维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期 《贵州电力技术》 （总第９６期） 用频率响应分析法诊断变压器绕组变形 贵州电力试验研究院陈召秀［５５０００２］ １ 前言 电力变压器在运行过程中不可避免地要遭受各 种故障短路电流的冲击，一旦短路故障发生在变压 器出口附近，变压器绕组将承受巨大的、不均匀的轴 向和径向电动应力作用。如果绕组内部机械结构存 在薄弱环节，必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等变 形现象，严重时甚至导致突发性损坏事故。 按照第１２届国际大电网会议委员会的评估，变 压器绕组的许多绝缘故障均是由于绝缘的最初机械 损伤造成的。变压器在遭受短路故障电流冲击，绕 组发生局部变形后，即使没有立即损坏，也有可能留 下严重的故障隐患，例如：绝缘距离发生改变，固体 绝缘受到损伤，导致局部放电发生，当遇到雷电过电 压作用时有可能发生匝间、饼间击穿，导致突发性绝 缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期 作用而发生绝缘击穿事故；绕组机械性能下降，当 次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用 而发生损坏事故。 因此，积极开展变压器绕组变形诊断工作，及时 发现那些有问题的变压器，并有计划地进行吊罩验 证和检修，不但可节省大量的人力、物力，对防止变 压器事故的发生也有极其重要的作用。 ２绕组变形的起因 电力变压器线圈通常是由以绝缘垫块隔开的铜 或铝线段所构成的。这种系统的动特性在发生突发 短路时是变化的，因为绝缘垫块的弹性与其压紧程 度有关，即与作用力有关。电动力本身也不是恒定 不变的，而是按照复杂的规律变化。虽然对短路时 作用在变压器线圈上的电动力的研究始于四十年 代，但由于动态过程分析的复杂性，到目前为止尚不 能用理论计算结果正确反映出变压器承受突发短路 电流冲击的能力。 理论分析表明，作用在变压器线圈上的电动力 可分为轴向（纵向）力和径向（横向）力两种。径向 力的作用方向取决于线圈相互位置及其电流的方 向，对双线圈变压器而言，径向力拉伸外部线圈，压 紧内部线圈。为了提高内部线圈对径向力的刚度， 通常是将线圈绕制在由绝缘筒支撑的撑条上，此时， 该线圈不但要受到压缩应力作用，还会同时受到撑 条所产生的弯曲应力作用，如果所受到的合应力超 过线圈刚度的屈服点，必将导致线圈发生永久变形， 出现常见的梅花状或鼓包状变形现象。 变压器线圈受到的轴向力可使线段和线匝在竖 直方向弯曲，压缩线段间的垫块，并部分地传递到铁 轭，力求使其离开心柱。通常，最大的弯曲力产生在 位于线圈端部的线段中，而最大的压缩力则出现在 位于线圈高度中心的垫块上。当线圈不等高时（主 要由于调压分接头所致）或磁势分布不均匀时，轴 向力较之径向力更能引起变压器事故。 由此可见，当变压器在运行过程中遭受突发性 短路故障电流冲击时，每个线圈都将受到强大的径 向力和轴向力的共同作用。变压器绕组初始故障的 表现形式大多表现为内绕组出现变形（尤其是对自 耦变压器），发生鼓包、扭曲、移位等不可恢复的变 形现象，其发展的典型形式是绝缘破坏，随后出现饼 间击穿、匝间短路、主绝缘段放电或完全击穿。 ３绕组变形的检测方法 变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的 电感、电容等分布参数必然发生相对变化。最早使 用的绕组变形诊断方法是集中参数检测法（例如阻 抗法或漏抗法），它通常是通过测量绕组短路阻抗 中的电抗值变化来判断变压器绕组是否发生变形。 多年来的现场使用经验表明，该方法对测试仪表的 检测精度要求较高（±０．１％），且往往仅对那些发 生在绕组端部的变形现象较为敏感，而对于出现在 绕组中部的鼓包、扭曲等局部变形现象，有时缺乏必 要的检测灵敏度。 