利用频率响应法辅以阻抗电压法
进行变压器绕组变形测试的应用研究

重庆电力试验研究所   李毅 王勇 白云庆 李亚军（400015）

摘 要  为消除重庆电网中变压器绕组变形引起的事故隐患，本文根据频率响应法在重庆电网中应用的实际情况，研究得出了应用该方法测试变压器绕组变形的判据；同时，本文提出在没有原始频响特性曲线、主变又被频响法判定为绕组变形时，必须辅助应用阻抗电压法来进一步确定变压器绕组的变形程度，并提出了是否立即退出运行的判据。

关键词  变压器   绕组变形   频率响应   阻抗电压   

一、        前言

作为电力系统中重要的主设备，变压器的安全运行将严重影响电网的安全运行。近年来，国内许多大型变压器事故都是由于变压器低压侧短路造成的。变压器的抗短路能力已成为衡量变压器的重要指标，是保障电网中、低压系统安全运行的必要条件。目前，在重庆电网中运行的变压器绝大多数为老旧变压器，有的运行年限多达几十年，这些变压器抗短路能力差，容易在遭受突发短路时因承受不了过大的电动力而造成设备损坏。此外，重庆电网中还运行着多台90年代初生产的8型变压器，这类变压器损耗低节省原材料，但变压器低压绕组未采取足够的抗短路措施，在不大的短路容量下变压器就会损坏。

变压器遭到突发短路时，如果短路电流小，继电保护快速动作切除故障，对变压器绕组的影响是轻微的；如果短路电流大，继电保护动作时间长，甚至拒动，则对变压器绕组的影响将是严重的， 甚至有可能造成变压器损坏。对于轻微的变形，如果不及时检修，在多次短路冲击后，累积效应也会使变压器损坏。因此，正确地诊断变压器绕组变形程度，合理检修变压器是提高变压器抗短路能力的一项重要措施。

变压器绕组发生局部机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然随之发生相对变化。然而，由于变压器结构、生产厂家的不同，其绕组承受短路电流的能力不同，在承受相同短路电流后，其绕组变形的程度、变形后内部分布参数的相对变化等往往相差较大。特别是在一个电网中，变压器种类繁多，生产厂家各不相同，如何对遭受出口或近区短路变压器的绕组变形程度作出准确判断，仍有待探讨。最早使用的绕组变形诊断技术是集中参数检测法。它通过测量绕组的电感（漏抗）、阻抗电压、直流电阻等集中电气参数等的变化来判断变压器绕组是否发生变形。该方法对测试仪表的检测精度要求很高，对绕组的轻微变形的变压器往往难以获得必要的检测灵敏度，但对绕组变形严重的变压器还是较为有效。

    近年来，频率响应分析技术在对遭受短路冲击、突发事故和碰撞的变压器绕组变形测试方面得到了广泛应用，并取得了良好效果。但运用该方法需要与原始频响特性曲线对比来判断变压器绕组的变形程度，在无原始频响特性曲线的情况下也可能发生误判或错判。

二、        变压器绕组受力分析

    由于线圈中漏磁的存在，载流导线在漏磁作用下受到电动力的作用，特别是在线圈突然短路时，电动力最严重，比正常运行时大几十倍，可能使导线拉断，也可能使线圈扭曲，失去稳定性。漏磁通常可分为纵轴分量和横轴分量。纵轴磁场使线圈产生幅向力，横轴磁场使线圈受轴向力。幅向力使外线圈受到拉伸应力，内线圈受到压缩应力。

