扫频短路阻抗法检测变压器绕组变形的应用研究

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(贵阳供电局，贵州 贵阳 550002)

1 引言

电力变压器是电力系统中关键的设备之一，它的安全可靠运行与否将直接关系着整个电网的运行稳定性。对变压器进行绕组变形测试，已经成为变压器在受到短路电流冲击后重要的测试项目。国内外应用较广泛的主要采用以下两种方法：一是频率响应分析法；二是低电压短路阻抗法。

频率响应分析法是利用精确的扫频测量技术，对被试绕组施加lkHz～1MHz的低压扫频信号，测量绕组的频率响应特性曲线。如果绕组发生了机械变形现象，等值网络中的分布参数随之变化，其幅频特征曲线的谐振点就会发生变化[1]。

短路阻抗法通常在变压器的高压绕组侧加工频的低电压，低压绕组侧短路，测量工频时变压器的短路阻抗。短路阻抗值主要是漏电抗分量，由绕组的几何尺寸所决定，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变[2,3]。

频响法和短路阻抗法在变压器绕组变形测试已经有了成功的应用经验，并取得一定的效果，相关的标准也已经颁布。两种方法各有优缺点，对不同类型的变形敏感程度不同[4]。在实际应用中也发现，某些变形在频响法中有反映但在低电压短路阻抗中没有反映，相反的情况也存在,因此同时利用两种方法，可以有效减少误判。但是利用两种原理的仪器进行两次测试，极为耗时耗力，给现场测试工作带来了很大不便。

本文结合频响法和短路阻抗法原理创造性地提出了一种新的扫频短路阻抗测试方法，基于该方法研制了新型的绕组变形测试仪，一次测试可以同时获得全频段的短路阻抗曲线和频响曲线，能够更灵敏地检测电力变压器绕组变形情况。

2 扫频短路阻抗法判断分析方法的研究

2.1 扫频短路阻抗法模拟测试

试验采用模型变压器对理论分析进行验证，试验设备采用基于扫频短路阻抗法的绕组变形测试系统，接线方式如图1所示，将变压器原边加压副边短接，在加压侧施加≥100W的大功率扫频信号，通过测量装置获得激励和响应信号，从而绘制出扫频短路阻抗法的试验曲线，进行变换不同的坐标系等处理，使数据的特性显示更加明显。

图1 扫频短路阻抗法的测试接线原理图

在模型变压器副边绕组开路情况下，在30Hz～1MHz频段内进行扫频测试获得传统频响测试曲线；再将模型变压器低压绕组短路，进行30Hz～1MHz进行扫频测试获得短路频响曲线及短路阻抗曲线，测试结果如图2、3所示。

图2 传统频率响应法测试曲线与扫频短路阻抗法测试曲线的对比

通过试验对比，可以得出以下结论：

(1)在频率大于45kHz以后，模型变压器在低压二次开路及短路情况下测的的相应曲线基本重合，因此扫频短路阻抗法可以获得在中、高频频段与传统频率响应法一致的频响曲线；

图3 扫频短路阻抗法测得的电抗-频率特性曲线

表1 测量获得的50Hz短路阻抗值

(2)低频段两种方法下获得的曲线差别较大，但二次短路情况下(<1kHz)获得的曲线表现为线性，与频率成正比，可以认为是集中参数的漏抗，如图3短路阻抗-频率曲线的低频段所示。通过短路阻抗-频率特征曲线，可以获得50Hz时的短路阻抗值(见表2)，与铭牌值进行比较相差不大，短路阻抗值的测量精度满足要求；

(3)扫频短路阻抗法可以将频率响应法和短路阻抗法有机的结合在一起，一次测试能够同时获得频响曲线和短路阻抗-频率曲线，在低频段和中高频段可以分别运用短路阻抗值和频响曲线的差异来判断变压器是否存在绕组变形。

2.2 扫频阻抗法的判断方法的研究

对扫频阻抗法获得的数据进一步处理，还可以获得以下特征曲线：

(1)阻抗/ω-频率(Zk/ω-f)特征曲线

(2)阻抗-频率(Zk-f)特征曲线

(3)电阻-频率(R-f)特征曲线

(4)电抗-频率(X-f)特征曲线

通过在模型变压器绕组上串联电感和并联电容，模拟绕组变形引起的参数变化，研究利用不同特征曲线上的变化特征来判断变压器绕组变形的分析方法。

2.2.1 模拟绕组电感参数变化的测试曲线分析

在模型变压器的低压侧串联0.96mH电感值的电感器，模拟变压器变形引起电感参数变化时的测试曲线。

由图4可以看出，串联电感后低频段出现较明显的平移，其他频率部分也发生微弱的平移，但不明显；其中中频100kHz附近出现波峰反相的现象。由于与频率成正比，变化范围较大，实际应用中较难比较曲线的变化，需要进行进一步的处理。

