变压器绕组变形检测方法研究

陈文峰

(广东深圳供电局，深圳 518000)

1 引言

变压器是电力系统中的重要设备，对电力系统的安全运行起着决定性的作用。到目前为止变压器故障在电力设备的故障中仍占有较高的比例。国内外变压器的统计结果表明，因绕组变形导致的变压器事故的比例较高。变压器绕组变形后，会留下严重的故障隐患。因此，积极开展变压器绕组变形检测方面的工作，及时发现有问题的变压器，并有计划地进行吊芯检修，不但可以节省大量的人力、物力，且对防止变压器突发性事故的发生也有极其重要的作用［1，2］。

常规的电气实验，如局部放电实验和色谱分析等往往不能及时发现变压器绕组变形。最早使用的变压器绕组变形诊断方法是集中参数检测法。多年来的使用经验表明，该方法不但对测试条件要求较高，而且检测灵敏度太低，仅对那些绕组变形严重的变压器有效。吊芯检查除了需要花费大量的人力、物力、财力外，对判断内侧绕组有无变形也是困难的。因此急需一种绕组变形的在线监测方法实现对变压器的状态监测。

2 绕组变形的定义

变压器遭受短路冲击时，绕组受到辐向力、轴向力和周向力(或扭矩)的作用，会发生相应的变形，即辐向位移、轴向位移和扭曲(或绕组转动)，以及包括断股、匝间短路、引线位移和静电板引线断开等的特殊变形。从表面上看，特殊变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但是变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了变化，因而绕组的频率响应特性发生了变化，故把这类变形称之为特殊变形。实际运行中的变压器绕组变形有时是几种变形同时发生的。

实际应用当中，除需要确定变压器是否发生了绕组变形，更需要确定绕组的变形程度，以便决定变压器是否继续投运。为此规定了3种状态:正常(或无明显变形)、中度变形和严重变形。具体定义如下:

(1)正常(或无明显变形)指变压器绕组与出厂时状态基本一致，或存在不明显的绕组变形，但仍可以继续运行，无需检修。

(2)中度变形指变压器绕组发生了明显的变形，在其他实验合格的情况下，变压器可以临时带病运行，但需要加强监督，应在适当时机安排检修。若再次遭受短路冲击或承受过电压，则有可能造成变压器损坏。

(3)严重变形指变压器发生了严重的绕组变形。在这种情况下，即使其他实验均合格，也不能继续运行，否则随时可能发生损坏事故。

3 绕组变形的检测方法

为了满足电力系统要求，弥补常规电气方法和吊罩检查方法所存在的不足，国内外对变压器绕组变形的检测均进行了大量研究，现分别对以下几种方法及新技术的研究进行简要的介绍［3］。

3.1 低压脉冲法

低压脉冲法年由波兰学者提出，现已被列入IEC及许多国家电力变压器短路试验导则和测试标准中。其原理如下:当频率超过1kHz时，变压器的铁芯基本上不起作用，绕组本身可视为一个由电阻、电感及电容等分布参数构成的无源线性双端口网络，绕组发生变形后，必然会引起网络分布参数的变化从而使绕组对低压脉冲的响应发生变化。这样就可以通过比较绕组对低压脉冲的响应波形来判断绕组是否发生了变形。

传统的低压脉冲法采用模拟示波器记录绕组的低压脉冲响应，并从时域响应波形的变化来判断变压器绕组有无变形。随着计算机技术及数字存储技术的发展，将时域信号以数字形式记录并传输给计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。随着计算机技术的发展得以改进，时域响应信号以数字形式记录，并用计算机进行各种分析处理。低压脉冲法测试原理如图1所示。

图1 低压脉冲法测试原理图

低压脉冲法的主要用途是确定变压器是否通过短路试验，但在现场试验中，尚受测试过程中各种电磁干扰的影响，可重复性较差，且对绕组首端位置的故障响应不灵敏，较难判断绕组变形位置。

3.2 振动法

振动法是通过贴在变压器器身上油箱的振动传感器，在线监测绕组及铁芯的状况，良好状态变压器的振动特征向量包括绕组和铁芯振动信号的频谱、功率谱、能量谱等作为指纹留用，一旦变压器绕组发生故障，当前振动特征向量的变化就会快速地反映出来。这种方法最早是在电抗器上使用，对于在电力变压器上使用振动测试，加拿大、俄罗斯及美国等已进行了多方面的研究。

这种方法的优点是测试系统与整个电力系统没有电气连接，可安全、可靠地实现在线监测的目的。其缺点在于，电力变压器在运行过程中随时可能发生短路故障，如果在突然短路的变压器内部绕组发生故障，将导致带电绕组与油箱接触，油箱可能带有很高电压另外，暂态感应也会在变压器器身上产生高电位，对测试仪器和人身安全都有影响。

3.3 短路阻抗法

阻抗法是通过测量工频电压下，变压器绕组的短路阻抗或漏抗来诊断绕组变形的。短路阻抗是指负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗。漏抗是绕组和绕组之间、绕组内部、绕组与油箱之间的漏磁通形成的感应磁势的反映。短路阻抗包括漏抗和绕组的电阻分量对于110kV及以上的大型变压器电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小短路阻抗主要是漏抗的数值，因此阻抗可以反映漏抗的变化，并且测量阻抗比测量漏抗更容易实现。

