基于頻率響應分析法的變壓器繞組匝間短路故障分析文獻綜述

1、文獻綜述 基于頻率響應分析法的變壓器繞組匝間短路故障分析1 前言部分（闡明課題的研究背景和意義） 在電力系統(tǒng)的各種設備中，變壓器是比較昂貴且很重要的設備之一，其安全運行將直接影響供電的安全。有關變壓器的歷年統(tǒng)計資料均表明，其繞組是發(fā)生故障較多的部件之一，變壓器內部短路故障占現(xiàn)代電力系統(tǒng)故障的7080。從解體檢查情況看，絕大部分是由繞組變形引起的1。變壓器在運輸、安裝過程中受到?jīng)_撞或在運行中發(fā)生突然短路等可能使繞組發(fā)生變形。在其遭受過電壓或再次遭受沖擊時將破壞、影響電力系統(tǒng)的安全運行。 國外研究表明短路故障發(fā)生的原因主要是變壓器內部的絕緣失效2。短路故障發(fā)生后故障繞組會產生很大的短路電流發(fā)熱量等

2、各種損耗加大反過來破壞絕緣引起變壓器損壞。變壓器在運行過程中難免會受到各種故障短路電流的沖擊。一旦短路故障發(fā)生在變壓器出口附近，變壓器繞組將承受巨大的、不均勻的軸向和徑向電動力的作用，可能導致繞組發(fā)生扭曲、鼓包等變形現(xiàn)象或移位，嚴重時甚至會導致突發(fā)性損壞事故國內許多大型變壓器事故都是由于?溲蠱韉脫共嘍搪吩斐傻?。變壓器的抗短路能力已成為衡量變壓器的重要指標是保障電網(wǎng)中、低壓系統(tǒng)安全運行的必要條件。為了及時發(fā)現(xiàn)變壓器的事故隱患、避免突發(fā)事故、提高變壓器運行的安全可靠性，開展變壓器繞組診斷方法的研究具有十分重要的意義4。頻率響應法在電力系統(tǒng)中應用多年 積累了不少經(jīng)驗 技術上日趨成熟。但實際運用中仍

3、存在不確定因素如設備的抗干擾問題 提高現(xiàn)場繞組頻響波形測試準確性問題 根據(jù)頻響波形對繞組變形做出正確判斷問題等解決上述問題需要設備研究人員不斷提高技術水平 現(xiàn)場技術人員不斷總結經(jīng)驗 才能提高應用頻響法對變壓器繞組變形分析判斷力5。2 主題部分（闡明課題的國內外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以及對這些問題的評述） 繞組故障主要有匝間短路、繞組接地、相間短路、斷線及接頭開焊等。產生這些故障的原因有以下幾點6 : 在制造或檢修時 局部絕緣受到損害 遺留下缺陷 在運行中因散熱不良或長期過載 繞組內有雜物落入 使溫度過高絕緣老化 制造工藝不良 壓制不緊 機械強度不能經(jīng)受短路沖擊 使繞組變形絕緣損壞 繞組受潮 絕緣

4、膨脹堵塞油道 引起局部過熱 絕緣油內混入水分而劣化或與空氣接觸面積過大 使油的酸價過高 絕緣水平下降或油面太低 部分繞組露在空氣中未能及時處理。由于上述種種原因 在運行中一經(jīng)發(fā)生絕緣擊穿 就會造成繞組的短路或接地故障。匝間短路時的故障現(xiàn)象是變壓器過熱油溫增高 電源側電流略有增大 各相直流電阻不平衡輕微的匝間短路可以引起瓦斯保護動作 嚴重時差動保護或電源側的過流保護也會動作。發(fā)現(xiàn)匝間短路應及時處理 因為繞組匝間短路常常會引起更為嚴重的單相接地或相間短路等故障7。 頻率響應分析法是在較寬的頻帶上測量變壓器繞組的傳遞函數(shù)并分析繞組的頻率響應特性判斷繞組狀態(tài)的方法8。因注入繞組的信號不同有兩種不同的方

