峰或波谷位置發(fā)生變化時(shí)，通常表明繞組存在整體軸向變形或移位、引線(xiàn)接頭移位等情況。
雖然不同的繞組缺陷能夠通過(guò)繞組頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的不同特征來(lái)體現(xiàn)，但具體應(yīng)如何判定響應(yīng)曲線(xiàn)是否正常仍需要進(jìn)一步探討。對(duì)此，首先可以通過(guò)同一變壓器、同一電壓等級(jí)A、B、C三相的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的橫向?qū)Ρ葋?lái)判斷各相繞組是否發(fā)生變形，在必要時(shí)可以借助同批次、同型號(hào)變壓器的測(cè)試結(jié)果。此時(shí)，需要保證在不同相的測(cè)量中外界條件與測(cè)試方法一致。當(dāng)某相響應(yīng)特性曲線(xiàn)與其他兩相相比具有明顯差異時(shí)，即可初步判定該相繞組可能存在繞組變形缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)提升FRA方法易用性。在當(dāng)前廣泛應(yīng)用的各種FRA繞組變形分析設(shè)備中，相關(guān)系數(shù)計(jì)算已成為其中不可或缺的一項(xiàng)功能。按照規(guī)程要求，在低頻、中頻、高頻段的相關(guān)系數(shù)要求分別所示。
對(duì)橫向比較來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)需要排除三相繞組均發(fā)生類(lèi)似形變的可能性。此外，由于三相繞組在變壓器中的空間布局、引線(xiàn)連接等均存在一定差異，因此即使對(duì)正常繞組來(lái)說(shuō)，其三相頻率響應(yīng)特性之間也可能存在一定差異。這一問(wèn)題往往出現(xiàn)在變壓器低壓側(cè)繞組當(dāng)中，尤其在含有平衡繞組的變壓器中體現(xiàn)的更加明顯。因此，在橫向比較的基礎(chǔ)上，還需要通過(guò)縱向比較來(lái)進(jìn)一步提升判斷的準(zhǔn)確性，即將本次測(cè)試得到的響應(yīng)曲線(xiàn)與變壓器出廠(chǎng)、交接、修后試驗(yàn)中得到的正常響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往將橫向比較與縱向比較兩種方式結(jié)合使用，以充分發(fā)揮二者的各自?xún)?yōu)勢(shì)。
影響因素分析
基于FRA的變壓器繞組變形測(cè)試能夠準(zhǔn)確感知繞組的頻率響應(yīng)特征，同時(shí)不易受到外部電磁信號(hào)的干擾。但是，由于變壓器自身頻率響應(yīng)特性與其電氣參數(shù)密切相關(guān)，變壓器的運(yùn)行方式、接地狀態(tài)、接線(xiàn)方式等都極易對(duì)其響應(yīng)特性造成影響，進(jìn)而影響繞組變形診斷精度錯(cuò)誤！未找到引用源。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)特別注意以可能對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響的環(huán)境因素，以保證測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性與可重復(fù)性，包括：
（1）必須確保測(cè)試引線(xiàn)的連接狀態(tài)與屏蔽性能良好。由于FRA設(shè)備的測(cè)試引線(xiàn)和線(xiàn)夾均采用高頻屏蔽結(jié)構(gòu)，在低溫、油污、潮濕等復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境下，容易造成測(cè)試引線(xiàn)接觸不良等問(wèn)題。同時(shí)，由于引線(xiàn)一般較長(zhǎng)，在反復(fù)纏繞、折疊過(guò)程中極易造成線(xiàn)芯斷開(kāi)或屏蔽層開(kāi)裂。這些測(cè)量線(xiàn)路的故障將直接影響頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，并可能表現(xiàn)為無(wú)波形、波形整體偏移、波形跳躍、干擾增大、或出現(xiàn)明顯有違實(shí)際的無(wú)意義雜亂波形等等。對(duì)于這一情況，可以通過(guò)人工檢查或萬(wàn)用表測(cè)量等方式來(lái)進(jìn)行故障診斷；
?。?）FRA測(cè)量?jī)x器、引線(xiàn)屏蔽層、以及匹配阻抗必須保證良好接地，同時(shí)在多次測(cè)量中應(yīng)盡量保證采用同樣的接地方式和位置以保證結(jié)果的一致性。當(dāng)引線(xiàn)或設(shè)備接地不良時(shí)，可能造成設(shè)備或引線(xiàn)對(duì)地雜散電容也參與到頻率響應(yīng)中來(lái)，造成測(cè)試波形在中高頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)偏差、散亂等問(wèn)題，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行；