图4 模拟电感参数变化前后频响曲线

由于电感变化对低频段影响较明显，对30Hz～10kHz的阻抗/ω-频率(-f)特征曲线进行分析，如图5所示，在对应位置有明显变化，特别低频段的明显平移，所以在1kHz以下频率范围内，判断绕组变形时可以将这一参数量作为判断变形的依据。

图5 模拟电感参数变化前后-f特征曲线

在图6电阻-频率(R-f)特征曲线、图7电抗-频率(X-f)特征曲线中，中频100kHz附近电感变化反映比频响曲线更明显，因此R-f特征曲线和X-f特征曲线适合于判断绕组变形在中高频频段引起的参数变化。

图6 模拟电感参数变化前后R-f特征曲线

2.2.2 模拟绕组电容参数变化的测试曲线分析

在模型变压器的入口端并联30pF电容，模拟变压器高压引线移位等变形故障引起的对地分布电容参数改变时的频响曲线。

图7 模拟电感参数变化前后X-f特征曲线

图8 模拟电容变化前后频响特性曲线

如图8所示，并联电容后高频段出现明显的波峰移位现象和曲线平移，但在低频段没有明显变化。50Hz的短路阻抗如表2所示。

表2 并联电容前后50Hz短路阻抗值列表

对短路阻抗数据进行进一步归一化处理，绘制曲线和R-f曲线，观察两种曲线在并联电容前后的变化情况，如图9和图10所示。

图9 模拟电容变化前后特征曲线

通过对比几个波形可以看出，在电容性的改变引起的影响，在频率响应曲线上较明显，在阻抗-频率特征曲线，阻抗/ω-频率特征曲线上仅有微弱反映，但在图10的电阻-频率特征曲线上出现明显的波峰移位、反相现象，反映较灵敏。

图10 模拟电容变化前后R-f特征曲线

3 现场测试及结果分析

为了验证扫频短路阻抗法现场测试效果，先后对10个变电站、12台不同电压等级、不同接线组别的变压器进行了测试。

3.1 与短路阻抗法的对比

表3是利用阻抗-频率(Zk/ω)曲线计算出50Hz时4台不同变压器的短路阻抗值，与铭牌值的比较：

表3 扫频短路阻抗曲线提取的50Hz阻抗值与铭牌值的比较

由表3可见，由扫频短路阻抗法获得的50Hz时短路阻抗值，可以与铭牌值比较用来判断变压器的绕组变形情况，其精度满足实际测量需要；而且与短路阻抗法相比，在所需要的测试设备容量和测试方法的易用性等方面，优势相当明显。

3.2 与频率响应法的对比

图11为利用扫频短路阻抗法测得的某220kV变压器A相“高压-低压”侧频响曲线。

图11 某220kV变压器A相“高压-低压”扫频短路阻抗法测得的频响曲线

同时，采用频率响应法绕组变形测试仪对该变压器相应绕组进行测试，生成的频响曲线如图12所示。

图12 某220kV变压器A相“高压-低压”频率响应法测得的频响曲线

然后将扫频短路阻抗法(SFSCR)与频响法(FRA)的频响曲线波峰、波谷进行了对比，如表4所示。

表4 某220kV变压器A相FRA和SFSCR频响曲线峰波谷对照表

由表4可以看出，扫频短路阻抗法频响曲线与传统频率响应法频响曲线在中、高频段，波峰、波谷位置基本一致，扫频短路阻抗法频响曲线能够反映变压器绕组的频响特性，能够用来作为变压器绕组变形判断的依据。

4 结语

通过对模拟试验数据和现场测试数据的分析研究，可以得出以下结论：

(1)扫频短路阻抗法将频响法和短路阻抗法有机的结合在一起，能够较好利用两种方法的优点进行变压器绕组变形判断，大大了降低误判的概率；而且该方法更加高效易用，是一种新型的有效的绕组变形诊断方法。

(2)扫频短路阻抗法在低频段可以测得50Hz时变压器的短路阻抗值，将其与铭牌值比较，作为判断变压器是否变形的依据；同时在中高频段则以测得的频响曲线与历史保存的频响曲线进行横向和纵向比较，通过曲线的差异程度来判断绕组是否存在变形。测试时实现一次测量可以同时取得变压器绕组的短路阻抗-频率特征曲线和频响特性曲线，实现与两种方法的兼容，是一种新型的有效的绕组变形诊断方法。

(3)扫频短路阻抗法通过对测试数据的进一步分析，引入了阻抗/ω-频率曲线、电抗-频率曲线和电阻-频率曲线这些新的特征量，使得分析判断手段更加丰富，测试结果更加明显、直观。