电力变压器绕组变形检测新技术的应用

鲜开强

（国网江苏省电力有限公司营销服务中心，江苏 南京 210019）

0 引 言

变压器作为电力系统中最为关键的部分，其重要性毋庸置疑。独特的结构与功能使得其在保证故障信息检测及时性方面有着得天独厚的应用优势。在变压器的日常使用过程中，绕组变形故障的发生频率相对较高，技术的不断发展使得用于绕组变形故障检测的技术也有了更新。短路阻抗法与振动带电检测法的应用流程也已经逐渐成熟，并在应用过程中积累了大量成功的经验。从实际应用效果来看，两种检测方法各有优缺点。其中，振动带电检测法虽然灵敏度较高，但受到周围电气因素影响的几率却较大，短路阻抗法虽然在绕组变形较为严重时能够凸显出其应用优势，但相对来说灵敏度低得多。因此，在实际将两种方法应用至变形检测过程中时，应选择性的将两种方式有效结合，从而为进一步提高故障的判断准确率奠定基础。

1 电力变压器绕组变形检测技术的研究现状

自上世纪起，变压器的绕组变形检测技术就已经成为了国内外诸多专家学者们研究的重点内容。随着电力系统的更新与成熟应用，使得当下该技术受到了越来越多的重视，最为突出的表现就是我国在2000年正式将绕组变形试验作为判断变压器是否符合出厂要求的必须内容。

在变压器出厂后通常需要检测其绕组，无论是出厂、安装还是运行过程中均会对变压器进行常规检测，在发生故障后还会做全面检测，以保证其满足应用标准[1]。检测项目主要为判断其是否出现位移或变形等异常现象。变压器绕组变形指的是其几何形状、温度以及各项电气参数等相较于以往发生了较为明显的改变。

一旦变压器受到了诸如短路等严重内外部冲击后，负责维护变压器的单位会通过常规的电气试验判断其绝缘能力是否受到影响。从检查结果能够看到，多数变压器电气试验与绝缘分析的参数均在标准范围内，但在吊罩检查中却发现绕组出现了多处变形，且其部分位置的绝缘垫块处于严重松动的状态。从这一点可以看出在油化试验与常规电气试验中，并不能及时且全面的发现变压器绕组缺陷[2]。吊罩检查虽然能够较为直观的展现出变压器缺陷，但应用此种方式却需要耗费大量的时间与资金，并且在判断变压器内侧绕组时仍然有一定困难。

为确保电力系统的应用安全，完善吊罩与常规电气试验检查方法的不足之处极为重要，在深入分析变压器绕组变形的多个事例后，形成了几种相对来说较为成熟且应用效果较好的检测方式，其中较为典型的包括短路阻抗法、振动带电检测法以及低压脉冲法等。但从其实际应用效果来看，这些检测方式仍有一定的进步空间。

2 变压器绕组变形的主要原因

导致变压器绕组出现变形的原因有很多，但主要可归结为由于短路所产生的强电流冲击、安装或运输不当使变压器受到冲击、保护动作不按预设标准执行任务以及绕组本身无法承担短路故障4种。

2.1 短路故障电流

短路故障电力冲击是一种较为常见的变压器故障现象，常见的包括近距离短路与变压器出口短路[3]。在短路电流过大的情况下，变压器绕组所承受的电动力极大。此时电动力相较于正常运行电动力要高出几十倍，这也是绕组在此种条件下迅速发热的根本原因。而由于温度极速升高，会使得连接绕组各类线材的机械强度同时降低，继而导致绕组变形。

2.2 运输碰撞

不仅仅是运行过程，在变压器的安装与运输过程中也极易出现由于外界因素而导致其受到冲击，如运输电波、器材振动以及相互碰撞等。从而增大了变压器的损伤风险，导致出现绕组变形现象。若是没有及时发现这些由于外力而导致的内部或外部结构缺陷，将极易产生注入绕组短路或是绝缘损伤等事故。

2.3 保护失灵

气体保护与差动保护是电网中常见的继电保护配置方式。但由于部分变电所设备布置的特殊性，使得变压器差动保护区外经常会出现断路器与电流互感器之间发生故障的现象。此时，即使断路器做出了跳闸保护动作，也无法确保完整切除故障，由变压器作为供给源头的短路电流并没有消失[4]。由于部分电网区域仅仅只有几台电力设备，连接导线与电压器台数均较少，因此电力系统维护人员会认为此处发生故障的概率极小，从而忽视对这一区域的日常维护。但往往在这样的区域，一旦出现保护动作失灵情况，变压器将会承担极长时间的不稳定短路电流，在无法保证及时发现事故并处理的情况下，极易增大绕组变形事故的发生风险。

