電力變壓器繞組變形檢測新技術的應用

鮮開強

（國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心，江蘇 南京 210019）

0 引 言

變壓器作為電力系統中最為關鍵的部分，其重要性毋庸置疑。獨特的結構與功能使得其在保證故障信息檢測及時性方面有著得天獨厚的應用優勢。在變壓器的日常使用過程中，繞組變形故障的發生頻率相對較高，技術的不斷發展使得用于繞組變形故障檢測的技術也有了更新。短路阻抗法與振動帶電檢測法的應用流程也已經逐漸成熟，并在應用過程中積累了大量成功的經驗。從實際應用效果來看，兩種檢測方法各有優缺點。其中，振動帶電檢測法雖然靈敏度較高，但受到周圍電氣因素影響的幾率卻較大，短路阻抗法雖然在繞組變形較為嚴重時能夠凸顯出其應用優勢，但相對來說靈敏度低得多。因此，在實際將兩種方法應用至變形檢測過程中時，應選擇性的將兩種方式有效結合，從而為進一步提高故障的判斷準確率奠定基礎。

1 電力變壓器繞組變形檢測技術的研究現狀

自上世紀起，變壓器的繞組變形檢測技術就已經成為了國內外諸多專家學者們研究的重點內容。隨著電力系統的更新與成熟應用，使得當下該技術受到了越來越多的重視，最為突出的表現就是我國在2000年正式將繞組變形試驗作為判斷變壓器是否符合出廠要求的必須內容。

在變壓器出廠后通常需要檢測其繞組，無論是出廠、安裝還是運行過程中均會對變壓器進行常規檢測，在發生故障后還會做全面檢測，以保證其滿足應用標準[1]。檢測項目主要為判斷其是否出現位移或變形等異常現象。變壓器繞組變形指的是其幾何形狀、溫度以及各項電氣參數等相較于以往發生了較為明顯的改變。

一旦變壓器受到了諸如短路等嚴重內外部沖擊后，負責維護變壓器的單位會通過常規的電氣試驗判斷其絕緣能力是否受到影響。從檢查結果能夠看到，多數變壓器電氣試驗與絕緣分析的參數均在標準范圍內，但在吊罩檢查中卻發現繞組出現了多處變形，且其部分位置的絕緣墊塊處于嚴重松動的狀態。從這一點可以看出在油化試驗與常規電氣試驗中，并不能及時且全面的發現變壓器繞組缺陷[2]。吊罩檢查雖然能夠較為直觀的展現出變壓器缺陷，但應用此種方式卻需要耗費大量的時間與資金，并且在判斷變壓器內側繞組時仍然有一定困難。

為確保電力系統的應用安全，完善吊罩與常規電氣試驗檢查方法的不足之處極為重要，在深入分析變壓器繞組變形的多個事例后，形成了幾種相對來說較為成熟且應用效果較好的檢測方式，其中較為典型的包括短路阻抗法、振動帶電檢測法以及低壓脈沖法等。但從其實際應用效果來看，這些檢測方式仍有一定的進步空間。

2 變壓器繞組變形的主要原因

導致變壓器繞組出現變形的原因有很多，但主要可歸結為由于短路所產生的強電流沖擊、安裝或運輸不當使變壓器受到沖擊、保護動作不按預設標準執行任務以及繞組本身無法承擔短路故障4種。

2.1 短路故障電流

短路故障電力沖擊是一種較為常見的變壓器故障現象，常見的包括近距離短路與變壓器出口短路[3]。在短路電流過大的情況下，變壓器繞組所承受的電動力極大。此時電動力相較于正常運行電動力要高出幾十倍，這也是繞組在此種條件下迅速發熱的根本原因。而由于溫度極速升高，會使得連接繞組各類線材的機械強度同時降低，繼而導致繞組變形。

2.2 運輸碰撞

不僅僅是運行過程，在變壓器的安裝與運輸過程中也極易出現由于外界因素而導致其受到沖擊，如運輸電波、器材振動以及相互碰撞等。從而增大了變壓器的損傷風險，導致出現繞組變形現象。若是沒有及時發現這些由于外力而導致的內部或外部結構缺陷，將極易產生注入繞組短路或是絕緣損傷等事故。

2.3 保護失靈

氣體保護與差動保護是電網中常見的繼電保護配置方式。但由于部分變電所設備布置的特殊性，使得變壓器差動保護區外經常會出現斷路器與電流互感器之間發生故障的現象。此時，即使斷路器做出了跳閘保護動作，也無法確保完整切除故障，由變壓器作為供給源頭的短路電流并沒有消失[4]。由于部分電網區域僅僅只有幾臺電力設備，連接導線與電壓器臺數均較少，因此電力系統維護人員會認為此處發生故障的概率極小，從而忽視對這一區域的日常維護。但往往在這樣的區域，一旦出現保護動作失靈情況，變壓器將會承擔極長時間的不穩定短路電流，在無法保證及時發現事故并處理的情況下，極易增大繞組變形事故的發生風險。

