基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法

摘要

本发明提供一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法，首先采用示波器测量与高压套管相连的配电装置部分的波形，采用示波器并联在高压套管端部与刀闸之间，得到外部电磁干扰信号的波形，同时我们在二次侧和三次侧分别短接接地；频率响应分析法是分析变压器绕组变形程度的一种较灵敏的方法，它是通过比较响应曲线之间的差异，来判断绕组是否发生形变的一种方法，频响法抗干扰能力较强，因此测试结果的重复性很好，更符合状态检修的要求。而目前现场试验时需要拆除变压器引线，本发明则提出了通过对干扰信号的滤波，实现不拆引线测试变压器绕组的试验方法，提高现场对变压器绕组变形程度的检测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要组成部分，其可靠的运行对保障电网安全意义重大。变压器在变电站安装投入运行以后，通常很难将其拆开观察变压器内部电气构件的情况。变压器绕组是变压器故障损坏的主要部位，在运输、安装过程中受到的碰撞，运行过程中发生的短路故障都会使变压器的绕组发生形变。当变压器绕组产生形变时，不会立即导致事故的发生。作为隐藏性隐患，一旦发生事故将给电网的运行带来巨大的经济损失与影响。变压器的检修周期长、花费大、影响面广。因此有必要强化变压器故障的检测手段，保证电网高效、可靠地运行。在变压器验收、交接、停电检修以及运行期间发生短路故障时都应对变压器做绕组变形试验。若试验中发现有异常现象，则可判定绕组发生了变形或位移。目前较为常用的几种试验方法为：短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应分析法等。阻抗法进行试验时需要变压器绕组达到额定电流，且判断的灵敏度不高。低压脉冲法很容易受到外界的干扰，现场试验效果较差。而现场使用最广泛的频率响应分析法在现场实际操作以及对故障的定位、诊断上也存在一定的不足。

一些情况下，变压器绕组变形故障采用常规的电气试验项目和绝缘油分析灵敏度不高，而吊装检查虽然直观，但需要花费巨大的人力、物力、财力，而且对绕组内部的故障情况仍然无法判断。

变压器在运行过程中由于外力或内部电动力的作用等，使变压器绕组发生不可恢复的的形变，造成变压器需要停电检修或不得不退出正常运行称为变压器绕组发生了形变。变压器绕组形变成因的分析，对变压器绕组的诊断及防治措施具有重大意义。

正常运行状态下发生的形变

变压器正常运行状态下，绕组所受的电动力较小，但变压器在生产过程中，绕组压接不良，导线有毛刺，部分绝缘不良等，在长时间电动力的作用下都会使以上缺陷进一步扩大，从而使绕组在长期运行状态下发生形变。除此之外，变压器部分绝缘存在缺陷，在绕组长时间的热效应下会导致绝缘的损坏，进一步使绕组发生形变。

短路故障发生的形变

随着电网容量的日益增大，短路容量也随之增大，短路故障是造成变压器故障的主要原因之一。变压器在发生外部短路故障时，变压器绕组内部的短路电流很大，是正常额定电流的数倍至数十倍，而绕组在与漏磁场相互作用下产生的电动力与电流的平方成正比，绕组将受到巨大且不均匀的电动力，导致变压器的绕组产生形变。短路故障造成的高温也会使线圈以及绝缘劣化，导致形变的发生。

机械力的作用发生的形变

变压器在制造、运输、安装、检修过程中受到的碰撞、颠簸和振动都可能使绕组发生位移和形变。另外，由于电气设备所处位置的特殊性，长时间经受恶劣的天气或人为因素的影响。

二次系统动作失灵产生的形变

在某些保护系统由于存在保护的死区或发生动作失灵的状态下，绕组可能会承受较长时间的短路电流，此时短路电流所产生的电动力超过了绕组的机械强度，造成了永久的形变，使绕组发生形变。

采用频率响应法测试变压器绕组变形程度时，很容易受到临近电磁场的干扰。目前在现场实际检测中，通常需要拆除变压器套管的引线，检测过程劳动强度大，同时频繁拆接线也会对变压器造成一定的损害。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法，其目的是解决以往的方法所存在的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

