頻響測(cè)試儀講義

1、變壓器繞組變形頻響測(cè)試儀講義電力變壓器在運(yùn)行或者運(yùn)輸過(guò)程中不可避免地要遭受各種故障短路電流的沖擊或者物理撞擊，在外界的運(yùn)輸、 短路電磁力動(dòng)力作用下，變壓器繞組可能失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致局部扭曲、繞阻結(jié)構(gòu)的變形、移位，這樣將嚴(yán)重影響變壓器的安全運(yùn)行。按國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T9112004采用頻率響應(yīng)測(cè)試法測(cè)量變壓器的繞組變形，是通過(guò)檢測(cè)變壓器各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應(yīng)特性的變化程度，判斷變壓器繞組可能發(fā)生的變形情況。大型電力變壓器的多數(shù)絕緣和機(jī)械事故最初均由繞阻結(jié)構(gòu)的機(jī)械變化引起。在變壓器事故之前檢測(cè)繞阻變形可降低維護(hù)費(fèi)用，提高系統(tǒng)可靠性。一、變壓器繞組變形

2、測(cè)量方法國(guó)內(nèi)外大量研究成果表明， 利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)的典型方法頻率響應(yīng)測(cè)試法（ FRA），在較高頻率的電壓作用下，通過(guò)測(cè)量變壓器各個(gè)繞組的傳遞函數(shù) H（jw ），并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向（三相之間）比較，可靈敏有效的診斷出繞組的局部扭曲、繞阻結(jié)構(gòu)的變形、移位等變形現(xiàn)象。變壓器的每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線性電阻、電感（互感） 、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性雙口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、縱向電容和對(duì)地電容分別為 L、K、C，并且忽略繞組的電阻（通常很小），則繞組的等值網(wǎng)絡(luò)可用圖 1 表示。根據(jù)電工學(xué)理論，它是可以通過(guò)傳遞函數(shù) H(jw) 對(duì)其特性進(jìn)行描述的。如果繞組發(fā)生了軸向、徑向尺寸變化

3、等機(jī)械特性變形現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)的 L、K、C 等分布參數(shù)，導(dǎo)致其傳遞函數(shù) H(jw) 的零點(diǎn)和極點(diǎn)分布發(fā)生變化。圖 1 變壓器單相電氣原理圖圖中： L 單位長(zhǎng)度電感量K單位長(zhǎng)度電容量C單位長(zhǎng)度對(duì)地電容量由于電力變壓器繞組的傳遞函數(shù)H(jw) 主要取決于其內(nèi)部電感、電容等分布參數(shù)，變壓器繞組的頻率響應(yīng)特性通常具有如下特征：a. 當(dāng)頻率低于 1kHz 時(shí)，其頻率響應(yīng)特性主要由線圈的電感所決定，諧振點(diǎn)通常較少，對(duì)分布電容的變化較不敏感；b. 當(dāng)頻率超過(guò) 1MHz時(shí)，繞組的電感又被分布電容所旁路，諧振點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)減少，對(duì)電感的變化較不敏感，而且隨著頻率的提高，測(cè)試回路 ( 引線 ) 的雜散電容也會(huì)對(duì)

4、測(cè)試結(jié)果造成明顯影響，反而不利于判斷；c. 在 1kHz1MHz的范圍內(nèi)，繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用，其頻率響應(yīng)特性具有較多的諧振點(diǎn)， 能夠靈敏地反映出繞組電感、 電容的變化情況；變壓器結(jié)構(gòu)一定時(shí)， 變壓器繞組的分布參數(shù)確定， 相對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)特征曲線也就隨之確定， 當(dāng)變壓器繞組變形或移動(dòng)后， 其繞組的分布參數(shù)就會(huì)發(fā)生改變，相應(yīng)的傳遞函數(shù)特征曲線也會(huì)隨之改變。為了測(cè)量傳遞函數(shù)， 必須在一端施加測(cè)量電壓， 一般為正弦信號(hào)，稱其為激勵(lì)信號(hào)（ U1 ）。另一端產(chǎn)生的電壓稱為響應(yīng)信號(hào)（ U2），測(cè)量 U1 和 U2 的幅度和相位，可得傳遞函數(shù) H(jw) 。輸入信號(hào)和輸出響應(yīng)的幅度關(guān)系稱為幅頻響應(yīng)

