电力变压器绕组径向变形的研究

邢雨晴 江玲 陈岩松 邢维彦

摘 要：为实现电力变压器绕组发生径向变形时的变形程度的诊断，利用有限元分析法和多导体传输线理论模型构造正常及变形绕组的频率响应特性曲线。通过建立变压器绕组的二维模型，运用有限元软件Ansys maxwell仿真出正常及变形绕组的电感和电容参数；再依据多导体传输线模型得到绕组的幅频特性曲线。最后，选取分频率下各变形形式绕组与正常绕组间的欧氏距离的取值及变化趋势作为判断依据，实现了绕组径向变形的变形程度的诊断。

关键词：有限元法，径向变形，欧氏距离

电力变压器运行的可靠性对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义[1-2]。目前，电力变压器绕组变形缺陷的检测主要依靠离线检测技术，主要有短路阻抗法[3]、低压脉冲法[4]、频率响应分析法和扫频短路阻抗法[5]等。径向变形是绕组变形的常见形式。目前，将频响法用于绕组变形的诊断时，主要是对绕组的幅频响应特性进行纵向或横向比较，以相关系数定义绕组的变形程度[6]，这种判别方法较为笼统。

本文运用有限元法仿真出正常及变形绕组的电感和电容参数，由多导体理论模型得到绕组的传递函数，并作出幅频响应特性曲线，以分频率下的欧式距离作为数值指标实现了绕组径向变形程度的诊断。

1 绕组频响曲线的获取和仿真分析

在较高频率的电压作用下，变压器绕组可视为一个无源线性双口网络[6]。当绕组变形，则绕组的结构变化必然改变网络内部的分布电感、电容等参数，从而导致传递函数的零点和极点发生变化，频率响应特性发生变化。本文运用有限元软件ANSYS Maxwell[7]，建立正常及各种变形形式绕组的二维模型，分别得到变压器每匝绕组间单位长度的电容和电感参数，并作出绕组的幅频响应特性曲线。

本文采用 ANSYS Maxwell软件进行仿真，选取电力变压器的型号为 SF10-40000/110，连续式绕组，共540匝。将绕组从上到下等分为三部分上部，中部，下部。

对每一种变形部位，定义左移变形量为4mm，8mm，12mm，16mm的变形程度分别为Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级。对于每种变形部位的每种变形程度等级，按照绕组频响曲线的获取方法所述，分别计算得到频带范围为1kHz-1MHz内的1000个均匀频率点下的幅频值，并拟合出幅频响应曲线。

2 绕组频响曲线的数值指标分析

在得到变压器绕组的幅频响应曲线后，即可进一步通过建立数值指標以实现绕组变形位置及变形程度的诊断。本文选取分频率下的欧氏距离作为数值指标。

将频率范围1kHz-1MHz等分为10份，定义为ED1-ED10。以上部变形为例，各变形程度等级和各频率范围的欧氏距离取值及其变化趋势如上图所示。

对各种变形情况下各频率范围的欧氏距离值的分布进行分析，可得：

（1）当发生中部变形时，ED1的值始终大于60，且在ED1-ED4的范围内，增减幅异常明显，据此可判别变形类型是否为中部变形。

（2）在ED8-ED10的频率范围内，若欧氏距离值呈单调增加趋势，则绕组变形类型可能为上部变形或中部变形（Ⅰ，Ⅱ级）；若欧氏距离值呈先增后减趋势，则绕组变形类型可能为下部变形或中部变形（Ⅲ，Ⅳ级）。

3 结论

采用有限元分析方法和多导体传输线模型和得到绕组变形的频响曲线。分段频率下各变形形式绕组与正常绕组间欧氏距离ED1-ED10的取值范围及变化趋势实现了绕组径向变形时变形程度的判别。

参考文献：

[1]孙翔，何文林，詹江杨，郑一鸣，刘浩军，周建平.电力变压器绕组变形检测与诊断技术的现状与发展[J].高电压技术，2016，42（04）：1207-1220.

[2]姚陈果，赵仲勇，李成祥，陈晓晗，李昭炯.基于暂态过电压特性的电力变压器绕组变形故障在线检测[J].高电压技术，2015，41（03）：873-880.

[3]王雄博，刘文里，李航，宗榜馗，唐宇.基于MagNet的短路阻抗法分析变压器绕组变形的仿真研究[J].变压器，2016，53（11）：24-28.

[4]王钰，徐大可，李彦明，张成良.检测变压器绕组变形的低压脉冲法测试系统研究[J].高电压技术，1998，（03）：24-27+34.

[5]刘有为，鞠登峰，毕建刚，等.扫频短路阻抗法诊断变压器绕组变形的研究[C].2009年度电力行业高压测试及电气测量技术研讨会论文集.北京：中国电机工程学会，2009：28-34.

[6]DL/T 911-2004，电力变压器绕组变形的频率响应分析法[S].2004.

[7]S N Hettiwatte，Z D Wang，P A Crossley，et al.An electric partial discharge location method applied to a continuous-disc type of transformer winding[C].Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，2003.471-474.