首先采用示波器测量与高压套管相连的配电装置部分的波形，采用示波器并联在高压套管端部与刀闸之间，得到外部电磁干扰信号的波形，同时我们在二次侧和三次侧分别短接接地；把由示波器得到的外界干扰信号的波形等效为一个信号源（U_s），在引线端并联滤波模块（A），绕组变形测试仪的输入端和信号采集端分别接于变压器高压套管的高压端和尾端；U_s的频率已知，通过改变滤波模块中电阻（R）、感应线圈（L）和电容（C）的参数使其对信号源（U_s）呈现低阻状态，信号源（U_s）的电流直接通过滤波电路（A）流入大地；现场采集到的干扰信号数据表明，干扰信号的频率在1kHz以下，而绕组变形测试仪的起始频率为1kHz，滤波电路对测试仪发出的信号呈高阻状态，这样，绕组高压端的输入信号仅为测试仪的输入信号;

其次，采用频率响应分析法诊断，以两条频响曲线的差值作为判断的出发点的，计算公式为：

（3-1）

式中：E12:两条频响曲线的差值

n:频响采样点数

V1n:第一条频响曲线第n点的频响幅值

V2n:第二条频响曲线第n点的频响幅值

对1.6MVA以上变压器绕组，三相绕组之间或与历史试验频响曲线的E12判据如下：

绕组变形程度正常中度变形严重变形E12<3.53.5~7.0>7.0

频响曲线相似度判断绕组变形程度

通过计算两条频响曲线的相似程度和两者间的绝对差值作为绕组变形程度判断的依据，其计算公式为：

xi,yi为两条频响曲线的频谱幅度，N为总测试点数；以所测量频谱曲线的极点数等分为三段，分别考量极点位置和幅值的大小的差异；相似系数Pxy越接近于1，则频响曲线的走向趋势相似度越高，均方差值Exy越小，频响曲线的差异越小。

由于每台主变所受到的干扰信号都不同;如果示波器检测到的干扰信号还包含某些谐波分量，在滤波电路（A）中增加二极管、信号放大器等，针对不同的干扰信号调节滤波电路中的参数，有效地对外部的电磁干扰进行滤波。

当频率响应曲线图产生新的谐振点且曲线向高频段平移时，绕组内部发生形变的可能性最大，这种情况下，绕组线圈的电感和电容不会产生很大的变化，主要是线圈对地电容的变化以及绕组之间相对位置的改变，当谐振点数量不变，但位置发生平移时，绕组线圈经受故障短路电流的冲击的可能性较大，内部受到电动力所致，这种情况下，通常作用在线圈各部位的电动力不一致，使线圈受力不均产生形变，不同电压等级线圈之间的距离会发生改变，导致变压器内部绕组对地电容大小的改变；若频谱曲线的谐振波峰向低频域移动，且幅值增加时，由于变压器内部线圈高度不一致所致的可能大；与此相反，若谐振波峰向频谱曲线的高频域移动，且幅值相比较小时，则变压器线圈发生了整体性的拉伸的可能性大；

若频谱曲线整体无较大的变化，只在部分极点位置发生偏移，则考虑是变压器绕组发生了局部的形变，发生局部形变主要是线圈间的电磁力所致，频谱曲线若某些极点减少，则线圈局部发生了较大程度的压缩或拉伸的形变。

优点效果：本发明提供一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法，频率响应分析法是分析变压器绕组变形程度的一种较灵敏的方法，它是通过比较响应曲线之间的差异，来判断绕组是否发生形变的一种方法，频响法抗干扰能力较强，因此测试结果的重复性很好，更符合状态检修的要求。而目前现场试验时需要拆除变压器引线，本发明则提出了通过对干扰信号的滤波，实现不拆引线测试变压器绕组的试验方法，提高现场对变压器绕组变形程度的检测效率。

附图说明：

图1为变压器绕组等效电路图；

图2为采用示波器测量与高压套管相连的配电装置图；

图3为引线端并联滤波模块，绕组变形测试仪的输入端和信号采集端分别接于变压器高压套管的高压端和尾端的图；

图4为某主变A相高压绕组；

图5为某主变B相高压绕组图；

图6为某主变C相高压绕组图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明提供一种基于频率响应分析法诊断变压器绕组变形程度和故障方法：

