測試引線狀態對變壓器掃頻阻抗特性的影響研究

侯峰，劉勇 ，張耘溢，馮洋，尹松

(1.國網寧夏電力有限公司培訓中心，寧夏 銀川 750011；2.中原工學院電子信息學院，河南 鄭州 450007;3.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安710049;4.國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

變壓器主要承擔著電網中的電能轉換、分配及傳輸作用[1]，因此，變壓器一旦發生故障將直接影響電網的安全穩定運行[2]。據統計，繞組變形是引起變壓器故障的主要原因之一，其占比可達19.4 %[3]。及時發現及修復變壓器繞組變形可有效延長變壓器運行壽命，對保持電力系統的穩定運行具有重要的意義。頻率響應分析法及短路阻抗法是目前被廣泛應用于變壓器繞組變形檢測的2種方法[4-6]，然而，現場測試結果表明上述2種方法存在不足之處[6-8]：頻率響應分析法的測試結果易受外部電磁干擾影響，短路阻抗法不僅靈敏度較低，且其所獲取的繞組狀態信息亦較少。為了解決上述問題，提出了一種新型繞組變形測試方法——掃頻阻抗法。研究結果表明，這種方法相較于頻率響應分析法及短路阻抗法具有更好的抗干擾能力、更豐富的繞組狀態信息，以及更明確的繞組變形診斷判據，故該方法得到了越來越廣泛的研究及應用[7-13]。

目前，利用掃頻阻抗法對變壓器繞組變形進行檢測時，考慮的影響因素主要是激勵源電壓等級、局部放電，以及接地線長度[8-10]等，但測試系統引線對檢測結果的影響則未引起相關的關注。為了提高現場測試的準確性，避免由外部干擾造成的繞組變形誤判，本文基于掃頻阻抗法測試原理，搭建實驗室測試系統，利用1臺10 kV單相變壓器，研究及分析不同測試引線狀態對掃頻阻抗曲線及其診斷判據的影響。

1 掃頻阻抗測試方法

1.1 掃頻阻抗測試原理

掃頻阻抗法結合了頻率響應分析法及短路阻抗法的優點，其測試結果與頻率響應曲線相似，包含了寬頻帶的變壓器狀態信息，且曲線50 Hz處阻抗值等效于變壓器的短路阻抗值，故其可利用較為成熟的短路阻抗判據對變壓器繞組狀況進行判定[11]。常規的掃頻阻抗測試系統一般由上位機、信號發生器、功率放大器、數據采集卡，以及實驗變壓器所組成，如圖 1所示。

圖 1 掃頻阻抗測試接線

測試時，信號發生器產生一個幅值為±5 V，頻帶為10 Hz～1 MHz的正弦電壓信號，該信號幅值經功率放大器放大為原信號的10倍后，加載于被測變壓器的一次側(或二次側)繞組，此時該變壓器的二次側(或一次側)繞組短接；然后，利用數采卡同步獲取變壓器繞組首、末端采樣電阻R1和R2上的激勵信號Ui及響應信號Uo，從而可得變壓器的掃頻阻抗Z為

(1)

已知電流I1=Uo/R2，將其帶入式(1)，可得

(2)

將式(2)進一步展開：

(3)

式中：Ui，θi—激勵信號的幅值及相位；

Uo，θo—響應信號的幅值及相位。

在實際測試中，不同頻率下的變壓器掃頻阻抗值差別較大，為了便于觀察及分析，常利用式(3)獲取的變壓器掃頻阻抗值Z進行對數轉換，如

Zk=20×log10(Z)

(4)

當變壓器繞組發生變形時，其掃頻阻抗值(Z或Zk)與正常情況相比會出現相應的變化，因此，利用上述特性即可實現判斷變壓器繞組狀態的目的。

1.2 掃頻阻抗診斷判據

現場應用中，掃頻阻抗法一般采用相對互差絕對值及相關系數對繞組是否存在變形進行量化判定。

1.2.1 相對互差絕對值

掃頻阻抗法的相對互差絕對值ΔZ是指變壓器掃頻阻抗50 Hz處的測試值Zm與參考值Zr間的相對互差絕對值，具體為

(5)

式中：Zr— 一般為正常變壓器的50 Hz處阻抗值。

當被測變壓器的相對互差絕對值△Z>2.0 %時，可認為該變壓器存在繞組變形的可能性，應立即對其進行停機檢修[14]。

1.2.2 相關系數

相關系數R能夠量化表示2條變壓器掃頻阻抗曲線的相似度，具體計算為

(6)

式中：

(7)

式中：Xi，Yi—變壓器掃頻阻抗的測試數據及指紋數據(一般為正常變壓器的掃頻阻抗數據)。

相關系數R與繞組變形程度的關系如表 1所示[15]。

表1 相關系數與變壓器繞組變形程度的關系

表1中，RLF，RMF和RHF分別表示2條掃頻阻抗曲線在低頻段(1～100 kHz)、中頻段(100～600 kHz)和高頻段(600 kHz～1 MHz)時的相關系數。

2 實驗設置

為了研究測試系統引線對掃頻阻抗曲線及其診斷參量的影響，使用了1臺10 kV單相雙繞組變壓器，其內部絕緣、引線等結構均是仿照110 kV變壓器制成，如圖 2所示。

圖2 單相實驗變壓器

實驗時，測試系統的2根引線A、B(長度皆為15 m)以2種不同的模式連接于單相實驗變壓器高壓繞組的首、末端套管，具體如圖 3所示。

(a)模式1

由圖3可知，按照形狀及位置的不同，接線模式1和2中的測試引線A、B可劃分為3段，具體如下：

對于模式1而言，A、B第1段引線長度為0.5 m，其沿固定件縱向向上，最后連接于繞組套管；兩者第2段引線長度為1 m，其沿油箱側面縱向延伸；第3段引線長度為13.5 m，其水平連接于測試系統，如圖3(a)所示。