5、法測量繞組的頻率響應:將一穩(wěn)定的正弦波掃頻信號施加到被試變壓器繞組的一端此方法稱為掃頻法由加拿大的Dick于1978年首次提出將一脈沖信號注入被試繞組的一端同時記錄該脈沖信號和另一端的響應信號并將此兩信號轉換為頻域信號得繞組的頻率響應特性此方法稱為脈沖響應法或傳遞函數(shù)法由加拿大的Malewski于1988年首次提出，脈沖電壓的幅值為100V2kV9。 荷蘭Vaessen用數(shù)字化儀記錄時域信號提高了頻譜在幅值和相位上的分辨 10率 。德國的Feser 和Christian等人對此法作了大量研究。脈沖響應法的測量時間比掃頻法要短但德國的Wenzel認為時域信號很小的誤差會對高頻段傳遞函數(shù)造成很大的

6、影響，另外掃頻法相對于脈沖響應法有以下優(yōu)點:信噪比好在整個測量的頻段上有相等或近似相等的精度獲得的頻率范圍更寬測量需要的設備少。因此變壓器繞組變形的頻率響應分析法大都采用掃頻法測量11。 德國的Gharehpetian等人通過建模及測量發(fā)現(xiàn)在110MHz范圍內出現(xiàn)因繞組諧振引起的高頻過電壓現(xiàn)象12。加拿大M. Wang等人在研究繞組的微小變形時頻率響應曲線在10 MHz 范圍內變化影響頻率響應測量結果的因素有:并聯(lián)電阻、高壓套管、變壓器中性點接地方式、測量引線。結果表明測量引線和并聯(lián)電阻對高頻下的測量結果影響最大在減小測量系統(tǒng)影響條件下1MHz頻段的測量結果更能反映繞組微小的變化。 M.Wan

7、g等人提出了HIFRA法將最高頻率擴展到10MHz 提高了頻率響應分析法的靈敏度能及時發(fā)現(xiàn)變壓器繞組的變形13。該方法的主要指導思想是盡量減小測量系統(tǒng)對頻率響應的影響將傳感器放置在變壓器內部。目前該法在實驗室中做到了10MHz但在現(xiàn)場只做到3MHz。 高朝霞馬濤王永兒汲勝昌對電力變壓器進行短路阻抗測試時，采用三相等效測試法或單相測試法2種方法1。通常對于三相變壓器，采用三相等效測試法直接計算出三相短路阻抗的平均值，與銘牌值進行比較。如果發(fā)現(xiàn)需要進一步檢查每相的短路阻抗，則可采用單相測試法進行相間比較。 林劍馬明龔列謙夏曉波分析頻率響應法原理并利用Matlab仿真變壓器繞組頻響曲線分析頻率和諧振

8、點的關系并根據(jù)測試實例分析各種因素對變壓器繞組變形試驗的影響3。仿真時仿真級數(shù)為n 7輸入掃頻信號源的幅值取為l設置掃頻起始頻率為1kHz 終止頻率為10MHz。當繞組內部發(fā)生串聯(lián)諧振則在頻響圖上出現(xiàn)正尖峰當繞組的內部發(fā)生了并聯(lián)諧振則在頻響圖上會出現(xiàn)負尖峰同時繞組模型有n 級頻響曲線就有n - 1個正尖峰n - 1個負尖峰。 褚炳龍采用武漢高壓研究所研制生產的BRTC2電力變壓器繞組特征測量儀通過對大量110 kV及以上變壓器繞組頻響特性曲線分析發(fā)現(xiàn)8:變壓器三相頻響特性曲線相關性較好絕大部分可以通過三相頻響特性曲線比較分析來初步判斷變壓器繞組的變形情況。但由于無原始頻響特性曲線僅通過相間比較

