变压器绕组与铁心故障诊断技术

杨文睿，董鸿魁

(1.云南电网公司研究生科研工作站，昆明 650217;2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，昆明 650217)

0 前言

在变压器故障中，铁心故障和绕组故障是最为频繁且严重的故障之一［1］，对变压器绕组及铁心故障进行研究，做到故障预警有重要意义。

1 故障诊断方法

1.1 离线法绕组检测

离线法指在进行故障检测时，变压器需要退出运行。检测变压器绕组变形的主要方法有:短路试验法，频率响应法，低压脉冲法等。

1.1.1 短路阻抗法

短路阻抗是当负载阻抗为零且负载电流为额定值时所测得的短路阻抗，相当于变压器的内部等效阻抗。变压器的短路阻抗由绕组的电阻和漏电抗构成，而漏电抗通常情况下大于绕组电阻。漏电抗是由漏磁通引起的，由横向漏电抗和纵向漏电抗构成，一般情况下，横向漏电抗比纵向漏电抗小得多。无论是横向漏电抗还是纵向漏电抗，其电抗值都是由绕组的几何尺寸及相互位置所决定的。也就是说，当外部工作参数一致的条件下，变压器的短路阻抗是由绕组的结构所决定的。因此，通过测量电力变压器的短路阻抗，并与正常时的阻抗进行比较，如果短路后测量的阻抗与正常时阻抗相比变化不大，则可认为绕组没有变形，如果测试前后阻抗发生明显变化，则表明绕组发生明显变形［2］，测量绕组短路阻抗的方法是判断绕组变形的传统方法［3］。

1.1.2 频响分析法

当变压器绕组发生变形后，其等效网络的相应部分参数也会发生改变，进而通过比较两次测试的变化，就可能判断变压器绕组的状态是否正常。实际采用频响分析法进行测试时，首先将一稳定的正弦波扫频信号施加到被试变压器的一端，同时记录该端和另一端的电压幅值和相角，经处理可以得到被试变压器的一组频响曲线。通过对前后两次响频特性曲线进行对比即可判定变压器绕组状态［4］。

1.1.3 低压脉冲法

低压脉冲法测试原理与频响分析法类似，不同之处是低压脉冲法将频响分析法中的扫频信号发生器用低压脉冲源替代。进行测试时首先将一稳定的低压脉冲信号施加到被试变压器的一端，同时记录该端和另一端的响应信号。通过对前后两次响应信号进行对比即可判定变压器绕组状态［5］。还提出了利用冲击试验进行绝缘诊断［6］。

1.2 在线法绕组检测

上述方法对变压器绕组状态的检测属于离线检测法，是一种故障发生后的被动防御模式，不能提早发现变形缺陷。且当于绕组形变不明显时，例如绕组发生轴向压紧力减小松动时，所测量的电气参数并不发生变化，这些方法将不能进行判断。随着科学技术不断发展，变压器故障检测也向着在线监测方向发展，这样不仅避免不必要的检修维护，且减少变压器事故率，使电网能更安全可靠的运行。目前在线监测变压器绕组状况的主要方法有短路电抗在线测试法、传递函数法等。

1.2.1 短路电抗在线测试法

理论上讲，短路电抗的在线测试可以通过测试电压和电流来实现，其测试原理如图1 所示。

根据辨识值与基准值的偏差量，参照国家标准和IEC 标准中关于电力变压器短路耐受试验前后的短路电抗的变化的规定，即可判断绕组是否存在变形。通过短路电抗判断绕组变形的灵敏度和可靠性，并研制了变压器短路电抗在线测量系统［7－8］。

图1 短路电抗的在线测试原理图

1.2.2 传递函数法在线检测

该方法是基于离线的传递函数法的思想，随时监测运行中电力变压器高压侧三个端子上的电压和中性点对地电流，同时滤去信号中的50Hz等低频分量;记录分接开关位置和变压器的温度等有关信息。监测由于开关操作或者雷电冲击引起的三个高压端子上的暂态电压和中性点的暂态电流，当另两个端子上的电压小于其中一个端子电压的1/10 时，利用该端子的暂态电压和流过中性点的暂态电流可以计算该端子的传递函数，与以前得到的该端的传递函数进行对比即可判定变压器该相的绕组状态。

1.3 铁心故障检测

现有的监测变压器铁心故障的方法都是判定运行的变压器铁心是否存在多点接地这种故障，通常采用油色谱分析和电气测量两种方法来检测。

1.3.1 油样气相色谱分析

当变压器发生故障时，为区分故障类型，可取油样对油中含气量及组份进行色谱分析。色谱分析中如发现气体中的及烯烃组份含量较高，而和气体含量和以往相比变化不大或含量正常，则说明铁心过热;色谱分析中如发现含有气体，有可能是铁心出现间歇性多点接地［9］。

1.3.2 测试绝缘电阻

停电后，将引到油箱外部的铁心接地片和夹件接地片打开，用兆欧表分别测试铁心和夹件对地绝缘电阻，如果铁心对地的绝缘电阻为零，则表明铁心有多点接地故障;如果夹件对地的绝缘电阻为零，则表明夹件有多点接地故障。

1.3.3 检测铁心故障方法

变压器铁心接地导线和外引的接地套管相连接，利用其外引接地套管，接入电流表，测量地线上有无电流。变压器正常接地时，因无电流回路形成，地线上电流很小或等于零;当铁心出现多点接地时，铁心主磁通周围有短路匝存在，匝内将有环流流通，其环流的大小取决于磁通被包围的多少，一般可达几十安培。测量地线中有无电流，可很准确地判断铁心有无多点接地故障［10］。