2.4 繞組的短路承受能力達不到應用標準

若變壓器繞組出現短路，那么在短路電路瞬間增大的條件下，變壓器極有可能因為無法承受巨大的電流沖擊而發生變形。以某處電力變壓器為例，在互感事故中其35 kW側位出現了三相短路現象，不僅引線支架有多處斷裂，而且變壓器繞組也有明顯變形。即使出現短路現象所出現的短路電流也只有105 A，遠遠小于設定的變壓器承受標準，這就說明其短路承受能力不足[5]。由于承受能力不足而導致出現嚴重變壓器事故的例子比比皆是，已經逐漸成為了影響其運行安全的主要危險因素。

3 掃頻短路阻抗法

該種方法實際上是頻響法與短路阻抗法的結合，應用該種方式能夠較為輕松的計算出50 Hz以下變壓器的短路阻抗值。另外，其在獲得頻率響應幅頻特性和判斷變壓器繞組狀態時也能確保其判斷的有效性，并完整分析其依據。

3.1 基本原理

具體的掃頻阻抗法的測試接線原理圖如圖1所示。寬頻功率放大器、測量裝置以及DDS掃頻信號發生器為測試系統的主要組成部分。在對其進行測試時需要以短路阻抗法的接線方式為依據，將變壓器副邊短接，并在原邊處增大掃頻信號的功率，從而在測量裝置的幫助下測量響應信號與激勵信號[6]。而在變壓器出現二次側短路的情況下，此時相較于正常狀態DDS的掃頻信號頻率較低，對應的寬頻功率放大器為確保系統的正常應用效果需要輸出相對較大的功率與電流。隨著掃頻信號的增強，電力變壓器的內部鐵芯的作用卻在不斷下降[3]。感抗增強的同時，寬頻功率放大器輸出信號的功率卻有明顯降低，但此時信號的幅值卻要大得多，也正是由于這一原因提升了其抗干擾能力。

圖1 掃頻短路阻抗法繞組變形測試原理圖

頻率響應的公式為：

從式（1）可發現，從對數性質角度來看，實際上頻響曲線與短路阻抗曲線繪制機理并無太多差異，最為明顯的不同就是U1（f）與U2（f）之間的關系為倒數，但表現的點位也僅僅是波峰與波谷的反向，從其整體繪制情況來看二者趨勢完全一致[7]。而若處于高頻段，此時的短路阻抗曲線與頻響曲線之間呈現較為明顯的負相關性，此時可以考慮將短路阻抗曲線轉化為頻響曲線，并以頻響法為依據判斷其繞組是否出現變形。

3.2 現場測試與結果分析

為驗證應用掃頻短路阻抗法是否符合現場的應用標準，需要對其各項參數進行測試，包括測試電壓等級和接線組別等不同的變壓器。利用掃頻短路阻抗法后能夠獲得50 Hz的短路阻抗值，將該數值與銘牌值相比較后能夠較為輕松的判斷出繞組是否發生變形，其所對應的數據精度滿足實際的測量需要。這種方式無論是對于測試設備的容量要求還是測試方法的應用簡便性方面，均會凸顯出較為明顯的優勢。應用掃頻短路阻抗法獲得的頻響曲線相較于傳統頻響曲線，無論是在波峰波谷還是中高頻段的差別都微乎其微[8]。因此，在掃頻短路阻抗法應用下獲得的頻響曲線完全能夠從根本上反映出變壓器繞組的頻響特性，且相關數據在判斷變壓器繞組變形過程中也符合標準要求。

3.3 測試結果靈敏度

將掃頻阻抗法應用至低頻段等效低電壓短路阻抗測試電路時，需要考慮到的因素包括試驗電壓、電源諧波以及50 Hz同頻干擾等。若沒有提前針對這些因素制定對應方案，那么測試結果將會受到嚴重影響，繼而失去其應用價值。需要注意的是，由于選擇的測試電源是功率放大器與掃頻信號源的結合，因此無需考慮試驗電源電壓與諧波。在面對50 Hz同頻干擾因素時，由于其在掃頻阻抗方面（45～55 Hz）包含了多項測試結果，因此能夠以差值的方式對其進行隨時修正，確保測試數據不會受到此項干擾因素的影響。