（3）需要保證被試品變壓器自身狀態(tài)滿(mǎn)足測(cè)試要求。變壓器的出口引線(xiàn)對(duì)其頻率特性會(huì)造成較大影響，因此一般要求在測(cè)量時(shí)需拆除變壓器全部引線(xiàn)，對(duì)于電纜出線(xiàn)以及引線(xiàn)難以全部拆除的情況，需要確保歷次測(cè)試環(huán)境的一致性；需要確保變壓套管末屏、鐵心等接地良好，鐵心充分消磁、繞組充分放電，避免對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生干擾；需要保證歷次測(cè)量中變壓器分接開(kāi)關(guān)位置一致，使各次測(cè)試結(jié)果具備對(duì)比價(jià)值。
（4）需要盡量保證外界環(huán)境在歷次測(cè)試中的合理性與一致性。對(duì)于變壓器臨近設(shè)備應(yīng)盡量停運(yùn)、屏蔽或接地，以避免對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生干擾；對(duì)變壓器上層油溫、環(huán)境溫度等需做好記錄，從而在分析中排除其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用
FRA由于其抗干擾能力強(qiáng)、可重復(fù)性好、測(cè)試靈敏度高、分析診斷方法簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外變壓器生產(chǎn)、運(yùn)行和管理部門(mén)得到了極為廣泛的應(yīng)用，并取得了一定成效。然而，由于FRA測(cè)試仍然受到很多不確定性因素的影響，同時(shí)缺少有針對(duì)性的準(zhǔn)確故障挖掘與診斷手段，因此仍存在著一定的改進(jìn)空間，主要體現(xiàn)在：
一是提高測(cè)試裝備與方法的準(zhǔn)確性與適用性。目前，受內(nèi)部算法、抗干擾能力等性能指標(biāo)的影響，不同廠(chǎng)家、不同型號(hào)的測(cè)試裝備在實(shí)際應(yīng)用中可能無(wú)法得到完全一致的結(jié)果，需要建立詳細(xì)有效的設(shè)備評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入機(jī)制，避免因裝備差異造成的缺陷誤判或無(wú)效數(shù)據(jù)。此外，大量不同出線(xiàn)類(lèi)型、不同電壓等級(jí)的大容量變壓器得到了廣泛應(yīng)用，要求繞組變形測(cè)試方法對(duì)不同設(shè)備類(lèi)型均具有適應(yīng)能力。尤其是對(duì)采用電纜出線(xiàn)等特殊接線(xiàn)模式的變壓器來(lái)說(shuō)，必須采用合理有效的繞組變形測(cè)試方法與手段來(lái)避免電纜電容等附加因素的影響，并深入了解測(cè)試結(jié)果的物理意義。
二是提高不同應(yīng)用場(chǎng)景下測(cè)試結(jié)果分析的科學(xué)性與合理性。當(dāng)前對(duì)繞組變形測(cè)試結(jié)果的縱向比較方式仍面臨著歷史數(shù)據(jù)難以獲取或不可靠、不準(zhǔn)確等問(wèn)題，而橫向比較方式以不同頻段的相關(guān)系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，沒(méi)有深入利用繞組頻率響應(yīng)特性的物理含義，容易產(chǎn)生誤判風(fēng)險(xiǎn)。尤其是對(duì)某些含有平衡繞組的變壓器來(lái)說(shuō)，即使繞組狀態(tài)正常其三相之間的頻率響應(yīng)往往也無(wú)法保證一致性。因此，必須建立能夠滿(mǎn)足多種場(chǎng)景應(yīng)用的FRA繞組變形科學(xué)分析判斷方法體系。
結(jié)語(yǔ)
目前，基于FRA的繞組變形分析技術(shù)由于其測(cè)試靈敏度高、可重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)分析方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛使用。本文從原理角度對(duì)基于頻率響應(yīng)的電力變壓器繞組變形分析技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)測(cè)試結(jié)果的物理含義、判斷依據(jù)與影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)相關(guān)技術(shù)的局限性與未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)陬l率響應(yīng)的繞組變形分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)步與推廣應(yīng)用提供一定借鑒。