轴向力的产生分为两部分，一部分是由于线圈端部漏磁弯曲部分的横向分量与载流线圈作用而产生。它使内外线圈都受压力，这种压力由于端磁场最大而最大，到了中部几乎为零，到线圈另一端改变力的方向。轴向力的另一部分由于内线圈安匝不平衡，产生横向漏磁与载流线圈作用产生，外线圈受拉。安匝不平衡越大，该轴向力也越大。
三、        变压器绕组变形测试原理和方法
    目前，国内外主要采用低压脉冲法、频率响应法或阻抗电压法进行变压器绕组变形测试。低压脉冲法采用了时域脉冲分析技术，在现场容易受到外界干扰和灵敏度校正过程的影响，往往需要一个特殊结构和精细调整的测试系统，以消除脉冲传递过程中的折返射和脉冲信号源的不稳定问题，故现场使用很难保证测试结果的重复性，因此，目前已很少采用低压脉冲法来测量变压器绕组的变形情况。
1、频率响应法
    当频率超过1kHz时，变压器每个绕组可看成一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端网络，设绕组单位长度的分布电感、纵向电容或对地电容分别为L、K、C，忽略绕组的电阻（通常很小），绕组的等值网络可用图1表示。

频率响应法是通过测量变压器绕组传递函数特性曲线（频响特性曲线）来对变压器特性进行描述的。传递函数H（n）=20log（Vo（n）/Vi（n））。变压器内部结构固定后，其等值网络中的L、k、C等分布参数固定，传递函数特性曲线就固定。如果绕组发生了轴向、幅向尺寸等机械变形现象，等值网络中的L、k、C等分布参数随之变化，其传递函数H（jω）的谐振点就会发生变化。

在实际的使用中，通过对比承受短路电流前后变压器绕组频响特性曲线谐振点位置的差异、两条曲线的相关系数来判断变压器绕组的变形程度，这就引入了相关系数这个概念。

本文采用归一对数法来描述两条曲线的相关系数LRxy：

其中，X、Y代表两条曲线，n表示取样的点数，x（k）、y（k）代表取样点的值。

通过大量110kV及以上变压器绕组频响特性曲线分析发现：变压器三相频响特性曲线相关性较好，绝大部分可以通过三相频响特性曲线比较分析来初步判断变压器绕组的变形情况。但由于无原始频响特性曲线，仅通过相间比较来判断变压器绕组的变形程度，国内也有发生误判断的事例。

2、阻抗电压法

众所周知，变压器绕组通过电流时，磁路中会产生漏磁通，从而产生漏电势。漏电势的大小主要由绕组尺寸、匝数、额定相电流、频率、每匝电势等决定，而漏电抗的大小则取决于漏电势的大小。因此，绕组发生变形后，其几何尺寸的变化必然引起漏电抗的变化，从而引起漏电势的变化；又由于变压器绕组电阻压降很小，电抗压降即可认为就是阻抗电压，故便可以通过测量阻抗电压的变化来判定变压器绕组的变形程度。因此，阻抗电压法是在用频率响应法判断变压器绕组存在变形时可进一步确定绕组变形程度、防止误判断的有效方法。

四、        变压器绕组变形测试事例分析

（一）   储奇门110kV^#2主变绕组变形测试分析

1、频率响应法测试分析

    110kV、10kV三相绕频响特性曲线分别见图2、图3。

2、阻抗电压测试分析

由于无#2主变的原始频响特性曲线，无法通过变压器突发短路前后频响特性曲线对比来判断变压器绕组变形程度，因此采用了短路阻抗法来进一步验证#2主变的变形情况。

（1）       测试结果（折算到75℃）见表2。

（2）       测试结果分析

从表2可知，两主变的短路损耗，试验值与出厂值差别不大；阻抗电压，^#1主变试验值比出厂值仅大0.86%，变化较小，而^#2主变试验值比出厂值大了4.26%， 变化较大。由于^#1、^#2主变都是某变压器厂生产的同型号产品，通过对这两台主变阻抗电压变化的平行比较，可以判定^#2主变绕组发生了严重变形。