模式2中的A、B第1段引線長度為10 m，經固定件纏繞成螺旋結構后，連接于繞組首、末端套管；除第3段引線長度減少為4 m外，兩者其他引線設置與模式1相同，如圖3(b)所示。

3 試驗結果及分析

基于上述實驗接線，對單相變壓器進行測試，獲取了2種系統引線接線模式下的掃頻阻抗曲線，如圖 4所示，其中，測試引線A、B分別連接的繞組首、末端套管亦為掃頻信號的激勵端及響應端。

(a)頻率為10 Hz～1 MHz時的掃頻阻抗曲線

如圖 4所示，當頻率小于600 kHz時，2種接線模式下的變壓器掃頻阻抗曲線基本重合，而當頻率超過600 kHz時，2條曲線開始出現明顯的差異，具體表現為接線模式2的曲線幅值在850 kHz左右分別處于大于和小于接線模式1的狀態。

經分析發現，圖 4中的曲線變化主要是由接線模式2中的引線螺旋結構(見圖 3)提高了整體測試系統的電感引起，但相比于接線模式1，接線模式2的電感增量較小，故頻率小于600 kHz時，該電感增量在阻抗曲線中的體現并不明顯，因此2種接線模式的阻抗曲線基本重合。隨著頻率的升高，引線螺旋結構引起的接線模式2的電感增大作用開始逐步顯現，所以頻率為600～850 kHz時的接線模式2的掃頻阻抗曲線幅值大于接線模式1。當頻率超過850 kHz時，測試引線的對地電容因素開始主導掃頻阻抗曲線的走勢。由于接線模式2位于油箱頂蓋上的測試引線更長，所以造成其對地電容相對較小。已知對地電容與旁路電流為正相關，由圖 1可知此時繞組末端響應電壓Uo增大，因此由式(2)獲取的接線模式2的掃頻阻抗值會在850 kHz以上頻率出現小于接線模式1的現象。

利用式(5)和式(6)，得到2種接線模式下的掃頻阻抗數據的相對互差絕對值及相關系數，分別如表 2和表 3所示。

表2 2種接線模式下50 Hz處阻抗值的相對互差絕對值

表3 2種接線模式下的掃頻阻抗曲線間的相關系數

由表 2可知，2種接線模式下的50 Hz處阻抗值基本相同，且兩者間的相對互差絕對值僅為0.008 %，這進一步表明了兩者阻抗值間的差異基本可以忽略不計。通過表 3可知，2種接線模式的相關系數從低頻段到高頻段呈現逐步減小的趨勢，且該趨勢與兩者的掃頻阻抗曲線特征一致，即隨著頻率的升高兩者的曲線相似度不斷下降。

4 引線狀態對測試結果的影響

根據上述試驗結果可知，測試引線狀態主要影響600 kHz及以上頻率的掃頻阻抗曲線，這與電力標準DL/T 911-2016[12]中指出的繞組存在整體位移故障時的掃頻阻抗曲線變化規律一致。因此，當測試引線狀態改變時，如根據標準中給出的曲線變化趨勢判斷繞組狀態，則現場人員易出現將正常繞組誤判為整體位移故障的現象。

對于診斷判據而言，測試引線狀態改變所引起的變壓器掃頻阻抗的相對互差絕對值極小，基本可忽略不計，故不會對該判據造成影響，但其對相關系數判據的影響則較為明顯。由式(6)和式(7)可知，當2條曲線完全相同時，標準中的相關系數R為10，隨著兩者相似程度的下降，相關系數R的數值減小。因此，表 3中2種接線模式下不同頻段的相關系數(RLF=3.322，RMF=1.936，RHF=1.213)雖仍處于標準中規定的繞組正常的判定范圍之內(即表 1中的RLF≥2.0，RMF≥1.0，RHF≥0.6)，但其高頻段相關系數相較于其他頻段呈現的減小趨勢更為顯著。這表明當測試引線狀態發生改變時，根據變壓器掃頻阻抗的高頻段相關系數極易誤判繞組狀態。

綜上，測試引線狀態變化對相關系數判據和600 kHz及以上頻率掃頻阻抗曲線的影響較大，因此，為準確判斷變壓器繞組是否存在變形，現場實測中應重點參考相對互差絕對值判據。

5 結 論

為了減少對繞組變形的誤判，本文利用1臺10 kV單相變壓器，研究了測試系統引線狀態對掃頻阻抗曲線及其診斷參量的影響，具體結論如下：

1)測試引線狀態改變時，由于受整個測試系統的電感及對地電容的影響，頻率超過600 kHz的變壓器掃頻阻抗曲線會出現較為明顯的變化，主要體現為掃頻阻抗曲線在600～850 kHz時出現上升，大于850 kHz時下降；

2)測試引線狀態的改變基本不會對50 Hz處的掃頻阻抗值產生影響，故現場測試時使用相對互差絕對值能夠更為準確地判定繞組的狀態；

3)測試引線狀態對相關系數的影響較為明顯，尤其是高頻段相關系數。

因此，為了更為準確地判定變壓器繞組狀態，現場進行掃頻阻抗法測試時，應保持前后兩次測試的系統引線狀態一致，否則，可將相對互差絕對值作為主要判據對變壓器繞組狀態進行判定。