变压器的漏抗值由绕组的几何尺寸决定变压器绕组结构的改变必然会引起变压器漏电抗的变化从而引起变压器短路阻抗的改变。因此可用短路阻抗的变化来判断变压器绕组是否变形，只要将测得的短路阻抗与变压器正常时的测量值(如出厂数据)相比即可。

阻抗法的灵敏度较低，且需要动用很多的试验设备，试验时间较长，误诊率较高，一般与其他方法配合使用。

3.4 在线监测漏抗法

由于变压器短路阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，因此可以通过在线检测变压器短路电抗的变化分析绕组状况。理论和实践都说明，在线测量短路电抗，不需要停运变压器就能随时监视绕组状况，比离线方法更具时效性和经济性。

在线监测漏抗法无需额外施加激励，它既可研制独立的装置，也可作为微机型变压器后备保护装置或在变电所综合自动化系统中实现，具有实时、不受干扰、判据明确等特点。能够为绕组状况提供实时准确的指示必要时使变压器退出运行。该方法除了能够监测绕组变形外，也可以结合其他的一些检测方法作为判别变压器内部故障的一种手段。

3.5 内窥镜法

内窥镜法称为视频窥视技术，它是将一个配有高强光源及高清晰数字摄像机的探头深入变压器的绕组之间或绕组与铁芯之间进行实物拍照，对绕组情况可做到一目了然，很直观的得出变压器绕组是否变形、内部是否有异物、放电点位置、绕组排列是否整齐等，这是一个全新方法。

利用此技术，只需现场吊罩，不需将变压器返厂拆铁扼、拔线圈检查绕组状况，大大缩短变压器停电时间。但是该方法很难对变压器绕组进行全面检查，而且探头及其配套光缆要进入变压器内部，易带入杂质，所以该方法在工程应用上需进一步的研究。

3.6 频率响应分析法

频响分析法是由加拿大学者提出的，随后在世界各地得到广泛的应用，被认为可以检测相当于短路阻抗变化0.2%的绕组变形或轴向尺寸变化0.3%的绕组变形［4］。在频率高于1kHz时，变压器绕组可以等效为一个无源、线形、单端输入、单端输出的网络，其等效电路如图2所示。图中，L为绕组每饼的电感，K为纵向电容，C为对地电容。

图2 变压器绕组等效电路

这种网络可以用频率特性来描述而且一个网络对应着唯一的一条频响特性曲线。当绕组发生变形时，网络参数如电感或电容发生变化该网络的频响特性曲线也随之变化。变压器绕组频响试验实际上就是通过比较变压器事故前后绕组频响特性曲线的变化来判断绕组是否存在变形。

频响分析法的实施过程为:将一正弦扫频信号输入被测变压器，记录输入端和输出端的电压幅值和相位，通过处理得到被测绕组的频响特性曲线，再通过比较当前曲线和历史曲线、不同相的曲线、同型号变压器曲线等，判断绕组是否存在变形。实践证明，频响法能够为变压器绕组变形提供较准确的诊断依据。其测量原理图如图3所示。

频响分析法降低了电磁干扰的影响，具有测量灵敏度高、测试重复性较好、仪器操作简单方便的优点。它可在变压器不放油、不吊罩的情况下确定变压器绕组有无形变，指导变压器的抢修工作，缩短抢修时间。该方法已在国内外变压器运行和生产部门得到推广应用，效果较好。但测试结果容易受到各种不确定性因的干扰，诊断结果具有某种不稳定性。

图3 频响分析法原理接线图

4 不同方法的优缺点

对目前各国普遍采用的变压器诊断方法进行分析，可以得出以下结论:

(1)低压脉冲分析法在间隔时间较长时，重复性不好，用在同一天内，确定变压器是否通过短路实验时，其重复性是可以接受的。测试系统中出口引线的长短对测试重复性影响较大。对测试变压器绕组的首端故障不灵敏，尤其对变压器首端饼间故障不灵敏，而且该法对变压器各处故障的灵敏度也不一样。

(2)振动法对测试仪器以及人身安全都有影响。且这种方法受油温以及有油无油状态影响严重。

(3)短路阻抗法需要动用庞大的实验设备，且费时、费力。而且灵敏度不高，难以保证测量精度，误诊率高达40%，在现场使用有很大困难。现在的短路阻抗的测量方法都是离线测量，不能实时监测变压器绕组的状况。

(4)在线监测漏抗法无需额外施加激励，它既可研制独立的装置，也可作为微机型变压器后备保护装置或在变电所综合自动化系统中实现，具有实时、不受干扰、判据明确等特点。

(5)内窥镜检测法在现场有很大的局限性。

(6)频率响应分析法的测试重复性比较好，可用于系统中运行变压器绕组变形的检测。对待测试绕组首端故障不灵敏，尤其对变压器首端饼间故障测试不灵敏。同时对变压器各处故障的灵敏度也不一样。测试现场附近的悬浮电极对测试重复性影响较小。

5 结论

综上，频响分析法与以上各种方法相比，有着试验设备简单轻巧、测试灵敏度高、实验图谱分析直观、数据量值分析具有可比性等优越性，具有较好的发展前景。

［1］袁国刚.大型电力变压器绕组故障机理的理论与试验研究［D］.上海交通大学，2003.

［2］王钮，徐大可，等.检测变压器绕组变形的低压脉冲测试系统研究［J］.高电压技术，2006，32(5):13 －15.

［3］武剑利.频响分析法检测变压器绕组变形的理论研究［D］.武汉大学，2004.

［4］何文林.变压器绕组变形测试方法探讨［J］.浙江电力，1996，15(6):28－29.