表2   测试结果

3、测试结果验证

变压器吊罩后发现，110kV绕组无明显变形，10kV三相绕组从上到下鼓爆特别严重，三相最大突出量都达到26mm，A相绕组还严重扭曲。见图4。

（二）   变压器绕组变形情况分析

变压器受到短路冲击后，线圈受到压缩时，轴向高度减少，匝间电容k增大，对地电容C随之增大，漏磁减少，L增大，谐振点频率1/2π 减小，频响特性曲线表现为低频段谐振点向低频方向移动；线圈受到向外扩张力时，轴向高度增大，轴向会偏心，漏磁增大，L减小，匝间、饼间电容减小，所以谐振频率增大，频响特性曲线表现为谐振点向高频方向移动。

重庆市电力公司应用频率响应法辅以阻抗电压法共对电网中87台110kV及以上变压器进行了绕组变形测试，共发现了5台变压器绕组严重变形、3台变压器绕组较严重变形。通过重庆电网中87台主变压器频谱特性曲线比较分析发现，10kV线圈谐振点较多，谐振点大约有16个左右；35kV线圈谐振点大约有20个；110kV线圈谐振点大约有20个；200kV线圈谐振点大约有9个，且频率超过200k后曲线相对谐振点较少，曲线比较平稳。变压器发生出口短路后，绕组可能同时存在多种变形，如压缩或拉开变形、扭曲、幅向变形（向内收缩和鼓爆）、引线位移、匝间短路、线圈断股等情况，频响特性曲线较低频段（10k-200k）谐振峰值点可能会发生偏移，其后一个谐振谷值点的分贝数会发生变化，并且可能出现谐振点的增减，这是由于L、C、K在频响特性曲线各个频段上作用不一致所引起的。

四、变压器绕组变形测试在重庆电网的应用

通过对重庆电网中87台变压器的频响特性曲线对比和相关系数分析并综合11台变压器的吊罩检查结果，得到如下数据和结果：

1         当相关系数大于1.3时，且频响特性曲线低频部分谐振点无明显偏移时，变压器绕组无明显可见变形；

2       当相关系数接近0.9-1.3时变压器绕组有轻微变形；

3       当相关系数小于或接近0.6时，变压器绕组有严重变形；

4       相关系数在0.6-0.8之间时，变压器绕组有较严重变形；

5       通过相关系数判断绕组的变形程度后，还可通过谐振点的偏移和谐振幅值进一步确认线圈的变形性质：变压器绕组频响特性曲线谐振点在低频段发生了较明显偏移且幅值变化较大，或在整个频段范围内谐振点都发生了偏移时，变压器绕组发生了严重变形或发生了整体变形，应尽快处理变压器。

6       在用频率响应法判断绕组存在变形时，必须辅以阻抗电压法加以验证。在阻抗电压变化高于4%时，表明变压器绕组已发生严重变形，应该立即退出运行；阻抗电压变化高于2%时应引起足够的重视。

五、结语

1         对拟投产的主变，应在投产前做频响特性曲线的测试；对运行中的主变，应结合检修等，及时做测试。只有这样，才能进行有效对比，避免不必要的漏判、错判。

2         重庆电网中110kV小龙坎#2主变、110储奇门#2变发生出口短路事故后，其电气试验和绝缘油分析均未发现有任何异常，而绕组却发生了变形。因此，在实际运行中，对于遭受出口或近区短路事故后的变压器，即使电气试验和油试验合格，也应进行绕组变形测试，以最终确定该变压器绕组是否变形、能否正常投入运行。

3         在实际运用频响法辅以阻抗电压法进行变压器绕组变形测试时，应综合考虑谐振点偏移、相关系数、阻抗电压的变化等多方面因素。同时，应不断积累测试数据，找出规律，提高判断的准确率。本文所提出的判据可作为参考。

主要参考文献

1、变压器绕组变形测试系统  刘连睿等  《中国电力》  1994年第3期
2、用频响法诊断变压器绕组变形的应用研究  刘连睿等  《电网技术》  1999年5月第5期