2 铁心故障诊断方法

上文中提到的离线法检测绕组形变虽然可行，但是需要将变压器退出运行，试验进行起来不够经济方便，在线监测法测绕组形变则需要在变压器运行情况下接入电气量，试验进行有安全隐患，且不能保障对电力系统没有影响。当绕组有形变隐患，紧固螺母和铁压钉有松时油中总烃及各组分含量常保持正常，因此油色谱分析等方法不能反映类似的机械结构缺陷的问题。而振动法是通过测量分析油箱表面的振动来预测绕组铁心故障的方法，监测时设备与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，可以安全、可靠地达到在线监测的目的。而且振动法不仅仅可以检测出短路引起的绕组变形故障，还可检测出铁心、夹件和其余结构件的松动故障。因此，基于振动法的变压器绕组和铁心的故障诊断方法是对传统变压器故障诊断方法的补充和完善，有很大的研究价值。当电力变压器处于稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁心振动，绕组在负载电流的电场力作用下产生振动。绕组及铁心的振动通过变压器器身和油传递到变压器的油箱，引起油箱的振动。因此变压器油箱表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关。

要通过振动信号判断绕组和铁心的运行状态，首先要将绕组和铁心对应的特征信号分离出来。变压器励磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载变化时大小基本保持不变，因此铁心的振动在空载、负载及负载变化时也基本不变。当变压器在空载条件下运行时，负载电流为零，没有电场力的作用，因此绕组振动可以忽略不计，此时的振动可以看做是由变压器铁心振动引起。所以在剔除风扇、油泵的振动信号后，变压器空载运行条件下所测得的振动信号即是变压器的铁心振动信号。

而当变压器在负载情况下的振动信号是由铁心、绕组振动及风扇、油泵等冷却装置共同振动信号的叠加。在小于100Hz 范围内，集中的是由冷却系统引起的振动，因此可以较容易的将冷却系统振动从中剔除。而在变压器空载运行条件下可以测得铁心振动信号，因此从负载情况下得到的振动信号中剔除冷却系统振动信号和铁心振动信号，即可得到变压器绕组振动信号［11］。当取得绕组和铁心的振动特征信号后，通过分析其幅值是否大于正常阈值即可判定铁心、绕组是否发生故障。

对振动分析法在变压器铁心松动、绕组变形状态监测技术方面作了大量的研究，取得了很多的研究成果［12］。汲胜昌教授还引入小波包分析提取变压器箱壁的振动信号的特征信息［13］。上海交通大学的谢岸坡等从动力学建模入手，建立了较完善的绕组和铁心分析模型，通过深入的理论分析和试验研究，找出变压器不同运行状况时在预紧力的作用下绕组和箱体的振动特征［14］。

3 结束语

对比发现振动法检测绕组、铁心状况可以避免很多问题，综合考虑下来是比较经济安全的检测方法，目前对变压器振动的研究已经有很多，但是还面临很多问题。

1)通过振动特征信号对变压器绕组及铁心进行故障判断需要知道变压器原始的铁心及绕组振动数据，且不同型号类型的变压器原始数据也不相同，这方面数据收集存在困难。

2)用振动法进行故障诊断时，故障阈值的设定没有统一标准，需要大量数据来研究设定报警阈值。

3)其它电气量对特征信号的影响及消除，例如直流偏磁对电力变压器振动特性号的影响。

4)目前对变压器振动检测法已有大量的研究，但是大部分还停留在理论研究阶段，基本上没有实际应用的推广。

5)目前研究的基于振动法的检测设备大都是短时记录的，不能连续长期的对变压器进行振动监测，如果能长期进行振动监测，则通过分析数据可以更清楚直观的反映变压器运行状态。

［1］王梦云，凌愍.大型电力变压器短路事故统计与分析［J］.变压器，1997，10:12－17.

［2］高朝霞，马涛，王永儿，汲胜昌.短路阻抗法结合频响法诊断变压器绕组变形的分析与应用［J］.电力设备，2006，12:32－34.

［3］黄幼茹，费翊群，刘华，赵凯.220 kV 及以上变压器可靠性分析［J］.变压器，1997，04:3－4.

［4］高朝霞，马涛，王永儿，汲胜昌.短路阻抗法结合频响法诊断变压器绕组变形的分析与应用［J］.电力设备，2006，12:32－34.

［5］徐大可，李彦明.人工神经网络在变压器绕组变形诊断中的应用［J］.高电压技术，1998，03:21－23.

［6］傅晨钊，汲胜昌，李彦明，刘杰，王国刚.小波变换用于变压器冲击试验绝缘故障诊断［J］.高电压技术，2000，05:16－18.

［7］徐大可，汲胜昌，李彦明.变压器绕组变形在线监测的理论研究［J］.高电压技术，2000，03:16－18.

［8］徐大可，李彦明.变压器绕组变形在线监测的应用研究［J］.高电压技术，2001，04:21－22+28.

［9］蒋琨，温宇舟.变压器铁心多点接地故障与处理［J］.变压器，2001，06:35－37.

［10］王世阁，钟洪璧.电力变压器故障分析与技术改进［M］.北京:中国电力出版社，2004:19－27.

［11］冯永新，邓小文，范立莉，刘石，王飞，肖小清.大型电力变压器振动法故障诊断与发展趋势［J］.变压器，2009，10:69－73.

［12］汲胜昌，程锦，李彦明.油浸式电力变压器绕组与铁心振动特性研究［J］.西安交通大学学报，2005，06:616－619+658.

［13］汲胜昌，刘味果，单平，李彦明.小波包分析在振动法监测变压器铁芯及绕组状况中的应用［J］.中国电机工程学报，2001，12:25－28.

［14］谢坡岸，饶柱石，朱子述.大型变压器绕组有限元建模与分析［J］.振动与冲击，2006，02:134－137+191.