近年来国内外大量的研究成果及实测经验表 明，利用网络分析技术，通过测量变压器各个绕组的 传递函数Ｈ（ ），并对测试结果进行纵向或横向 （三相之间）比较，可灵敏有效地诊断出绕组的扭 曲、鼓包、移位等变形现象。因为当频率超过ｌｋＨｚ 时，变压器的铁心基本不起作用，每个绕组均可视为 ・２９・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期 《贵州电力技术》 （总第９６期） 一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性 双端口网络，设绕组单位长度的分布电感、纵向电容 和对地电容分别为Ｌ、Ｋ、ｃ，并且忽略绕组的电阻 （通常很小），根据电工学理论，它是可以通过传递 函数Ｈ（ｊ∞）对其特性进行描述的。如果绕组发生 了轴向、径向尺寸变化等机械变形现象，势必会改变 网络的Ｌ、Ｋ、ｃ等分布参数，导致其传递函数Ｈ（ｊ∞） 的零、极点分布发生变化。 利用网络分析技术，通过测量传递函数Ｈ（ｊ∞） 来诊断变压器绕组变形的方法，通常可分为低压脉 冲法（简称ＬＶＩ）和频率响应法（简称ＦＲＡ）两种，现 简要介绍其测试原理。 ３．１低压脉冲法 低压脉冲法（ＬＶＩ）的测试原理如图２所示。在 变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信号（通 常不超过３００Ｖ），利用数字化记录设备同时测量绕 组两端的对地电压Ｖｏ（ｔ）和Ｖｉ（ｔ），并进行相应的处 理，得到该变压器绕组的脉冲响应特性ｈ（ｔ）或传递 函数Ｈ（ｊ‘１））＝Ｖｏ（ｊ‘１））／Ｖｉ（ｊ‘１））。 最早提出并使用低压脉冲法（ＬＶＩ）法的国家是 波兰（１９６６年），此后英国和美国又对其进行了改 进，其主要用途是确定变压器是否通过短路试验。 然而，由于ＬＶＩ法采用的是时域脉冲分析技术，在现 场使用时较易受外界干扰和灵敏度校正过程的影 响，往往需要使用一个特殊结构和精细调整的测试 系统，以消除脉冲传递过程中的折反射问题和脉冲 信号源的不稳定性问题，故现场使用往往较难保证 测试结果的重复性。 ３．２频率响应分析法： 频率响应分析法的测试原理。在被测定物的一 端加入正弦波扫瞄电压源Ｖｓ，通过数字化记录设备 同时检测不同扫描频率下输入、输出端的电压信号 幅度和相位，并进行相应的处理，得到传递函数Ｈ （ｎ）＝２０ｌｏｇ［Ｖｏ（ｎ）／Ｖｉ（ｎ）］。 传递函数Ｈ（ｊ∞）（即频率响应特性）中的零、极 点分布情况与被测定物（二端口网络）内部的元件 及连接方式等密切相关，大量试验研究结果表明，电 力变压器绕组的频率响应特性通常在ｌｋＨｚ～１ＭＨｚ 的频率范围内具有较多的谐振点。当频率低于 １ＫＨｚ时，绕组的电感起主要作用，谐振点通常较少， 对分布电容的变化较不敏感；而当频率超过１ＭＨｚ 时，绕组的电感又被分布电容所旁路，谐振点也会相 应减少，对电感的变化较不敏感，而且随着频率的提 高，测试回路（引线）的杂散电容也会对测试结果造 ・３Ｏ・ 成明显影响。因此，在使用频率响应法进行变压器 绕组变形测试时，选用ｌｋＨｚ一１ＭＨｚ的扫频测量范 围和２０００个左右的线性分布扫描频点通常会获得 较好的测试效果。此时，绕组内部的分布电感和电 容均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振点， 能够灵敏地反映出绕组电感、电容的变化情况。 利用上述频率响应分析法（ＦＲＡ）诊断变压器 绕组变形，最早是由加拿大的Ｅ．Ｐ．Ｄｉｃｋ在１９７８年 提出的，随后在世界各国得到了较为广泛的应用，普 遍反映使用效果较好，认为能够在变压器不吊罩的 情况下快速检测出相当于短路阻抗变化０．２％或者 轴向尺寸变化０．３％的绕组变形现象。