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作為與社會(huì)生產(chǎn)生活密不可分的能源供應(yīng)體系，電力系統(tǒng)的安全性與可靠性正面臨著越來(lái)越高的要求，不僅體現(xiàn)在運(yùn)行管理方面，同時(shí)也體現(xiàn)在設(shè)備維護(hù)方面。其中，變壓器作為輸電、變電、配電等多個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵裝備，其投資造價(jià)高，服役周期長(zhǎng)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中最為核心的裝備之一。一旦發(fā)生故障，將對(duì)供電系統(tǒng)及用戶(hù)造成極大的影響。對(duì)大型電力變壓器來(lái)說(shuō)，在經(jīng)歷短路故障電流沖擊后，變壓器內(nèi)部繞組的機(jī)械損傷往往不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯現(xiàn)出來(lái)，投入運(yùn)行后存在巨大的安全隱患。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，短路沖擊，尤其是近距離的短路沖擊所帶來(lái)的電動(dòng)力對(duì)變壓器繞組的影響極大，極易造成繞組機(jī)械性能下降、位置偏移、絕緣惡化等缺陷，這些隱患在變壓器經(jīng)受再次沖擊后將逐漸積累、擴(kuò)大，最終可能造成嚴(yán)重?fù)p毀事故，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，發(fā)展并應(yīng)用變壓器繞組變形檢測(cè)與分析技術(shù)有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前，繞組變形檢測(cè)技術(shù)以短路阻抗法和頻響分析法為主。其中，短路阻抗法通過(guò)在低電壓、小電流環(huán)境下對(duì)變壓器短路阻抗進(jìn)行測(cè)量，并以其出廠(chǎng)值或歷史值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)，來(lái)作為繞組變形的判斷依據(jù)。短路阻抗數(shù)值與繞組的空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)、以及各繞組之間的相對(duì)位置密切相關(guān)，因此能夠在一定程度上反應(yīng)出繞組變形程度。同時(shí)由于測(cè)量電壓、電流水平較低，具備較好的可操作性，因此在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了大量應(yīng)用。但是，低電壓短路阻抗試驗(yàn)僅能夠得到單一的阻抗值作為依據(jù)，對(duì)繞組變形缺陷的反映并不全面，同時(shí)缺乏成熟有效的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一般起到輔助作用。
頻率響應(yīng)分析法的基本原理在于通過(guò)測(cè)試變壓器單個(gè)繞組的頻率響應(yīng)特性來(lái)反映其空間幾何特征。由于變壓器繞組空間位置與幾何尺寸的變化必然使繞組感抗以及繞組對(duì)地、繞組餅間的耦合電容發(fā)生改變，必然會(huì)影響其頻率響應(yīng)特征。因此，通過(guò)在一定范圍內(nèi)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性（以幅頻曲線(xiàn)為主）進(jìn)行測(cè)試，并與出廠(chǎng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)或同類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，便能夠判斷繞組是否發(fā)生變形、以及判斷繞組形變的發(fā)生位置和嚴(yán)重程度。與短路阻抗法相比，F(xiàn)RA方法具有靈敏度高、可重復(fù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、對(duì)繞組形變的反映更加全面等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)相關(guān)測(cè)試與分析方法提出了挑戰(zhàn)。
本文圍繞基于FRA的大型電力變壓器繞組變形測(cè)試與分析問(wèn)題，對(duì)其技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析與故障判斷方法進(jìn)行了介紹，對(duì)未來(lái)FRA技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了展望。
FRA技術(shù)原理
FRA的基本原理是通過(guò)對(duì)繞組施加特定頻率的電壓激勵(lì)，測(cè)量其響應(yīng)幅值并繪制幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)，測(cè)試接線(xiàn)如圖1所示。在頻率響應(yīng)特性分析中，大型電力變壓器的高、中、低壓繞組可分別視為一組等效的串聯(lián)電感，而在各繞組之間、繞組對(duì)地、甚至繞組的層間與匝間都存在耦合電容，其等效電路中，L為繞組分布電感，C1、C2分別為繞組對(duì)地電容和縱向電容。對(duì)實(shí)際變壓器來(lái)說(shuō)，其電感、電容并不是均勻分布的，而是會(huì)受繞組空間位置、物理結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素影響00?！ ?br /> 當(dāng)輸入頻率較低時(shí)，繞組感抗較小、容抗較大，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈感性；而當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，繞組感抗增加、容抗下降，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈容性。在一定頻率變化范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)將在不同的頻率位置發(fā)生諧振，諧振點(diǎn)頻率、響應(yīng)幅值等與網(wǎng)絡(luò)的電容、電感參數(shù)分布有關(guān)，并將受到繞組線(xiàn)圈空間結(jié)構(gòu)、尺寸、布局的顯著影響。這樣一來(lái)，便建立了繞組物理形變與其頻率響應(yīng)特征之間的聯(lián)系。
由于變壓器繞組等效電路中電感、電容拓?fù)溥B接關(guān)系的復(fù)雜性，在不同輸入頻率條件下，發(fā)生諧振的方式也有著巨大的差異。而串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振等不同的諧振形式，以及不同的諧振發(fā)生位置等，也將在頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)上有所體現(xiàn)。給出了一個(gè)典型的繞組幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)。
FRA測(cè)試得到的幅頻特性曲線(xiàn)往往具有多個(gè)波峰與波谷特征，反映了不同的諧振位置與諧振方式等信息。對(duì)于波峰位置來(lái)說(shuō)，說(shuō)明該頻率下以串聯(lián)諧振為主導(dǎo)；而對(duì)于波谷位置來(lái)說(shuō)，則說(shuō)明該頻率位置以并聯(lián)諧振為主。當(dāng)繞組發(fā)生物理形變時(shí)，必然導(dǎo)致耦合電容與電感數(shù)值與分布的改變，進(jìn)而導(dǎo)致諧振頻率出現(xiàn)變化。反映在頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)上，即波峰與波谷位置發(fā)生移動(dòng)。因此，通過(guò)對(duì)頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，即可了解繞組的物理形變情況。
需要指出的是，在不同的頻率范圍內(nèi)，頻率特性曲線(xiàn)與諧振點(diǎn)所反映的信息側(cè)重點(diǎn)是不同的，不同位置與程度的繞組形變往往只有在某個(gè)特定的頻率范圍內(nèi)才能得到體現(xiàn)?？紤]到變壓器自身結(jié)構(gòu)的特殊性、以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可操作性，需要對(duì)測(cè)試頻率范圍做出一定限定，以在充分體現(xiàn)變壓器繞組物理變形缺陷的同時(shí)，縮短測(cè)試時(shí)間，降低檢測(cè)成本，提高試驗(yàn)結(jié)果的針對(duì)性和可對(duì)比性。因此，一般按照輸入頻率將響應(yīng)曲線(xiàn)劃分為低頻、中頻和高頻三個(gè)區(qū)域，對(duì)三個(gè)區(qū)間內(nèi)的曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分別考量和分析。
分析方法與判據(jù)
通過(guò)FRA能夠得到繞組在一定頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性曲線(xiàn)，這一曲線(xiàn)的波形與繞組的空間形態(tài)與特征密切相關(guān)，并將通過(guò)不同頻率位置的響應(yīng)幅值來(lái)體現(xiàn)。文獻(xiàn)中對(duì)變壓器繞組不同狀態(tài)的對(duì)應(yīng)頻率范圍進(jìn)行了歸納。
根據(jù)給出的變壓器繞組等效電路可見(jiàn)，在低頻率范圍內(nèi)，繞組的對(duì)地電容及餅間電容的容抗較大，整個(gè)繞組以電感為主導(dǎo)。因此，一般認(rèn)為頻率響應(yīng)曲線(xiàn)中20kHz以下的低頻段部分發(fā)生偏移時(shí)，則預(yù)示著繞組整體電感發(fā)生變化，可能存在匝間短路、餅間短路等缺陷，也可能是由于鐵心變形或剩磁引起。這些缺陷除了會(huì)引起頻率響應(yīng)特性的變化以外，往往還能夠通過(guò)油化驗(yàn)等其他項(xiàng)目得到準(zhǔn)確判斷。
在中頻段范圍內(nèi)，繞組的頻率響應(yīng)特性受到餅間電容、繞組電感等多重因素的復(fù)合影響，在曲線(xiàn)上存在著多個(gè)波峰與波谷。當(dāng)繞組發(fā)生局部變形時(shí)，必然會(huì)引起餅間電容的變化，進(jìn)而使中頻段的諧振點(diǎn)發(fā)生改變。因此，當(dāng)繞組在中頻段的響應(yīng)特性改變時(shí)，通常表明繞組局部發(fā)生扭曲、鼓包等變形缺陷，是判斷繞組局部變形的主要依據(jù)；