变压器等值电路：

通过电感、电容等分布参数模拟变压器内部的结构，并改变其中的参数与位置来模拟变压器绕组变形故障，从电气参数的角度分析并判断绕组变形的程度和位置。

变压器的绕组构成电的通路，铁芯构成磁的通路。其变压器绕组线圈呈绝缘良好的饼状结构，各个线圈之间、对地、对不同电压等级的线圈都存在电容，线圈本身呈电感性质。除此之外，变压器的引线套管、接头等对地也存在对地的电容效应。综合来看，变压器可以看做一个是由电阻、电容和电感构成的无源二端网络。等值电路如图1所示。

图1中K为绕组对地电容，C为套管对地电容，L为绕组线圈的电感，V5为扫频信号输入，V2为幅频响应输出信号，Rs为扫频信号输出电阻，R为匹配电阻。

V2/V5即可以表征变压器的某种特性。当绕组发生了径向或轴向尺寸的变化等形变，等效模型中的参数就会发生相应的变化，这样传递函数即V2/V5也会随之改变，其传递函数的零点、极点的位置和数目都会发生变化，频响曲线会发生明显的改变。

由等效模型可知，变压器绕组的等效模型就是由电感、电容、电阻构成的，当输入频率较低时，绕组呈电感性质，当频率继续升高时，等效模型中，电感和电容共同作用，可以会产生谐振，当频率较高时，又主要呈电容性质。

频率响应分析法

基本原理

变压器本身的机构一定，其内部的绕组、绝缘状态也就随之固定，各结构间的电容、电感参数也就随之确定。这样，变压器可以等效为一个有电容、电感等分布参数的无源二端口网络。输入与输出可以得到一个确定的函数关系。当变压器的结构发生改变时，其内部的电容、电感等参数会发生改变，响应的函数曲线也会随之改变，根据频响曲线的差异，从而对变压器内部绕组的变形情况作出判断。

绕组变形程度诊断

基于频率响应法诊断绕组变形程度，目前在现场实际应用中通常是对频响曲线做对比。包括：相同型号的变压器曲线对比、同一组变压器不同相之间做对比、测试频响曲线与历史试验数据做对比。若对比结果有较大的差异，可以初步诊断变压器发生了形变。基于频响法测试的原理，频响法不仅仅考量了变压器的绕组是否发生了形变，若变压器内部绝缘发生劣化，其内部的电容参数也会发生变化，变压器的绝缘结构发生了改变，频响曲线也会发生响应的改变。

方差法判断绕组变形程度

精确分析变压器的变形程度的考量尚未成熟，大体上，以频响曲线为基础，可以分为轻度变形、中度变形、和严重变形。是以两条频响曲线的差值作为判断的出发点的，计算公式为：

（3-1）

式中：E12:两条频响曲线的差值

n:频响采样点数

V1n:第一条频响曲线第n点的频响幅值

V2n:第二条频响曲线第n点的频响幅值

对1.6MVA以上变压器绕组，三相绕组之间或与历史试验频响曲线的E12判据如下：

绕组变形程度正常中度变形严重变形E12<3.53.5~7.0>7.0

频响曲线相似度判断绕组变形程度

通过计算两条频响曲线的相似程度和两者间的绝对差值作为绕组变形程度判断的依据，其计算公式为：

xi,yi为两条频响曲线的频谱幅度，N为总测试点数；以所测量频谱曲线的极点数等分为三段，分别考量极点位置和幅值的大小的差异；相似系数Pxy越接近于1，则频响曲线的走向趋势相似度越高，均方差值Exy越小，频响曲线的差异越小.

以上两种诊断方法都是基于频响曲线，针对曲线相关性进行的数学分析，对判断变压器的变形程度及故障类型无更精确的量化标准，也无法对变压器绕组变形位置进行准确定位。

依据曲线特征判断绕组变形程度

以变压器等效模型为基础，通过串并联来模拟变压器的故障模型，通过对幅频特性曲线的分析，我们可以得到以下结论。

当频率响应曲线图产生新的谐振点且曲线向高频段平移时，可能是绕组内部发生形变。这种情况下，绕组线圈的电感和电容不会产生很大的变化，主要是线圈对地电容的变化以及绕组之间相对位置的改变。当谐振点数量不变，但位置发生平移时，可能是绕组线圈经受故障短路电流的冲击，内部受到电动力所致。这种情况下，通常作用在线圈各部位的电动力不一致，使线圈受力不均产生形变，不同电压等级线圈之间的距离会发生改变，导致变压器内部绕组对地电容大小的改变。若频谱曲线的谐振波峰向低频域移动，且幅值增加时，可能是由于变压器内部线圈高度不一致所致。与此相反，若谐振波峰向频谱曲线的高频域移动，且幅值相比较小时，则可能是变压器线圈发生了整体性的拉伸。