与早期使用 的低压脉冲法（ＬＶＩ）相比，由于ＦＲＡ法采用了先进 的扫频测量技术，所测量的均是幅值较高、频率预先 已知且低于１ＭＨｚ的正弦波信号（通常使用１ｋ～ １ＭＨｚ的扫频范围），便于用数字处理技术消除干扰 信号的影响，信号传播过程中的折反射问题也易于 得到解决，故具有较强的抗干扰能力，测量结果的重 复性也易于得到保证。 ４分析与判断 变压器绕组的幅频响应特性曲线中包含多个波 峰波谷，这些波峰波谷的分布位置及分布数量的变 化，可作为分析变压器绕组变形的依据。 （１）幅频响应特性曲线低频段（１ｋＨｚ— ｌＯＯｋＨｚ）的波峰波谷的位置发生明显变化，通常预 示绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路状况。 （２）幅频响应特性曲线中频段（１ＯＯｋＨｚ一 ６００ｋＨｚ）的波峰波谷的位置发生明显变化，通常预 示绕组发生扭曲和鼓报等局部变形现象。 （３）幅频响应特性曲线中频段（６００ｋＨｚ）的波 峰波谷的位置发生明显变化，通常预示绕组对地电 容发生改变可能存在线圈整体位移或引线位移等 状况。 （４）纵向比较法： 对同一台变压器、同一绕组、同一分接开关位 置、不同时期的幅频响应特性进行比较，根据幅频响 应特性的变化分析绕组变形的程度。该方法具有较 高的检测灵敏度和判断准确性，但需预先获得变压 器的原始频响特性，并应排除检测条件及检测方式 变化所造成的影响。 （５）横向比较法： 在没有原始数据的情况下，有时可以通过比较 （下转５１页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期 《贵州电力技术》 （总第９６期） 地网竣工图仍存在较大差别，给诊断过程带来很多 ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ，２００２，３８（２）：４７３ 不便。一方面要求严格控制新地网的施工质量，利 —４７６． 用本方法便可以较好的实现这一目的；另一方面需 ４ Ｄａｗａｌｉｂｉ Ｆ Ｐ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｇｅｎｅｒｍｅｄ ｂｙ ｏｖｅｒｈｅａｄ 要有关工作人员对接地网任何改动严格记录，以准 ｎａｄ ｂｕｆｆｅｄ ｓｈｏｒｔ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ Ｐａｒｔ ２一Ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ［Ｊ］ 确把握接地网拓扑结构，提高诊断精度。 ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９８６，ＰＷＲＤ一１：１１２ —１１９． （５）现场试验验证了此接地网腐蚀诊断方法的 ５ Ｈｕ Ｊｕｎ，Ｚｈａｎｇ Ｒｏｎｇ，Ｈｅ Ｊｉｎｌｉａｎｇ ｅｔ ａ１．Ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｒ－ 优越性。对实际的接地网采用优化诊断方法工作， ｒｏｓｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｆｏｒ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｄ［ｃ］．ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ｏｆ 三名相关工作人员可以在两天左右完成诊断。对支 Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎ．２０００，２０００，３：１３６５—１３７０． 路故障，如支路腐蚀、虚焊、断裂诊断率很高，不会出 ６姜建国等著，故障学及其在电工中的应用，科学出版 现漏判；对于局部区域可以保证在腐蚀区域内诊断 社，１９９５． 