5、曲線，相位關(guān)系稱為相頻響應(yīng)曲線工程上為簡(jiǎn)化傳遞函數(shù) H(jw)( 復(fù)變函數(shù) ) 的表達(dá) , 可用幅度（模）和相位變量表達(dá) . 由于相位測(cè)量要求高 , 測(cè)量重復(fù)性不如幅度量 , 而且幅度量實(shí)際物理意義明確易懂， 實(shí)際應(yīng)用一般用幅度變化來(lái)替代復(fù)雜的傳遞函數(shù) H(jw) 的表達(dá) , 把復(fù)雜的復(fù)數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)化為實(shí)數(shù)計(jì)算。為了進(jìn)一步直觀，把傳遞函數(shù) H(jw) 的幅度變化通過(guò)曲線來(lái)表達(dá)，就得到一條幅度 - 頻率曲線，并以此作為繞組變形判斷的依據(jù)。用頻率響應(yīng)測(cè)試法檢測(cè)變壓器繞組變形，是通過(guò)檢測(cè)變壓器各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性， 并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應(yīng)特性的差異，來(lái)判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形

6、。二、繞組變形頻響測(cè)試儀工作原理變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性采用圖 2 所示的頻率掃描方式獲得。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源 US 的頻率 f ，測(cè)量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓 U2和激勵(lì)端電壓 U1 信號(hào)的幅值之比，獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下繞組的幅頻響應(yīng)曲線。圖中 L 為繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、 K 為繞組單位長(zhǎng)度的分布電容、 C 為繞組單位長(zhǎng)度的對(duì)地分布電容，在前面解釋過(guò)了。頻響測(cè)試儀一般都包含正弦波發(fā)生電路（頻率合成）用于正弦波激勵(lì)輸出，中心控制單元控制正弦波發(fā)生電路輸出掃描頻率（ 1K 1MHz），同時(shí)采集激勵(lì)輸入和響應(yīng)輸入這兩路信號(hào)到輸入處理電路，計(jì)算兩路信號(hào)的電壓幅值之比， 并逐點(diǎn)描繪出

7、幅值之比跟隨頻率變化的響應(yīng)曲線。圖2 頻率響應(yīng)測(cè)試法的基本檢測(cè)回路圖中： U1 等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓U2 等效網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)端電壓US 為正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓RS 為信號(hào)源輸出阻抗R 為響應(yīng)端匹配電阻頻率響應(yīng)測(cè)試儀測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3圖 3 中測(cè)量模塊的功能如下：1、掃頻電壓發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，一般為正弦波發(fā)生器。采用DDS（頻率直接合成）技術(shù)，產(chǎn)生一個(gè)頻率可準(zhǔn)確控制，波形畸變小的正弦波，通過(guò)功率放大后輸出，作為激勵(lì)信號(hào)Vs。輸出電壓較低，一般3-20V。提高Vs 的輸出電壓有利于提高測(cè)試系統(tǒng)的信噪比。圖 3 測(cè)量系統(tǒng)組成框圖2、雙通道檢測(cè)單元輸入兩路電壓信號(hào)（ Vo，Vi ），完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換

8、，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送到計(jì)算單元（計(jì)算機(jī)）處理。Vi分濾波A/D 轉(zhuǎn)換處理單元壓信號(hào)放大Vo分濾波A/D 轉(zhuǎn)換處理單元壓信號(hào)放大檢測(cè)單元示意圖3、處理單元（計(jì)算機(jī)）信號(hào)數(shù)字化后傳到處理單元（計(jì)算機(jī)），完成信號(hào)的處理。 由 Vo和 Vi 計(jì)算得到幅度比（ dB），顯示線圈頻響曲線。4、測(cè)試線測(cè)試線是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成，對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響。測(cè)試線按要求為 50同軸電纜線。在實(shí)際變壓器變形測(cè)試中，采用頻率響應(yīng)測(cè)試方法時(shí)的工作原理可分為兩類：1、傳統(tǒng)方法， 將交流信號(hào)輸入電壓轉(zhuǎn)換成有效值，再通過(guò) AD采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。該方法所轉(zhuǎn)換得到的有效值包含整體信號(hào)的各個(gè)頻率分量，容易受現(xiàn)場(chǎng)雜波干擾和