2.4 绕组的短路承受能力达不到应用标准

若变压器绕组出现短路，那么在短路电路瞬间增大的条件下，变压器极有可能因为无法承受巨大的电流冲击而发生变形。以某处电力变压器为例，在互感事故中其35 kW侧位出现了三相短路现象，不仅引线支架有多处断裂，而且变压器绕组也有明显变形。即使出现短路现象所出现的短路电流也只有105 A，远远小于设定的变压器承受标准，这就说明其短路承受能力不足[5]。由于承受能力不足而导致出现严重变压器事故的例子比比皆是，已经逐渐成为了影响其运行安全的主要危险因素。

3 扫频短路阻抗法

该种方法实际上是频响法与短路阻抗法的结合，应用该种方式能够较为轻松的计算出50 Hz以下变压器的短路阻抗值。另外，其在获得频率响应幅频特性和判断变压器绕组状态时也能确保其判断的有效性，并完整分析其依据。

3.1 基本原理

具体的扫频阻抗法的测试接线原理图如图1所示。宽频功率放大器、测量装置以及DDS扫频信号发生器为测试系统的主要组成部分。在对其进行测试时需要以短路阻抗法的接线方式为依据，将变压器副边短接，并在原边处增大扫频信号的功率，从而在测量装置的帮助下测量响应信号与激励信号[6]。而在变压器出现二次侧短路的情况下，此时相较于正常状态DDS的扫频信号频率较低，对应的宽频功率放大器为确保系统的正常应用效果需要输出相对较大的功率与电流。随着扫频信号的增强，电力变压器的内部铁芯的作用却在不断下降[3]。感抗增强的同时，宽频功率放大器输出信号的功率却有明显降低，但此时信号的幅值却要大得多，也正是由于这一原因提升了其抗干扰能力。

图1 扫频短路阻抗法绕组变形测试原理图

频率响应的公式为：

从式（1）可发现，从对数性质角度来看，实际上频响曲线与短路阻抗曲线绘制机理并无太多差异，最为明显的不同就是U1（f）与U2（f）之间的关系为倒数，但表现的点位也仅仅是波峰与波谷的反向，从其整体绘制情况来看二者趋势完全一致[7]。而若处于高频段，此时的短路阻抗曲线与频响曲线之间呈现较为明显的负相关性，此时可以考虑将短路阻抗曲线转化为频响曲线，并以频响法为依据判断其绕组是否出现变形。

3.2 现场测试与结果分析

为验证应用扫频短路阻抗法是否符合现场的应用标准，需要对其各项参数进行测试，包括测试电压等级和接线组别等不同的变压器。利用扫频短路阻抗法后能够获得50 Hz的短路阻抗值，将该数值与铭牌值相比较后能够较为轻松的判断出绕组是否发生变形，其所对应的数据精度满足实际的测量需要。这种方式无论是对于测试设备的容量要求还是测试方法的应用简便性方面，均会凸显出较为明显的优势。应用扫频短路阻抗法获得的频响曲线相较于传统频响曲线，无论是在波峰波谷还是中高频段的差别都微乎其微[8]。因此，在扫频短路阻抗法应用下获得的频响曲线完全能够从根本上反映出变压器绕组的频响特性，且相关数据在判断变压器绕组变形过程中也符合标准要求。

3.3 测试结果灵敏度

将扫频阻抗法应用至低频段等效低电压短路阻抗测试电路时，需要考虑到的因素包括试验电压、电源谐波以及50 Hz同频干扰等。若没有提前针对这些因素制定对应方案，那么测试结果将会受到严重影响，继而失去其应用价值。需要注意的是，由于选择的测试电源是功率放大器与扫频信号源的结合，因此无需考虑试验电源电压与谐波。在面对50 Hz同频干扰因素时，由于其在扫频阻抗方面（45～55 Hz）包含了多项测试结果，因此能够以差值的方式对其进行随时修正，确保测试数据不会受到此项干扰因素的影响。

