電力變壓器繞組狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

楊強(qiáng)令

（山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037000）

0 引 言

電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備中，電力變壓器極為重要，電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行決定著安全、可靠的供電[1]。目前，由于國內(nèi)的電力行業(yè)發(fā)展迅猛，電網(wǎng)容量不斷增加，對(duì)超高壓和特高壓電力系統(tǒng)的需求量逐漸提高。由于建立了容量大、區(qū)域大的互聯(lián)和西點(diǎn)東送等復(fù)雜系統(tǒng)，因此對(duì)我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

1 電力電網(wǎng)中變壓器的作用

1.1 變壓器功能

1.1.1 使用變壓器控制輸出電壓

電器設(shè)備正常工作時(shí)的電壓是電器的額定電壓值，也是電器允許的最大電壓。因?yàn)樵O(shè)備或者設(shè)備的型號(hào)不同，所以具有不同的額定電壓值，為了保證設(shè)備正常運(yùn)行，往往需要使用變壓器控制輸出電壓，其主要通過變壓器內(nèi)部原副線圈的匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)[2]。

1.1.2 利用變壓器原理設(shè)計(jì)互感器

眾所周知，電流電壓表在測(cè)量交流電壓或者電流時(shí)均具有一定的測(cè)量范圍，不允許直接接觸大電壓或者強(qiáng)電流，為了便于測(cè)量，往往采用變壓器調(diào)整高電壓或者強(qiáng)電流，使其達(dá)到測(cè)量范圍內(nèi)，這種變壓器就叫做互感器。舉例來說，就是將變壓器的原線圈與被測(cè)電路串接，將副線圈接入儀表內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量。

1.1.3 運(yùn)用變壓器高壓輸電

發(fā)電廠在輸送發(fā)電機(jī)的電能時(shí)，一般采用高壓輸送的形式傳輸電能，其主要利用變壓器對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)行先升壓再傳輸?shù)姆绞?。采用這種方式原因是當(dāng)輸電功率相同時(shí)，若傳輸電壓較高，則電流較小。采用這種方式可以最大程度減小電流，進(jìn)而減少電流熱損耗和遠(yuǎn)距離傳輸成本。

1.2 變壓器故障對(duì)電網(wǎng)的影響

一般可將變壓器的故障按內(nèi)外的形式進(jìn)性劃分，變壓器內(nèi)部故障就是油箱內(nèi)部[3]，主要為變壓器的內(nèi)部鐵芯燒毀、匝間短路、線圈的層發(fā)生相間短路以及接地短路等。對(duì)變壓器來說，如果發(fā)生上述故障，極易產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致絕緣物質(zhì)氣化，進(jìn)而引起爆炸。因此，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行切斷處理。相對(duì)來說，油箱外部即為外部故障，主要為引出的線路與絕緣套管發(fā)生相間與接地短路，極易造成繞組、鐵芯等產(chǎn)生形變，從而影響性能。

1.2.1 變壓器的內(nèi)部故障及危害

變壓器內(nèi)部發(fā)生的主要故障為匝間短路、相間短路和單相接地。其中：匝間短路指內(nèi)部單項(xiàng)繞組的各匝之間產(chǎn)生短路現(xiàn)象；相間短路指發(fā)生在各相繞組之間的短路；單相接地發(fā)生在引出線與外殼或單相繞組之間。由于變壓器產(chǎn)生內(nèi)部故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)較高的短路電流，其具有較高溫度的電弧，能夠分解變壓器中的油與絕緣材料生成大量熱氣，促使變壓器外形產(chǎn)生形變。同時(shí)，由于高溫會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部繞組和鐵芯等被燒毀，甚至造成變壓器產(chǎn)生爆炸。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行切除處理。

1.2.2 變壓器外部的故障及危害

變壓器油箱以外為外部故障，指引出線和絕緣套管發(fā)生的故障。變壓器的外部故障一般為兩種：一為相間短路，指引出線之間產(chǎn)生的短路現(xiàn)象；二為單相接地短路，指絕緣管網(wǎng)絡(luò)被破壞而產(chǎn)生的故障。變壓器外部故障會(huì)導(dǎo)致低高壓繞組、鐵芯、夾件等發(fā)生形變。

2 繞組變形檢測(cè)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的變壓器繞組變形檢測(cè)中，頻率響應(yīng)法是靈敏度較高的方法，并且具有現(xiàn)場使用方便的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，是檢測(cè)繞組變形的主要方式。目前，研究頻率響應(yīng)方法主要通過參數(shù)模型、測(cè)試數(shù)據(jù)等方式實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)頻響應(yīng)，已有文獻(xiàn)指出，可以通過在線的形式分析線性信號(hào)，進(jìn)而在線監(jiān)測(cè)繞組的形變狀態(tài)。