9、來判斷變壓器繞組的變形程度國內也有發(fā)生誤判斷的事例。 胡冠中 姚纓英 倪光正提出一種簡單有效的建模方法用于變壓器繞組內部短路故障的仿真計算4。首先根據(jù)變壓器繞組的繞制方式以及故障類型建立相應的有限元分析模型用場路耦合有限元分析方法分析短路試驗條件下的變壓器電磁場的分布。通過電磁分析得到等效參數(shù)用于建立變壓器系統(tǒng)狀態(tài)方程進一步利用Matlab /Simu2link求得端部電量的變化規(guī)律。 馬超從現(xiàn)場應用出發(fā)，分析了變形頻響法和低壓短路阻抗法的優(yōu)缺，提出頻響法結合低壓短路阻抗法、電容量測試及其他試驗輔助的綜合診斷，對頻率響應分析法的診斷結果進行了技術分析和現(xiàn)場實際應用要點的總結16。1頻響法和低電

10、壓短路阻抗法對于反映繞組變形各有優(yōu)缺點。現(xiàn)場用于獨立判斷均有其缺陷。2現(xiàn)場診斷頻響法和低電壓短路阻抗法應結合電容量變化及其他一些試驗結果輔助進行綜合判斷，特別是對于繞組變形累積效應的判斷，需要對各種方法的長短熟悉了解，同時也需要豐富現(xiàn)場經(jīng)驗，不斷總結規(guī)律。3頻響法靈敏度高，易受各種因素影響，引線長短、感應電壓、雜散電容等因素影響程度較大，在現(xiàn)場試驗時從多方面考慮，避免誤判。 何平，文習山對繞組頻率響應的分析方法主要是基于幅頻響應曲線的分析因此從頻段劃分、幅頻曲線特征的分析及曲線相似指數(shù)3方面綜述了幅頻響應曲線的研究現(xiàn)狀介紹了頻率響應分析法的原理從掃頻范圍的選擇和影響測量的因素2方面討論了繞組頻

11、率響應的測量認為應建立原始的繞組頻率響應數(shù)據(jù)庫在反映繞組變形程度的曲線相似指數(shù)研究方面有待于提出切實有效的量化標準17 。 用頻率響應法檢測電力變壓器線圈的變形情況是目前不斷發(fā)展的一項新技術。國外一些國家已將其列入變壓器的檢測項?課夜鶪B 50150- 2006已把繞組變形列入大型變壓器的交接試驗項目。 國內多采用現(xiàn)代網(wǎng)絡分析技術，通過測量傳遞函數(shù)來診斷變壓器繞組是否發(fā)生變形。目前國內一些廠家已開發(fā)出可在低電壓下測量出變壓器短路阻抗以判斷繞組是否變形的測量儀器，現(xiàn)場操作大為簡化，正在推廣和積累經(jīng)驗。3 總結部分（將全文主題進行扼要總結，提出自己的見解并對進一步的發(fā)展方向做出預測） 本文介紹了頻

12、率響應頻響分析法檢測變壓器繞組匝間短路故障的原理及測試方法。對頻率響應試驗結果的分析方法有多種，各有優(yōu)點和前提，要結合實際情況合理采用，也要顧及其它常規(guī)試驗結果，做出綜合分析。為保證試驗結果的正確性，要排除一切內外部干擾，處理好試驗過程中的各個環(huán)節(jié)。為保證試驗的長期規(guī)范性、準確性，在試驗管理方面，要做好相關約定；在試驗人員方面，要做好培訓，使試驗人員能掌握正確的試驗方法，并有一定的分析判斷能力，避免人為失誤導致錯誤的試驗結果，進而造成誤判。 頻響法是測試繞組變形的一項比較有效的方法，對影響繞組電容和電感的變形都比較靈敏14；以頻率響應法為基礎的變壓器繞組變形測試，能行之有效地反映出接觸不良、幅