若频谱曲线整体无较大的变化，只在部分极点位置发生偏移则可能考虑是变压器绕组发生了局部的形变。发生局部形变主要是线圈间的电磁力所致。频谱曲线若某些极点减少，则线圈局部可能发生了较大程度的压缩或拉伸的形变。

采用频率响应法测试变压器绕组变形程度时，很容易受到临近电磁场的干扰。目前在现场实际检测中，通常需要拆除变压器套管的引线，检测过程劳动强度大，同时频繁拆接线也会对变压器造成一定的损害。为了快速、经济、高效的对变压器的形变程度做出诊断，本文研究不拆引线方法实现对变压器绕组变形程度的试验方法。

频率响应法主要是通过对变压器绕组的幅频响应曲线的对比，来对变压器绕组的形变程度做出判断的。在不拆引线的情况下，变压器套管的引线、开关、刀闸等很容易受到临近带电部位的电磁感应，这种电磁信号会通过引线输入到变压器的绕组中，在此种条件下，绕组变形测试仪所采集到的信号就包括了这些干扰信号，幅频响应曲线不能够真实的反应变压器绕组的状态。因此不拆引线的情况下进行试验时，如何消除外界的电磁干扰是实现不拆引线变压器绕组变形试验的关键。

本文基于变压器的等效模型，采用频率响应分析法以测量变压器高压绕组为例说明不拆引线的测试方法。首先采用示波器测量与高压套管相连的配电装置部分的波形如图2所示。

由于变压器在停电检修时，与主变相联接的开关和隔离开关均已断开，接地刀闸都已接地。此时的外部干扰主要是指直接与变压器高压套管相联接的引线及隔离开关上的电磁信号。这种电磁干扰是由临近带电母线等直接的电磁耦产生的，它参与到绕组变形测试仪的计算之中的。因此我们首先采用示波器并联在高压套管端部与刀闸之间，得到外部电磁干扰信号的波形。同时为了屏蔽掉220kV和66kV对一次侧的影响，我们在二次侧和三次侧分别短接接地。由于中压侧和低压侧在变压器内部通过铁芯与高压侧产生磁的耦合，当其短接接地时，中压侧和低压侧的感应电流首先通过地线流入大地，不会对高压侧的试验产生影响。

把由示波器得到的外界干扰信号的波形等效为一个信号源U_s。在引线端并联滤波模块A，绕组变形测试仪的输入端和信号采集端分别接于变压器高压套管的高压端和尾端。如图3所示，U_s的频率已知，通过改变滤波模块中R、L、C的参数使其对U_s呈现低阻状态，U_s的电流直接通过滤波电路A流入大地。现场采集到的干扰信号数据表明，干扰信号的频率大多在1kHz以下，而绕组变形测试仪的起始频率为1kHz，滤波电路对测试仪发出的信号呈高阻状态。这样，绕组高压端的输入信号仅为测试仪的输入信号。由于每台主变所受到的干扰信号都不同，如果示波器检测到的干扰信号还包含某些谐波分量，还可以在滤波电路A中增加二极管、信号放大器等，针对不同的干扰信号调节滤波电路中的参数，有效地对外部的电磁干扰进行滤波。

本文采用此测试方法对某台变压器进行了现场测试，试验得到的频率响应波形如图4、5、6所示，从试验结果可以看出变压器三相一致性较好。

综上所述，不拆引线诊断变压器绕组变形程度，主要是对滤波电路的改善，针对不同类型的干扰信号，更可靠地屏蔽外部电磁干扰对绕组变形试验的影响，提高对干扰信号的识别强化滤波电路的滤波性能，提高不拆引线诊断的可靠性。