2.1 頻響法檢測(cè)研究

若系統(tǒng)在較高的電壓頻率狀態(tài)下，可將變壓器的繞組比作具有分布線性的電阻、電感、電容等構(gòu)成的雙口無源線性網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)繞組發(fā)生任何物理變化時(shí)，電感和電壓的特性會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，引起內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中電感和電容的分布參數(shù)發(fā)生變化，使傳遞函數(shù)原本的極點(diǎn)和零點(diǎn)偏離，導(dǎo)致頻率響應(yīng)特性產(chǎn)生變化[4]。事實(shí)上，離線短路電抗法遠(yuǎn)低于離線頻率響應(yīng)法，頻率響應(yīng)法更加可靠、準(zhǔn)確、靈敏。由于現(xiàn)有設(shè)備均使用離線短路的方法，因此無法直接繼承頻率響應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，變壓器的繞組具有工程特性，可繼承離線算法的成果。因此，有必要充分吸納繞組發(fā)生變行狀態(tài)的在線資源，有效解決實(shí)際工程難題，為理論問題的攻克提供依據(jù)。

變壓器繞組的故障可以通過參數(shù)的形式體現(xiàn)出來，將繞組類比于由電感、電阻、電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，等效的無源分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)在此不做展現(xiàn)；將每匝和每一個(gè)線圈比作一個(gè)單位建立的n級(jí)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)；將各級(jí)電路比作電感、縱向電容（匝間電感或匝間電容）、對(duì)地電容。為了確保模型數(shù)據(jù)更加可靠，上下邊緣的參數(shù)與其他參數(shù)不同，且不均勻分布。Ri表示繞組每匝所具有的電阻數(shù)值，Li為繞組每匝電感或每餅電感，Ki為縱向電容，Cgi為繞組對(duì)地電容。如圖1所示，按上述模型可設(shè)繞組的軸線長度為L，其他參數(shù)可用繞組投運(yùn)前和檢修后的數(shù)據(jù)作為參考。

圖1 繞組的平面簡化圖

系統(tǒng)的函數(shù)中，x軸作為繞組軸線，將零點(diǎn)作為繞組軸線的中心位置。當(dāng)距離軸線的中心位置為aL h(a＜1/2，設(shè)為調(diào)節(jié)系數(shù))時(shí)，用Lc、Kc、Cgc表示繞組單元；當(dāng)相反時(shí)，使用如下函數(shù)進(jìn)行表示：

由式（1）可知，函數(shù)中i為繞組單元的序號(hào)，可通過調(diào)整a的數(shù)值與函數(shù)，將模型與繞組測(cè)量端的電壓與電流進(jìn)行對(duì)應(yīng)，但模型的各個(gè)參數(shù)應(yīng)相等或小于實(shí)際電感電容值。

2.2 振動(dòng)帶電檢測(cè)法

振動(dòng)分析法指從機(jī)械動(dòng)力學(xué)原理的角度出發(fā)，分析繞組的振動(dòng)信號(hào)，有效監(jiān)測(cè)、確定繞組狀態(tài)，這種方式最早由俄羅斯的研究者在變壓器現(xiàn)場使用，之后逐漸引起國內(nèi)外研究者進(jìn)行探究。現(xiàn)今數(shù)據(jù)表明，相比于頻率響應(yīng)方法、短路電抗法來說，使用振動(dòng)分析法可以更加便捷、快速發(fā)現(xiàn)繞組松動(dòng)或變形的故障，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，但對(duì)實(shí)際工程來說，這項(xiàng)技術(shù)的推廣價(jià)值較小。

大多數(shù)繞組發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象是由于漏感和線圈中相互作用的電流力造成，一般可以將繞組發(fā)生的漏磁分為縱向和橫向兩種形式。由圖2可知，橫向張力Fr為繞組中軸向漏磁，同理軸向壓為Fb；Fr使繞組受到力相互作用，使外部的繞組受力向外，內(nèi)部的繞組受力向內(nèi)；Fb使內(nèi)外繞組受力作用于中心。當(dāng)繞組的形狀發(fā)生改變時(shí)，負(fù)載電流不變，但形變位置的漏磁發(fā)生變化，此時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信息發(fā)生變化，因此振動(dòng)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)繞組的形變狀態(tài)。變壓器的鐵芯、繞組、冷卻系統(tǒng)的振動(dòng)信息會(huì)通過不同的方式傳遞給油箱壁。

圖2 繞組的受力分析

一般情況下，繞組產(chǎn)生振動(dòng)是通過內(nèi)部的油傳遞給油箱，進(jìn)而引起變壓器振動(dòng)。三相結(jié)構(gòu)的變壓器在負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)下，油箱壁接收到的振動(dòng)信號(hào)是每一個(gè)繞組通過介質(zhì)油傳遞，衰減后作用在箱壁疊加的結(jié)果，繞組的振動(dòng)也會(huì)有一部分經(jīng)過緊固器件傳遞信號(hào)，但這部分的信號(hào)大多數(shù)反映在油箱底部。上述說明變壓器各部分信號(hào)的傳播途徑各不相同，但均會(huì)引起變壓器本身發(fā)生振動(dòng)。通常情況下，風(fēng)扇、油泵、冷卻系統(tǒng)的振動(dòng)頻譜在100 Hz左右，與繞組的振動(dòng)大不相同。

3 結(jié) 論

隨著國內(nèi)電壓等級(jí)的不斷提升，對(duì)變壓器運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，本文基于頻響法和振動(dòng)帶電檢測(cè)法兩種方法闡述了其技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀?？傮w來說，帶電檢測(cè)法可在不停電的情況下使用，可以耐受多次短路沖擊，反映出變壓器抗短路能力的變化，是一種保持變壓器運(yùn)行穩(wěn)定性，維護(hù)電網(wǎng)安全的有效檢測(cè)方法。