应用扫频阻抗法时需要将两侧中的一侧短接，另一侧注入扫频信号，并以大功率电源作为导频信号源[9]。在低频段条件下应用导频阻抗法无论是抗干扰性还是稳定性都有所增强，而在中高频段条件下也具有不逊色于频率响应分析法的应用灵敏度。

4 振动带电检测法

需要特别注意的是，变压器在出现绕组变形后无论是其内部结构还是机械特性都发生了改变，在这种情况下通过监测其振动特性的方式能够较为轻松的判断出系统是否与设备建立了有效的电气连接。采用振动检测法进行检测实现了不断电状态的变压器测试，技术应用更加方便，同时也降低了试验对电力系统正常应用的影响。

4.1 基本原理

所谓绕组的震动简单来说就是由于出现了漏感现象。在该种现象的影响下，线圈中存在的电流相互作用后能够产生较强的电动力。通常对绕组来说，轴向漏磁与辐向漏磁是其漏磁场的主要分类，具体情况如图2所示。在辐向张力的影响下，此时的变压器振动信息将会有不一样的表现，这也是为什么针对绕组进行振动检测能够判断出其机械状态的主要原因。绕组的具体受力情况如图3所示。

图2 漏磁场的具体分布情况

图3 绕组的具体受力情况

若是绕组运行处于理想条件与状态，变压器绕组此时的振动加速度的大小与绕组电流平方成正比，对应所产生的加速度信号是电源频率的2倍。从实际情况来看，变压器自身绕组绝缘垫块材料由于具有非线性特性，产生的振动信号中存在频率为100 Hz的倍频谐波，其中同样包括另外的谐波分量[10]。另外，由于绕组工作时间较长，带负荷运行的情况下必然会出现紧固件松动或受到短路冲击现象的影响，继而导致绕组出现形变。对于振动频谱来说，其高次谐波也将随这一状态的变化而逐渐增大。

4.2 现场测试与结果分析

为进一步验证振动带电检测法的现场测试效果，需要结合实际情况确定不同变压器的测试参数，分别测试电压等级与接线组别不同的变压器。从最终的测试结果来看，变压器不同，振动信号的时域波形也有所差异，无论是变化规律还是畸变程度的差别均较为明显。在对比分析不同的变压器绕组振动信号频谱后，能够从对比结果中知晓此时的绕组振动信号的基础频率为100 Hz，这一数据结果与预期的理论分析数值相同，而高次谐波的含量与绕组信号相比却要小得多，这也是产生的时域波形与正弦波更接近的主要原因。统计分析多项测试结果可知，不同类型变压器的振动信号频段多集中在100～300 Hz。

4.3 影响测试结果的主要因素

若变压器所处的工作状态特征为多场耦合，那么对应变压器的振动表现将会较为复杂，且具有综合性较强的特点。此时产生出的振动信号所对应的故障信息则更容易受到外界因素的影响，如变压器的运行条件等。

变压器绕组与铁芯等共同产生的振动中，绕组变形的振动测试结果受到铁芯振动的影响较大，并且所获得的测试数据与变压器的自身负载功率因数有着紧密联系。总结分析振动情况可知，功率因素越大，变压器的箱体振动信号（基础频率分量）也会越大。振动信号与传感器的安装位置同样有着极为紧密的联系，从多次小范围试验结果中能够看到，即使位置仅偏差3 cm，振动信号也将会受到极大的影响。此外，箱体的振动信号与变压器的风扇是否开启有着关联关系，因此针对该种情况应尽量避开风扇组。

5 结 论

在经过多年应用后，无论是低电压短路阻抗法还是频率响应法都已经逐渐成熟，应用经验的大量积累在标准完善的条件下充分凸显了各种方法的应用优势。但从实际应用效果来看，两种方法在应用时存在各自的优缺点。因此，在选择应用这两种方法时应根据现场的情况结合二者的应用优势，从而进一步提升判断准确性。低电压短路阻抗法与频率响应法的不足之处能够通过利用扫频短路阻抗法完善，不仅能够有效解决干扰问题，而且还能提高绕组变形诊断时的准确性。虽然已针对常见现场检测技术的应用情况出台了相关标准，但仍然需要对指标的准确性进行试验验证。振动带电检测法无需断电即可完成试验，是判断绕组变形的重要方式。但在应用此种方法时，需要以仿真分析的方式判断指标是否准确，之后通过进一步完善以提高检测结果。