侯西正 焦祥臻 朱宜东 孟晨平 张严伟
国网山东省电力公司枣庄供电公司 山东 枣庄 277000
摘要：随着电力系统容量和负荷的增加，变电站电磁环境也变得越来越复杂，而且变压器也经常会出现故障。据统计，绕组变形是造成变压器故障的主要原因之一。绕组变形主要由变压器外部出口短路后绕组中形成的非平衡电磁力造成，另外变压器运输、内部绝缘材料裂化等原因也能造成绕组变形故障。绕组变形初期不会明显影响变压器运行，而且变压器需长时处于在网运行状态，因此绕组变形在初期阶段难以被及时发现。
关键词：变压器；绕组变形；检测方法；试验
1概述绕组变形故障的检测
绕组变形故障的检测主要包括振动分析法、超声波法、发散系数法等非电测法；短路阻抗法和频率响应法等电测法。其中，频率响应分析法由于具有稳定性好、有效、无损等特点，广泛应用于变压器检测项目中。频率响应分析法分为正弦频率响应法和脉冲频率响应法。国内应用较多的是正弦频率响应法。脉冲频率响应法国外研究报道较多；利用电力系统暂态过电压信号开展变压器绕组变形在线监测，并进行了大量试验。不管是利用电力系统暂态信号，还是向绕组注入脉冲信号，与正弦频率响应法相比，脉冲频率响应法的暂态信号持续时间较短且能量较小，几乎不对变压器的运行造成影响。而且该方法所用设备简单，成本较低，现场应用可快速获得信噪比较高的检测信号，具备实现在线检测变压器绕组变形的潜力。脉冲频率响应法通过测量时域激励与响应信号，并进行时频变换，绘制频率响应曲线，从曲线判断绕组变形情况。
2基本原理
变压器绕组在高频下等效为由电阻、电感与电容构成的分布式电路模型，当在绕组一端施加频率变化的激励电压信号，在绕组另一端可获得随激励电压信号频率而改变的响应信号，因此，构建出绕组的转移函数(TF)，也即是频率响应曲线，由式(1)-(3)表示：
(1)
(2)
(3)
其中Vi(t)和Vi(f)分别为在线注入的激励信号时域形式及其频域分布；Ro(t)和Ro(f)分别为在线测量经过绕组传播后的响应信号时域形式及其频域分布；f()表示将时域信号变换为频域信号的算法；TF为以增益形式表示的绕组频率响应幅值曲线。其中，Ro既可是响应电压也可以是响应电流，依据绕组不同接线形式而定。等效分布式电路模型中的电阻、电感和电容依据绕组的几何尺寸和介质材料确定，当绕组的某一部分发生变形故障，模型参数也会发生变化，则频率响应特性发生变化，将会导致TF的改变，因此通过比较被测绕组的TF和参考TF，可以判断绕组发生变形或损坏故障。当注入的激励信号含有丰富的频谱分量，能引起绕组等值电路模型的谐振，即可获得绕组宽频的频率响应曲线TF，从而可能依据频率响应的变化情况实现绕组故障的检测及诊断识别。脉冲信号尤其是纳秒级脉冲信号，具有丰富的频谱分量，如果对在线运行的变压器绕组首端注入脉冲信号，在绕组末端获取响应信号，可能实现绕组变形故障的在线检测。采用基于脉冲在线耦合注入的变压器绕组变形在线检测系统，通过脉冲电源产生激励脉冲信号，通过安装在变压器高压套管根部的耦合电容传感器向内部绕组首端注入激励脉冲信号，在绕组末端，又通过耦合电容传感器构成电容分压器测量响应脉冲信号。
3分析不同故障类型仿真
以图1的电路仿真模型为例，其具体参数如表1所示。虽然与其它电路模型相比，该模型较为简单粗略，但是其基本单元—RLC并联支路正是形成频率响应一个谐振峰谷的基本要素，使用该模型仿真分析较为直观。
表1绕组电路模型参数
利用PSPICE电路仿真软件开展健康绕组与各种故障类型绕组暂态仿真分析，以探讨所提出方法是否具备检测绕组变形故障类型的能力。仿真中采用的激励脉冲电源，其参数选取与实际可控固态纳秒脉冲发生器产生的脉冲参数一致，波形前沿和后沿均为30ns，脉冲宽度为200ns，脉冲幅值选择500V。由于电路模型为单绕组模型，响应信号选取为绕组输出端的电流信号，得到正常绕组的频率响应曲线，如图2。
图1单绕组电路仿真模型
图2正常绕组的频响曲线
由图可以得出，变压器绕组的频响曲线是一条包含谐振点和反谐振点的曲线。变压器绕组的频率响应特性是由绕组的几何参数引起的，因为绕组由若干电感和电容参数构成，故而在变压器的内部就会发生多频谐振的现象。如果绕组内部发生串联谐振，则在频率响应曲线上产生波峰；若绕组内部发生并联谐振，则在频率响应曲线上产生波谷。对一固定的变压器绕组而言，其等值电路参数是确定的，因此其频率响应曲线也是唯一确定。当绕组发生变形时，其等效电路参数发生改变，则其频响曲线上的波峰和波谷就会发生变化，即谐振点发生改变。通过这种频响曲线的变化即可分析绕组的变形情况。
4结语
总之，对大型变压器绕组变形检测方法试验进行探究很有必要，未来仍需进行大量典型故障绕组试验，以获得故障类型判别的量化标准。
参考文献
[1]姚陈果,赵仲勇,李成祥,等.基于暂态过电压特性的电力变压器绕组变形故障在线检测[J].高电压技术,2015.
[2]李亚宁,于虹,彭文邦,等.变压器绕组等值电路模型中电容/电感参数值仿真[J].云南电力技术,2016.
作者介绍
侯西正（1990.10.16-）；男；山东济宁；汉族；硕士研究生；工程师；电气试验；高压电气试验；带电检测；油气化验；国网山东省电力公司枣庄供电公司。
焦祥臻（1992.06.08-）；男；山东烟台；汉族；本科；助理工程师；电气试验；高压电气试验；带电检测；油气化验；国网山东省电力公司枣庄供电公司。
论文作者:侯西正,焦祥臻,朱宜东,孟晨平,张严伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/11
标签：绕组论文; 变压器论文; 脉冲论文; 频率论文; 信号论文; 在线论文; 曲线论文; 《防护工程》2018年第30期论文;