變壓器匝間短路的在線監(jiān)測技術(shù)研究、發(fā)展與展望

趙鐵(廣東電網(wǎng)公司潮州供電局潮安縣局，廣東 廣州 510630)

1 前言

變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，可以將其視為電力系統(tǒng)的“心臟”。因此，確保變壓器能夠安全、穩(wěn)定的運行極為重要。配網(wǎng)變壓器的正常運行是整個配電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。在變壓器中，繞組是最重要、最復(fù)雜，也是最容易出現(xiàn)故障的部件，統(tǒng)計資料表明:繞組的損壞率約占整個變壓器故障的60%～70%。本文通過對變壓器匝間短路原理及其檢測方法的研究，結(jié)合多年的工作實踐對在線監(jiān)測匝間短路的裝置，提出一點設(shè)想供大家參考。

2 匝間短路監(jiān)測方法原理的分析與研究

國內(nèi)外的學(xué)者對于變壓器匝間短路的機理及在線監(jiān)測的研究已經(jīng)做了大量的工作，形成了比較系統(tǒng)的理論技術(shù)，主要的有漏電感法、電壓電流比法、功率損耗法、漏電感法等。在此就針對漏電感法和電壓電流比法對匝間短路進行判斷和分析，因為只有很好的判斷出匝間短路保護才能更好的保護電壓器不受很大程度的損害。

2.1 漏電感法

漏電感法只是參數(shù)上比短路法差了一個角頻率。有研究者提出以變壓器回路方程作為參數(shù)辨識模型，利用最小二乘算法進行繞組漏電感參數(shù)實時辨識從而實現(xiàn)繞組匝間短路在線監(jiān)測方法。其原理分析如下所述。

(1)變壓器繞組的漏電感由縱、橫向漏電感組成。一般橫向漏電感比縱向小得多。根據(jù)電磁場中電感的定義，繞組的漏電感表示為:

式中，為與繞組交鏈的漏磁通，N為繞組匝數(shù)，i為流過繞組的電流。因漏磁通主要沿非鐵磁材料閉合，它與流過繞組中的電流成線性關(guān)系:=Ni，為漏磁通所經(jīng)過磁路的磁導(dǎo)。則式(1)變?yōu)?

由式(2)可以看出，對于匝數(shù)確定的變壓器繞組，其漏電感值與漏磁通所經(jīng)過的磁路的磁導(dǎo)成正比。因漏磁通是經(jīng)非磁性物質(zhì)閉合的，磁路不會飽和，是常數(shù)，故漏電感值的大小取決于繞組的尺寸、形狀及布置方式。

(2)基于回路方程的變壓器參數(shù)辨識方法

辨識的3要素是數(shù)據(jù)、模型、準則。辨識是按一個準則在一組模型類中選一個與數(shù)據(jù)擬合最好的模型。變壓器是由磁場耦合將幾個電路聯(lián)結(jié)在一起的電氣元件，電壓回路方程描述了變壓器特定物理結(jié)構(gòu)。故選變壓器回路方程為其參數(shù)辨識方法模型。為了說明基于回路方程的變壓器漏感參數(shù)辨識基本原理，采用單相雙繞組變壓器模型，見圖1。雙繞組單相變壓器正常運行的回路方程關(guān)系式為:

式(3)中，R1、L1為一次側(cè)電阻和漏感;R2、L2為二次側(cè)電阻和漏感(已歸算到一次側(cè));準m為勵磁電阻和電感。通過式(3)消去準.并變形可得

式中，u1、u2、i1、i2為原、副邊繞組的電壓、電流;n、L1、L2、N1、N2為原、副邊繞組的電阻、漏電感、匝數(shù)、互感磁通(包括流經(jīng)鐵心的主磁通及與原副邊繞組都匝鏈的等效漏互感磁通)。

圖1 雙繞組單相變壓器

因互感磁通項包含了B-H非線性特性，消去式(3)、(4)中的d/dt項，同時將副邊側(cè)電壓電流及電阻漏電感值歸算到原邊側(cè)得:

正常運行時變壓器勵磁電流很小，這里忽略不計，設(shè)，原式變?yōu)?

式中，n為繞組歸算到一次側(cè)等值電阻;L為繞組歸算到一次側(cè)的等值漏電感。利用廠家提供的短路電抗xk，可得出廠繞組的等值漏電感值。當(dāng)原、副邊繞組變形，Lk=xk/ω(ω為角頻率)的值發(fā)生變化，根據(jù)式中實時辨識的值與相比較，即可判斷變壓器繞組匝間是否發(fā)生了短路。

