基于频率响应法的励磁变压器绕组变形研究*

□ 楼 彬 □ 宋家由 □ 傅益垚 □ 陈梁俊

嘉兴南洋职业技术学院 浙江嘉兴 314031

1 研究背景

励磁变压器是电网系统中的重要组成部分,变压器的运行状态直接影响电网系统是否能够安全稳定运行。根据统计,因励磁变压器绕组发生故障而导致的电力事故经常发生,绕组变形则是绕组故障的主要原因之一[1-2]。励磁变压器在生产、运输、安装、运行等多个环节中,励磁变压器绕组会因碰撞、振动、短路等因素发生变形。常见的变压器绕组变形有匝间短路、径向变形、轴向位移、轴心偏移等。在实际工程应用中,有些细微的励磁变压器绕组变形很难被察觉到,当励磁变压器绕组变形累积到一定程度时,就会引发机械故障和电气故障,从而导致励磁变压器,乃至整个电网系统发生故障,会带来极大的安全隐患[3-4]。因此,对励磁变压器绕组变形进行检测至关重要。目前,常用的励磁变压器绕组变形检测方法主要有振动检测法[5]、短路阻抗法[6]、电容量变化法[7]、低压脉冲法[8]、频率响应法[9]。频率响应法具有扫频频率范围大、灵敏度高、可重复性强等优点,应用比较广泛。

当励磁变压器的几何尺寸和内部结构一定时,励磁变压器绕组中分布的电性参数和频响特性也就基本确定。当励磁变压器绕组发生短路故障或者机械变形后,励磁变压器绕组中分布的电性参数随之改变。工程中,励磁变压器价格比较昂贵,并且一直处于运行状态,现场测试较为困难。由此,对励磁变压器绕组建立仿真模型进行研究。笔者将一台实际励磁变压器的缩小几何模型作为参考模型,结合Multisim软件,基于频率响应法建立励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型,研究不同程度的短路故障对励磁变压器绕组造成的影响。

2 频率响应法基本原理

1978年,Dick率先提出频率响应法,并引入变压器绕组变形测试中[10]。之后,世界各国科研工作人员将频率响应法应用于变压器绕组故障检测和诊断工作。

输入高频信号之后,变压器绕组可以等效为一个由线性电阻、电容、电感等元件构成的无源线性双端口网络,并且这一网络的频率特性不随时间的变化而变化。确定变压器绕组的等效电路和各参数值后,变压器绕组的频率响应特性就能确定。频率响应法检测变压器绕组变形原理如图1所示。

▲图1 频率响应法检测变压器绕组变形原理

被测变压器绕组输出信号与输入信号之间的关系为:

H(ω)=U2(ω)/U1(ω)

(1)

式中:H(ω)为绕组的电压传递函数;U1(ω)为输入信号;U2(ω)为输出信号;ω为采样频率。

3 集总参数建模基本原理

根据频率响应法原理可知,当扫频信号的频率较高时,可以将变压器绕组等效为一个由电阻、电容、电感等元件构成的无源线性双端口网络,如图2所示[11]。

▲图2 变压器绕组等效无源线性双端口网络

图2网络分为n阶,每一阶都包含了电感L、纵向电容K、对地电容C。Rs为输入匹配电阻,R为输出测量电阻。频域中电压V和电流I的导纳方程为:

(2)

式中:Y为导纳。

根据已知条件,式(1)经变形计算可以得到变压器绕组电压传递函数频率响应,为:

(3)

式中:Vout为输出端电压;Vin为输入端电压;Vn+1为n+1阶电压;V1为一阶电压。

根据集总参数建模基本原理,对于一个已知的变压器绕组,其频率响应结果是唯一的,变压器绕组发生故障后,会对电感和电容等元件产生影响,从而引起各段谐振频率和幅值变化。

通过对比分析,就可以判断变压器绕组是否发生了故障。

4 励磁变压器绕组集总参数建模

建立励磁变压器简化几何模型,如图3所示,由低压绕组和高压绕组组成,参数见表1。

▲图3 励磁变压器简化几何模型

表1 励磁变压器简化几何模型参数

在传统励磁变压器单绕组集总参数等效电路模型基础上进行改进,得到励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型,如图4所示。在低压绕组的i阶等效电路中,Ci为等效对地电容,Ki为等效纵向电容,Li为等效电感。在高压绕组的i阶等效电路中,Ci′为等效对地电容,Ki′为等效纵向电容,Li′为等效电感。Chli为高压绕组与低压绕组之间的电容。

▲图4 励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型

5 不同程度短路故障分析

根据励磁变压器简化几何模型,构建8阶励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型。在高压绕组的3阶设置三种不同程度的短路故障进行模拟分析,分别为短路3匝、短路4匝和短路5匝,由此分析不同程度短路故障对励磁变压器绕组的影响。

根据励磁变压器绕组集总参数等效电路模型的几何特点和元件的等效计算关系,可以得到短路故障与分布参数变化的对应关系。

当励磁变压器绕组发生短路故障后,分布参数会发生变化,最终会引起谐振频率发生变化,其中谐振峰值的变化更为明显。由此,励磁变压器绕组故障情况还可以通过比较谐振频率变化的百分比来判断。谐振频率变化百分比Δf为:

Δf=(fx2-fx1)/fx1×100%

(4)

式中:fx1为正常情况下第x个谐振点的谐振频率;fx2为发生短路故障后第x个谐振点的谐振频率。

经过仿真计算,得到励磁变压器绕组在正常情况和三种不同程度短路故障情况下的频响波峰值和谐振频率,分别见表2、表3。短路故障情况相比正常情况谐振频率变化百分比见表4。

表2 励磁变压器频响波峰值 dB

表3 励磁变压器谐振频率 Hz

表4 短路故障情况相比正常情况谐振频率变化百分比

由分析结果可以看出,当励磁变压器绕组发生不同程度的短路故障后,分布参数会发生变化,从而导致频响波峰值和谐振频率发生变化。谐振频率基本都是向高频方向发生微小变化,但是在第8个波峰处,频响波峰值和谐振频率发生了较大变化。随着短路故障程度的提高,谐振频率的变化幅度总体呈现增大趋势。

6 结束语

笔者基于频率响应法对励磁变压器绕组变形进行研究,在传统励磁变压器单绕组集总参数等效电路模型的基础上进行改进,利用Multisim软件建立励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型,进行不同程度短路故障的模拟。通过研究确认励磁变压器绕组发生短路故障之后,分布参数发生变化,从而引起谐振频率变化。可以根据谐振频率变化情况,判断励磁变压器绕组变形程度,为励磁变压器绕组变形检测提供参考。