出几条支路腐蚀，虽然存在一定的误差，但满足工程 ７刘渝根，滕永禧，陈先禄．接地网腐蚀的诊断方法研究 实际的需要，说明诊断方法有较强的实用性。 ［Ｊ］，高电压技术，２００４，３０（６）：１９—２１． 参考文献 ８刘渝根，滕永禧，陈先禄．接地网导体状态的诊断方法 Ｉ张纬钹等著，过电压防护及绝缘配合，北京，清华大学出 ［Ｊ］，重庆大学学报，２００４． 版社，２００１． ９ 肖新华，陈先禄，张晓玲．接地网腐蚀和断点的诊断理论 ２ Ｌａｗｓｏｎ Ｖ．Ｒ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅ ａｎｃｈｏｒ ａｎｄ 分析［Ｊ］．重庆大学学报（自然科学版），２００１，２４（３）：７２ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄ ｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， —７５． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ，ＪａｒＬ—Ｆｅｂ．１９８８，Ｖｏｌｕｍｅ：２４，？ １Ｏ刘健，王建新等，一种改进的接地网故障诊断算法及测 Ｉｓｓｕｅ：１，Ｐａｇｅｓ：２５—３２． 试方案评价，中国电机工程学报，２００５，２５（３）：７１－７７． ３ Ｚｈａｎｇ １３ｏ，Ｚｈａｏ Ｚｈｉｂｉｎ，Ｃｕｉ Ｘｉｎａｇ ｅｔ ａ１．Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｂｒｅａｋｓ （收稿１３期：２００７０４２０） ｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ’Ｓ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｄ ｂｙ ｕｓｉｇｎ ｔｈｅ Ｅｌｃｅｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ （上接３０页） 一批变压器，如果状态良好，其相同相别的绕组间的 变压器三相绕组间频响特性曲线的差异，对绕 频响特性通常具有一定的可比性，虽然谐振峰的高 组的变形情况作出判断。对于制造工艺良好的大型 度会略有差异，但其数目和频率分布情况基本一致。 电力变压器，其三相绕组的结构基本是一致的，测得 因此，在单纯使用相间比较方法判断绕组的变形现 的频响特性曲线通常具有一定的可比性，特别是对 象时，如果遇到频响特性不一致的情况，应考虑到该 没有分接开关的低压绕组。但必须注意，这种“一 变压器绕组频响特性存在原始差异的可能性，最好 致性”仅仅是相对的，例如对于那些带有平衡绕组 是借鉴相同型号的其它变压器绕组的测试结果综合 的变压器，受平衡绕组不对称特性（通常位于低压 进行判断，以减少错误诊断的可能性。 绕组的内侧，且以开口三角形的方式联接）的影响， 测得的三相低压绕组的频响特性往往具有较大的差 ５结语 异。因此，在没有原始测量结果，单纯根据三相绕组 （１）变压器绕组初始故障的表现形式大多为内 问频响特性的差异来判断绕组的变形现象时，具有 绕组出现变形（尤其是自耦变压器），发生鼓包、扭 一定的局限性。如果测得的频响特性一致性较好， 曲、移位等不可恢复的变形现象，其发展的典型形式 通常可得出较为确定的诊断结果，即认为变压器绕 是绝缘破坏，随后出现饼间击穿、匝间短路、主绝缘 组没有发生明显的变形现象。 段放电或完全击穿。 但如果测得的频响特性一致性较差，或者仅有 （２）频率响应分析法是目前国际上最为先进的 其中两相的频响特性较为一致，则有可能得出错误 一种绕组变形诊断方法，具有较高的检测灵敏度和 的诊断结果，即把正常的变压器绕组判断为变形。 较强的抗干扰能力，适合在现场条件下使用。 实测结果表明，对于型号和制造厂家相同的同 （收稿１３期：２００７０５２１） ・５ｌ・