13、相拉伸與壓縮、軸向拉伸與壓縮等變形情況，是不可缺少的試驗項目。對于匝間短路的情況，僅通過標準給出的判據(jù)來判斷容易發(fā)生誤判，可將這種情況單獨考慮，也可適當?shù)恼{整頻域分段或根據(jù)經(jīng)驗從圖形得到正確的結論。 在實際的運用中，應靈活地結合這種診斷方法，從而更有效、準確地對變壓器的繞組變形進行分析和判斷。頻率響應法測試變壓器繞組變形時最好1kHz1MHz 范圍內此時繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用其頻率響應特性具有較多的諧振點能夠靈敏的反映繞組變形情況15。用頻響分析法測試變壓器繞組變形時測試現(xiàn)場有氣焊干擾、套管末屏是否解開、測試接地點不同和人體是否靠近測試點等因素對測試結果均有影響其中套管末屏是否解開和人

14、體是否靠近測試點對測試結果影響不大僅在高頻段稍微發(fā)生偏移而氣焊干擾和測試接地點不同對測試結果影響較大在中頻段就發(fā)生大幅偏移實際測試時應當特別予以重視。 可以用一種分析變壓器繞組內部短路故障的數(shù)值建模和仿真方法為故障變壓器的電磁分析建立一個簡單有效的模型該模型精細模擬繞組結構并通過有限元分析過程中的特殊處理使變壓器繞組中的短路故障較為真實地在數(shù)值仿真中得以實現(xiàn)。使用有限元分析提取等效參數(shù)并結合系統(tǒng)狀態(tài)方程方法研究變壓器匝對地短路和匝間短路現(xiàn)象。利用該方法計算一臺單相雙繞組變壓器在不同類型故障情況下端部電量和磁場分布與故障位置之間的關系。仿真結果證明:該模型簡單有效以較小的計算代價實現(xiàn)了對變壓器內

15、部短路時端口電量進行研究的目的所得結論有益于變壓器的故障檢測和診斷。 近年來，我國的電力事業(yè)迅速發(fā)展，給電力變壓器的短路故障分析提出了更高的要求，通過對國內外水平了解和認識，找出存在不足和缺陷，提出以后變壓器繞組間短路故障分析的發(fā)展方向，可提高電網(wǎng)的管理水平、減小事故經(jīng)濟損失。4 參考文獻1高朝霞馬濤 王永兒 汲勝昌.短路阻抗法結合頻響法診斷變壓器繞組變形的分析與應用J. 電力設備200612：32-34.2劉文松余昌洪. 變壓器繞組變形測試技術探討J.廣東技 2006710：120-121.3林劍 馬明 龔列謙夏曉波. 變壓器繞組變形的頻率響應分析法研究及實測中影響因素分析J. 電力學報20

16、1025（03）：225-227.4胡冠中姚纓英倪光正. 變壓器繞組內部短路故障的數(shù)值仿真方法J. 浙江理工大學學報200623（03）：336-341.5梁廣恒李莉. 頻率響應法測試變壓器繞組變形J.電力安全技術，2006，8（03）：51-53.6龍坤，陳亞軍唐俊.頻率響應法在診斷繞組變形中的應用J. 電氣傳動自動化200603：53-56.7杭洋. 黃偉用頻率響應試驗法判斷繞組變形及試驗注意事項J. 農村電氣化2010274（03）：48-50.8褚炳龍. 頻率響應法分析變壓器繞組變形J. 武鋼技術 201048（01）：36-39；9嚴玉婷江健武王亞舟王偉堅楊益公. 變壓器繞組變形測試

17、的理論分析與試驗研究J.高壓電器20104605：55-59.10高喜玲.電力變壓器常見故障分析及處理電力變壓器常見故障分析及處理J. 煤礦機械 20082909：200-202.11郭秉義齊平生趙長青 李俊平.頻率響應法結合短路阻抗法診斷變壓器繞組變形狀況的實踐J. 內蒙古電力技術 200927（05）：29-32.12吳曉東魏澤民. 影響變壓器頻率響應測試結果的因素分析J. 電力設備2004510：60-63.13戴文進劉保彬. 用頻率響應法檢測變壓器繞組的變形J. 高壓電器20044006：464-465.14Dick E P，Even C CTransformer Diagnostic Testing by Frequen