大型變壓器設備繞組變形故障診斷技術

李慧，劉永超

（1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250000；2.國網濟南市長清區供電公司，山東 濟南 250300）

0 引言

電力工業是國民經濟發展的基礎性產業，人們的日常生活以及工業生產都離不開電力能源的供應。因此，電力系統運行的穩定性和可靠性對于社會的和諧發展有著非常重要的影響。隨著我國電網規模的不斷擴大，電力設備不斷增多，電網設備的日常維護和故障診斷就成為電力企業運營管理中的關鍵，一旦電網系統發生故障，不僅維修成本高、時間長，而且還會造成大面積停電，造成非常嚴重的負面影響。在電網系統中變壓器設備作為重要的供電設備，對其進行科學合理的日常維護和故障診斷有著非常重要的影響[1]。其中繞組變形是變壓器設備常見故障之一，也是誘發其他類型故障的主要原因。因此，針對繞組變形故障進行快速有效的檢測和診斷，是預防大型變壓器設備故障的重要措施。本文通過變壓器動力學特性對繞組故障進行深入分析，改進現有的故障診斷方法，提升變壓器繞組故障檢測效率，最大限度地確保電網系統安全、穩定的運行。

1 大型變壓器設備工作原理

隨著我國經濟的快速增長，用電需求量不斷上升，為了解決不斷增加的用電缺口，國家電網不斷擴大發電機裝機容量和電網規模，同時在電網自動化管理方面也進行有效的戰略部署。在電網自動化管理過程中，對于設備故障的檢修與維護工作提出了更加嚴格的要求。在電網系統中，一些設備故障會引發大面積的停電風險，對于工業生產和社會發展都會造成一定的負面影響，為了能夠及時發現變壓器故障隱患，提升變壓器設備運行的安全性和穩定性，避免故障造成的停電風險，對大型變壓器設備繞組變形故障診斷進行深入研究是非常必要的[2]。

電力工業使用的大型變壓器設備是用來轉換交流電流、交流電路和特性阻抗的一種電力設備，常見的變壓器是由變壓器鐵芯和電磁線圈構成，電磁線圈有兩個或者更多的繞阻，繞組本身使用導電材料制作，并且在外部覆蓋絕緣層。大型變壓器設備主要工作原理是一次電磁線圈中有交流電路通過時，鐵芯會伴隨產生溝通交流磁通量，并且在二次電磁線圈中造成工作電壓。

2 大型變壓器設備常見故障評價

大型變壓器設備應用范圍廣，故障率較高，根據不同類型，故障表現的形式存在一定差異。常見的變壓器故障包括電路故障、繞組故障、磁路故障以及油路故障等類型。下面就對大型變壓器常見故障進行簡要分析：

2.1 電路故障

大型變壓器設備電路故障主要表現為長時間承受電壓、電流以及強電磁力的沖擊，造成變壓器電路絕緣老化、絕緣受損、電路受潮等問題，進而導致變壓器絕緣失效，變壓器內部結構發生損傷導致導線短路、接地、斷路、擊穿等現象。一旦出現短路故障，短路電流沖擊力會對變壓器內部機械結構造成損傷甚至燒毀變壓器。

2.2 繞組故障

繞組是變壓器的主要零部件，繞組故障也是導致變壓器其他故障和事故發生的直接原因。變壓器設備繞組變形的誘因包括自身結構強度不足、生產制造工藝不合格，容易受到外力影響導致繞組幾何形狀發生不可逆轉的改變，包括繞組線圈位置發生偏移、繞組扭曲以及鼓包等，進而導致繞組承受正常允許的短路電流能力變差。大型變壓器設備一旦出現繞組變形故障，如果不及時進行修復或者更換，將會造成變壓器燒毀或者大面積停電等嚴重事故[3]。

2.3 磁路故障

變壓器主要通過鐵芯中的電流產生電磁感應進行能量傳遞，磁路故障的產生主要是由于鐵芯結構受到損傷或者與接地鐵芯發生碰撞，固定鐵芯的螺栓松動，導致鐵芯松動，工作過程中產生異響，并且出現局部不良接觸從而產生發熱。此外，由于變壓器生產制造工藝缺陷導致鐵芯短路或者多點接地的情況，同樣會引發變壓器磁路故障產生。