在高頻段范圍內(nèi)，變壓器繞組的等值感抗增大，容抗減小，可被等值為一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)。由于繞組的餅間電容遠(yuǎn)大于對(duì)地電容，其特性以繞組對(duì)地電容為主導(dǎo)0。因此，當(dāng)幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)高頻段范圍內(nèi)的波峰或波谷位置發(fā)生變化時(shí)，通常表明繞組存在整體軸向變形或移位、引線(xiàn)接頭移位等情況。
雖然不同的繞組缺陷能夠通過(guò)繞組頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的不同特征來(lái)體現(xiàn)，但具體應(yīng)如何判定響應(yīng)曲線(xiàn)是否正常仍需要進(jìn)一步探討。對(duì)此，首先可以通過(guò)同一變壓器、同一電壓等級(jí)A、B、C三相的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的橫向?qū)Ρ葋?lái)判斷各相繞組是否發(fā)生變形，在必要時(shí)可以借助同批次、同型號(hào)變壓器的測(cè)試結(jié)果。此時(shí)，需要保證在不同相的測(cè)量中外界條件與測(cè)試方法一致。當(dāng)某相響應(yīng)特性曲線(xiàn)與其他兩相相比具有明顯差異時(shí)，即可初步判定該相繞組可能存在繞組變形缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)提升FRA方法易用性。在當(dāng)前廣泛應(yīng)用的各種FRA繞組變形分析設(shè)備中，相關(guān)系數(shù)計(jì)算已成為其中不可或缺的一項(xiàng)功能。按照規(guī)程要求，在低頻、中頻、高頻段的相關(guān)系數(shù)要求分別所示。
對(duì)橫向比較來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)需要排除三相繞組均發(fā)生類(lèi)似形變的可能性。此外，由于三相繞組在變壓器中的空間布局、引線(xiàn)連接等均存在一定差異，因此即使對(duì)正常繞組來(lái)說(shuō)，其三相頻率響應(yīng)特性之間也可能存在一定差異。這一問(wèn)題往往出現(xiàn)在變壓器低壓側(cè)繞組當(dāng)中，尤其在含有平衡繞組的變壓器中體現(xiàn)的更加明顯。因此，在橫向比較的基礎(chǔ)上，還需要通過(guò)縱向比較來(lái)進(jìn)一步提升判斷的準(zhǔn)確性，即將本次測(cè)試得到的響應(yīng)曲線(xiàn)與變壓器出廠(chǎng)、交接、修后試驗(yàn)中得到的正常響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往將橫向比較與縱向比較兩種方式結(jié)合使用，以充分發(fā)揮二者的各自?xún)?yōu)勢(shì)。
影響因素分析
基于FRA的變壓器繞組變形測(cè)試能夠準(zhǔn)確感知繞組的頻率響應(yīng)特征，同時(shí)不易受到外部電磁信號(hào)的干擾。但是，由于變壓器自身頻率響應(yīng)特性與其電氣參數(shù)密切相關(guān)，變壓器的運(yùn)行方式、接地狀態(tài)、接線(xiàn)方式等都極易對(duì)其響應(yīng)特性造成影響，進(jìn)而影響繞組變形診斷精度錯(cuò)誤！未找到引用源。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)特別注意以可能對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響的環(huán)境因素，以保證測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性與可重復(fù)性，包括：
（1）必須確保測(cè)試引線(xiàn)的連接狀態(tài)與屏蔽性能良好。由于FRA設(shè)備的測(cè)試引線(xiàn)和線(xiàn)夾均采用高頻屏蔽結(jié)構(gòu)，在低溫、油污、潮濕等復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境下，容易造成測(cè)試引線(xiàn)接觸不良等問(wèn)題。同時(shí)，由于引線(xiàn)一般較長(zhǎng)，在反復(fù)纏繞、折疊過(guò)程中極易造成線(xiàn)芯斷開(kāi)或屏蔽層開(kāi)裂。這些測(cè)量線(xiàn)路的故障將直接影響頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，并可能表現(xiàn)為無(wú)波形、波形整體偏移、波形跳躍、干擾增大、或出現(xiàn)明顯有違實(shí)際的無(wú)意義雜亂波形等等。對(duì)于這一情況，可以通過(guò)人工檢查或萬(wàn)用表測(cè)量等方式來(lái)進(jìn)行故障診斷；
?。?）FRA測(cè)量?jī)x器、引線(xiàn)屏蔽層、以及匹配阻抗必須保證良好接地，同時(shí)在多次測(cè)量中應(yīng)盡量保證采用同樣的接地方式和位置以保證結(jié)果的一致性。當(dāng)引線(xiàn)或設(shè)備接地不良時(shí)，可能造成設(shè)備或引線(xiàn)對(duì)地雜散電容也參與到頻率響應(yīng)中來(lái)，造成測(cè)試波形在中高頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)偏差、散亂等問(wèn)題，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行；