應用掃頻阻抗法時需要將兩側中的一側短接，另一側注入掃頻信號，并以大功率電源作為導頻信號源[9]。在低頻段條件下應用導頻阻抗法無論是抗干擾性還是穩定性都有所增強，而在中高頻段條件下也具有不遜色于頻率響應分析法的應用靈敏度。

4 振動帶電檢測法

需要特別注意的是，變壓器在出現繞組變形后無論是其內部結構還是機械特性都發生了改變，在這種情況下通過監測其振動特性的方式能夠較為輕松的判斷出系統是否與設備建立了有效的電氣連接。采用振動檢測法進行檢測實現了不斷電狀態的變壓器測試，技術應用更加方便，同時也降低了試驗對電力系統正常應用的影響。

4.1 基本原理

所謂繞組的震動簡單來說就是由于出現了漏感現象。在該種現象的影響下，線圈中存在的電流相互作用后能夠產生較強的電動力。通常對繞組來說，軸向漏磁與輻向漏磁是其漏磁場的主要分類，具體情況如圖2所示。在輻向張力的影響下，此時的變壓器振動信息將會有不一樣的表現，這也是為什么針對繞組進行振動檢測能夠判斷出其機械狀態的主要原因。繞組的具體受力情況如圖3所示。

圖2 漏磁場的具體分布情況

圖3 繞組的具體受力情況

若是繞組運行處于理想條件與狀態，變壓器繞組此時的振動加速度的大小與繞組電流平方成正比，對應所產生的加速度信號是電源頻率的2倍。從實際情況來看，變壓器自身繞組絕緣墊塊材料由于具有非線性特性，產生的振動信號中存在頻率為100 Hz的倍頻諧波，其中同樣包括另外的諧波分量[10]。另外，由于繞組工作時間較長，帶負荷運行的情況下必然會出現緊固件松動或受到短路沖擊現象的影響，繼而導致繞組出現形變。對于振動頻譜來說，其高次諧波也將隨這一狀態的變化而逐漸增大。

4.2 現場測試與結果分析

為進一步驗證振動帶電檢測法的現場測試效果，需要結合實際情況確定不同變壓器的測試參數，分別測試電壓等級與接線組別不同的變壓器。從最終的測試結果來看，變壓器不同，振動信號的時域波形也有所差異，無論是變化規律還是畸變程度的差別均較為明顯。在對比分析不同的變壓器繞組振動信號頻譜后，能夠從對比結果中知曉此時的繞組振動信號的基礎頻率為100 Hz，這一數據結果與預期的理論分析數值相同，而高次諧波的含量與繞組信號相比卻要小得多，這也是產生的時域波形與正弦波更接近的主要原因。統計分析多項測試結果可知，不同類型變壓器的振動信號頻段多集中在100～300 Hz。

4.3 影響測試結果的主要因素

若變壓器所處的工作狀態特征為多場耦合，那么對應變壓器的振動表現將會較為復雜，且具有綜合性較強的特點。此時產生出的振動信號所對應的故障信息則更容易受到外界因素的影響，如變壓器的運行條件等。

變壓器繞組與鐵芯等共同產生的振動中，繞組變形的振動測試結果受到鐵芯振動的影響較大，并且所獲得的測試數據與變壓器的自身負載功率因數有著緊密聯系。總結分析振動情況可知，功率因素越大，變壓器的箱體振動信號（基礎頻率分量）也會越大。振動信號與傳感器的安裝位置同樣有著極為緊密的聯系，從多次小范圍試驗結果中能夠看到，即使位置僅偏差3 cm，振動信號也將會受到極大的影響。此外，箱體的振動信號與變壓器的風扇是否開啟有著關聯關系，因此針對該種情況應盡量避開風扇組。

5 結 論

在經過多年應用后，無論是低電壓短路阻抗法還是頻率響應法都已經逐漸成熟，應用經驗的大量積累在標準完善的條件下充分凸顯了各種方法的應用優勢。但從實際應用效果來看，兩種方法在應用時存在各自的優缺點。因此，在選擇應用這兩種方法時應根據現場的情況結合二者的應用優勢，從而進一步提升判斷準確性。低電壓短路阻抗法與頻率響應法的不足之處能夠通過利用掃頻短路阻抗法完善，不僅能夠有效解決干擾問題，而且還能提高繞組變形診斷時的準確性。雖然已針對常見現場檢測技術的應用情況出臺了相關標準，但仍然需要對指標的準確性進行試驗驗證。振動帶電檢測法無需斷電即可完成試驗，是判斷繞組變形的重要方式。但在應用此種方法時，需要以仿真分析的方式判斷指標是否準確，之后通過進一步完善以提高檢測結果。