2.4 油路故障

變壓器油具有良好的耐高溫性和絕緣性，可以提升變壓器設備的絕緣強度和使用壽命，對于大型變壓器設備有著非常重要的保護作用。變壓器油箱在受到外力作用下會導致機械損傷，造成變壓器滲漏，絕緣油污染，使得原本的絕緣特性受損。一旦變壓器油液進水，不僅會降低變壓器的耐受電壓，而且水分子的存在會對導線造成一定的銹蝕影響，降低變壓器設備的使用壽命。一旦油箱受損，混入雜質使油道堵塞，也會影響散熱，使絕緣過于老化，從而發生短路故障。由于防雷措施不完善，也可能發生絕緣擊穿的情況。此外，變壓器高壓側多采用電容套管、產品質量不合格有沙眼或裂紋，電容本身缺陷，內部游離放電，密封效果差，有漏油現象，套管污穢都可能發生閃絡效應[4]。

3 變壓器故障設備繞組故障診斷系統設計

針對大型變壓器設備繞組故障診斷，比較常用的方式包括：短路阻抗診斷、低壓脈沖診斷、頻率響應診斷以及電容變量診斷法等。

3.1 短路阻抗診斷法

短路阻抗診斷主要是根據變壓器設備負載阻抗繞組的電抗值來判斷其幾何結構，由于變壓器設備繞組電抗值大小主要由繞組幾何結構和位置決定，當繞組受到外力作用產生形變，電抗值隨之改變。因此，可以通過檢測變壓器設備中短路電抗值大小，來判斷繞組是否發生形變。但是在實際應用過程中，由于檢測短路阻抗的靈敏度較低，而且根據短路阻抗判斷繞組形變的分析過程較長，不利于大面積的推廣使用。

3.2 低壓脈沖診斷法

通過檢測大型變壓器設備的低壓脈沖來判斷繞組發生形變的依據，是利用等值電路中，各個單元參數分布轉化成波形上的結構變化，使用高頻響應示波器，將一些微小的變化等效放大，便于清晰直觀的反映出來。然后借助小波分析法去除干擾，準確獲取繞組形變的特征量。該方法相較于短路阻抗診斷法有較強的精確性，但是容易受到電磁因素的干擾，重復性較差。

3.3 頻率響應診斷法

大型變壓器設備在高頻率狀態下工作，可以等效為一個電容、電感分布參數組成的網絡系統，根據頻率響應建立繞組的幾何形狀的函數特征曲線，當繞組結構發生改變時，函數特征曲線會發生改變，根據函數特征曲線推算出變壓器繞組的結構狀態。頻率響應診斷法通過軟件分析減少了大量的檢測儀器設備，因此應用成本較低，并且有效的避免了電磁干擾的影響，重復性較強，目前在大型變壓器設備繞組故障診斷中的應用較為廣泛。

3.4 電容變量診斷法

變壓器設備在工作過程中可以視為一個電阻、電容、電感的網絡結構，繞組的等值電容可以直接反映出繞組與周圍環境之間的相對位移。在正常情況下，繞組在工作過程中的電容量變化范圍較小，當繞組受到外力作用，或者遭受短路沖擊后，幾何結構發生改變，電容量將會隨即發生變化。如果檢測到變壓器設備的繞組電容量發生大范圍的波動，則說明變壓器繞組存在變形故障。

4 基于頻率響應法檢測變壓器繞組變形的仿真分析

變壓器設備在高頻信號作用下可以等效為一個由分布電感、電容組成的網絡結構，具體如下圖1所示：

圖1 變壓器繞組等效仿真圖

圖1中，L代表便要求繞組電感，K代表變壓器繞組電容，C代表變壓器對地電容，R代表電阻。在仿真分析中，假設變壓器繞組的參數都均勻分布，建立等效電路模型，然后在繞組一側輸入電流信號，通過掃描獲得頻響曲線，各級參數發生變化時，變壓器繞組頻響曲線會相應發生改變，并且變現出一定的規律性，變壓器等效參數減小時，頻響曲線會轉移到高頻方向，當繞組等效參數增大后，頻響曲線會向低頻方向移動[5]。改變繞組的位置信息和參數信息可以取得頻響曲線偏移的位置參數和頻響曲線變化幅度參數。根據變壓器繞組幾何結構或者位置發生的變化與頻響曲線之間的相互關系，依靠頻響曲線波峰、波谷的頻率偏移和頻響曲線幅值變化，可以進一步圖算出便要其設備繞組是否存在變形故障。

5 結論

綜上所述，電力工業的發展對推動國家經濟建設有著非常中重要的意義。因此，確保電力設備的安全、穩定運行是電力企業運營中的重點工作。在大型變壓器設備實際運行過程中，對繞組變形故障進行檢測屬于十分必要的一項內容，通過頻率響應分析法，對大型變壓器設備繞組故障進行在線檢測，根據函數特征曲線推算出變壓器繞組的結構狀態，進而實現對大型變壓器設備的在線檢測，從而可及時發現故障，傳遞故障信息，以便及時進行處理，保證變壓器能夠對更好正常運行。