（3）需要保證被試品變壓器自身狀態(tài)滿(mǎn)足測(cè)試要求。變壓器的出口引線(xiàn)對(duì)其頻率特性會(huì)造成較大影響，因此一般要求在測(cè)量時(shí)需拆除變壓器全部引線(xiàn)，對(duì)于電纜出線(xiàn)以及引線(xiàn)難以全部拆除的情況，需要確保歷次測(cè)試環(huán)境的一致性；需要確保變壓套管末屏、鐵心等接地良好，鐵心充分消磁、繞組充分放電，避免對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生干擾；需要保證歷次測(cè)量中變壓器分接開(kāi)關(guān)位置一致，使各次測(cè)試結(jié)果具備對(duì)比價(jià)值。
（4）需要盡量保證外界環(huán)境在歷次測(cè)試中的合理性與一致性。對(duì)于變壓器臨近設(shè)備應(yīng)盡量停運(yùn)、屏蔽或接地，以避免對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生干擾；對(duì)變壓器上層油溫、環(huán)境溫度等需做好記錄，從而在分析中排除其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用
FRA由于其抗干擾能力強(qiáng)、可重復(fù)性好、測(cè)試靈敏度高、分析診斷方法簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外變壓器生產(chǎn)、運(yùn)行和管理部門(mén)得到了極為廣泛的應(yīng)用，并取得了一定成效。然而，由于FRA測(cè)試仍然受到很多不確定性因素的影響，同時(shí)缺少有針對(duì)性的準(zhǔn)確故障挖掘與診斷手段，因此仍存在著一定的改進(jìn)空間，主要體現(xiàn)在：
一是提高測(cè)試裝備與方法的準(zhǔn)確性與適用性。目前，受內(nèi)部算法、抗干擾能力等性能指標(biāo)的影響，不同廠(chǎng)家、不同型號(hào)的測(cè)試裝備在實(shí)際應(yīng)用中可能無(wú)法得到完全一致的結(jié)果，需要建立詳細(xì)有效的設(shè)備評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入機(jī)制，避免因裝備差異造成的缺陷誤判或無(wú)效數(shù)據(jù)。此外，大量不同出線(xiàn)類(lèi)型、不同電壓等級(jí)的大容量變壓器得到了廣泛應(yīng)用，要求繞組變形測(cè)試方法對(duì)不同設(shè)備類(lèi)型均具有適應(yīng)能力。尤其是對(duì)采用電纜出線(xiàn)等特殊接線(xiàn)模式的變壓器來(lái)說(shuō)，必須采用合理有效的繞組變形測(cè)試方法與手段來(lái)避免電纜電容等附加因素的影響，并深入了解測(cè)試結(jié)果的物理意義。
二是提高不同應(yīng)用場(chǎng)景下測(cè)試結(jié)果分析的科學(xué)性與合理性。當(dāng)前對(duì)繞組變形測(cè)試結(jié)果的縱向比較方式仍面臨著歷史數(shù)據(jù)難以獲取或不可靠、不準(zhǔn)確等問(wèn)題，而橫向比較方式以不同頻段的相關(guān)系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，沒(méi)有深入利用繞組頻率響應(yīng)特性的物理含義，容易產(chǎn)生誤判風(fēng)險(xiǎn)。尤其是對(duì)某些含有平衡繞組的變壓器來(lái)說(shuō)，即使繞組狀態(tài)正常其三相之間的頻率響應(yīng)往往也無(wú)法保證一致性。因此，必須建立能夠滿(mǎn)足多種場(chǎng)景應(yīng)用的FRA繞組變形科學(xué)分析判斷方法體系。
結(jié)語(yǔ)
目前，基于FRA的繞組變形分析技術(shù)由于其測(cè)試靈敏度高、可重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)分析方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛使用。本文從原理角度對(duì)基于頻率響應(yīng)的電力變壓器繞組變形分析技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)測(cè)試結(jié)果的物理含義、判斷依據(jù)與影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)相關(guān)技術(shù)的局限性與未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)陬l率響應(yīng)的繞組變形分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)步與推廣應(yīng)用提供一定借鑒。
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