2.2 電流、電壓比法

正常變壓器無論從高壓側(cè)加壓還是從低壓側(cè)加壓，用雙表(電壓或電流)法進行電壓或電流比測量時，所測變比相等，與加壓側(cè)無關(guān)。在匝間短路狀態(tài)下，用相同方法進行同一測量，所測變比隨加壓側(cè)不同而異。模擬實驗表明，即使高壓側(cè)存在5%短路匝，如從高壓側(cè)加壓，用雙電壓表進行故障測量時，所測變比差在允許測量誤差1%范圍內(nèi)。而從低壓側(cè)加壓，在相同情況下，所沒變比竟高達30%以上。對于匝間短路處于低壓側(cè)，在不同側(cè)加壓下的變比(電壓比)偏差，模擬試驗則會得出與上述完全相反的結(jié)論。

當(dāng)用雙電流表測量故障電流比時產(chǎn)生的變比偏差，對于不同故障側(cè)及不同加壓側(cè)，模擬試驗也會分別得出不同的結(jié)論。

對于配電變壓器，根據(jù)之前理論分析及模擬試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論:

(1)高壓側(cè)加壓，電壓比變化不明顯，低壓側(cè)加壓，電壓比減少顯著，故障在高壓側(cè)。

(2)低壓側(cè)加壓，電壓比變化不明顯，高壓側(cè)加壓，電壓比顯著增大，故障在低壓側(cè)。

(3)低壓側(cè)加壓，電流比變化不明顯，高壓側(cè)加壓，電流比顯著減少，故障在高壓側(cè)。

(4)高壓側(cè)加壓，電流比變化不明顯，低壓側(cè)加壓，電流比顯著增大，故障在低壓側(cè)。

3 監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展總結(jié)與展望

3.1 監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

隨著電子技術(shù)的進步及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器、光纖傳輸及新測量技術(shù)的提高，為匝間短路的在線監(jiān)測創(chuàng)造了良好的條件。基本變壓器短路阻抗及阻抗中的電感分量與繞組的幾何尺寸及相對位置有關(guān)，近年來通過在線監(jiān)測變壓器短路電抗變化來分析繞組狀況的技術(shù)正逐漸得到重視。變壓器在線監(jiān)測整體故障定位功能由于易受到強干擾而止步不前。江西電科院通過改進電流、電壓比法，可以成功實現(xiàn)故障定側(cè)，為狀態(tài)檢修提供新的有效狀態(tài)監(jiān)測量。其認為匝間短路狀態(tài)下，用相同方法進行同一測量，所測變比隨加壓側(cè)不同而異。即使高壓側(cè)存在5%短路匝，如從高壓側(cè)加壓，用雙電壓表進行故障電壓比測量時，所測偏差竟在允許范圍內(nèi)。而從低壓側(cè)加壓，在相同測試情況下，所測變比偏差竟高達30%以上。對于匝間短路處于低壓側(cè)，在不同模擬實驗則會得出與上述完全相反的結(jié)論。國外近幾年受技術(shù)與經(jīng)濟限制，匝間短路在線監(jiān)測研究主要集中在通過配電變壓器建模仿真尋求匝間短路預(yù)警標準。Bastard利用EMTP中的BCTRAN對三相雙繞組變壓器建模。通過不斷提高阻抗矩陣階數(shù)，在將故障繞組劃分為三級次級線圈后，終于實現(xiàn)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相符。現(xiàn)行有關(guān)變壓器繞組建模、仿真研究存在兩個側(cè)重點，一是通過變壓器電流等效模型來推算故障變壓器電氣參數(shù)，另一個則是通過磁路進行推算。在之前大量研究基礎(chǔ)上Behjat創(chuàng)新性地提出電路耦合有限元分析法(FEM)仿真故障變壓器，并通過試驗驗證故障特征量的變化。Behjat發(fā)現(xiàn):無論故障在哪側(cè)，初級電流均會增大;而次級電壓、電流減少僅會存在故障存在二次側(cè)，初級故障時次級終端電氣參數(shù)不發(fā)生變化。Behjat同時將用于離線檢測的頻率響應(yīng)法改進，發(fā)展出了一種傳遞函數(shù)技術(shù)來探測繞組故障——掃描頻率響應(yīng)分析法(SFRA)，實驗的結(jié)果已經(jīng)表明SFRA法對短路匝數(shù)的敏感度可以達到0.2%，其效果非常顯著，而且監(jiān)測的時效性也有保證。Z.G.Hao利有最小二乘法分析磁路等效方程，深入剖析電壓、電流與內(nèi)部漏磁通變化關(guān)系，提取出不同的在線監(jiān)測特征量及其閾值，并形成預(yù)警與保護相協(xié)助的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 監(jiān)測技術(shù)的展望

展望未來隨著網(wǎng)絡(luò)和新材料新工藝的發(fā)展，配電變壓器匝間短路的在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢第一就應(yīng)該是基于靈活的組網(wǎng)進行信息傳輸解決點多面廣難以低成本組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，其次綜合國內(nèi)外先進的產(chǎn)品前端設(shè)備最重要的一個趨勢是綜合的使用多種判別手段進行互相指正判別故障，加之隨著傳感器的發(fā)展未來的配電變壓器匝間短路的在線監(jiān)測系統(tǒng)將是一種綜合多種技術(shù)手段的精確判別系統(tǒng)。

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