9、波形畸變的影響。其原理框圖如4 所示。功率放正弦波頻率合成激勵(lì)輸出大發(fā)生1K1MHz顯示激勵(lì)輸入交流濾波轉(zhuǎn)換放大有效值交流轉(zhuǎn)換響應(yīng)輸入放大濾波有效值直流中AD 采集心按鍵計(jì)算直流控外部制接口AD 采集存儲(chǔ)PC圖 4 采用有效值轉(zhuǎn)換方法的頻率響應(yīng)測(cè)試儀原理框圖2、采用數(shù)字信號(hào)處理方法， 通過(guò) AD同步采集大量數(shù)據(jù)， 采用 DFT（離散傅里葉變換） 算出基波信號(hào)的有效值再進(jìn)行計(jì)算。該方法排出了雜波干擾和波形畸變的影響， 所得到的響應(yīng)曲線穩(wěn)定度極高。其原理框圖如 5 所示。功率放正弦波頻率合成激勵(lì)輸出大發(fā)生1K1MHz顯示交流放大濾波AD 采集中激勵(lì)輸入采用心按鍵同步采集DFT計(jì)計(jì)算算基波控外部交流

10、AD 采集幅值制接口響應(yīng)輸入放大濾波存儲(chǔ)PC圖 5 采用 DFT數(shù)字信號(hào)處理方法的頻率響應(yīng)測(cè)試儀原理框圖四、變壓器繞組變形測(cè)試儀（頻響法）操作規(guī)范變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)法試驗(yàn)操作步驟1、準(zhǔn)備工作1）檢測(cè)前應(yīng)拆除與變壓器套管端部相連的所有引線，并使拆除的引線盡可能遠(yuǎn)離被測(cè)變壓器套管。2）變壓器繞組變形檢測(cè)應(yīng)在所有直流試驗(yàn)項(xiàng)目之前或者在繞組充分放電以后進(jìn)行。3）宜將變壓器繞組的分接開(kāi)關(guān)放置最大分接檔，并保證每次檢測(cè)時(shí)分接開(kāi)關(guān)處于相同的位置。4）準(zhǔn)備好合格有效的試驗(yàn)儀器、筆記本電腦及測(cè)試線等。5）試驗(yàn)人員在試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置安全圍欄，并向外懸掛“止步，高壓危險(xiǎn)”標(biāo)示牌，試驗(yàn)區(qū)域的面積應(yīng)能滿足高壓試驗(yàn)的安

11、全要求。6）應(yīng)采用吊傳的方法進(jìn)行上下工具和試驗(yàn)引線的傳遞。7）試驗(yàn)人員用專用接地線在變壓器主接地端引出，將變形試驗(yàn)裝置的金屬外殼可靠接地，接地線應(yīng)采用mm2及以上的多股裸銅線或外覆透明絕緣層的銅質(zhì)軟絞線。8）試驗(yàn)人員將變形裝置主機(jī)與筆記本電腦用專用連接線連接，并用專用信號(hào)線（輸入和檢測(cè)） 將主機(jī)與對(duì)應(yīng)的激勵(lì)、響應(yīng)端繞組相連接（各種儀器不同， 接線方式也有所不同， 操作人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作的儀器要求進(jìn)行接線操作），同時(shí)保證各部分連接可靠。9）試驗(yàn)人員將兩個(gè)信號(hào)檢測(cè)端的接地線均應(yīng)可靠連接在變壓器外殼上的明顯接地端 ( 如鐵芯接地端 ) ，接地線應(yīng)盡可能短并不纏繞。10）連接電源盤與動(dòng)力電源箱的連線。

12、2、試驗(yàn)裝置可靠性確認(rèn)1）試驗(yàn)負(fù)責(zé)人檢查試驗(yàn)接線，確認(rèn)正確無(wú)誤，試驗(yàn)負(fù)責(zé)人下令“非試驗(yàn)人員撤離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)人員各就各位?！?）試驗(yàn)操作人員將變形試驗(yàn)裝置主機(jī)電源線與電源相連，打開(kāi)電源確認(rèn)主機(jī)工作指示燈正常；3）將筆記本電腦里的測(cè)試軟件打開(kāi)，并確認(rèn)與主機(jī)連接正常，匯報(bào)工作負(fù)責(zé)人“儀器裝置正常，可以試驗(yàn)”。3、開(kāi)始試驗(yàn)1）試驗(yàn)負(fù)責(zé)人再次檢查試驗(yàn)接線，確認(rèn)正確無(wú)誤，試驗(yàn)負(fù)責(zé)人下令“非試驗(yàn)人員撤離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)人員各就各位?！?）試驗(yàn)操作人員匯報(bào)試驗(yàn)負(fù)責(zé)人：“各項(xiàng)準(zhǔn)備工作已就緒， 可以試驗(yàn)。”3）試驗(yàn)負(fù)責(zé)人下令：“試驗(yàn)開(kāi)始?！痹囼?yàn)操作人員復(fù)合：“開(kāi)始試驗(yàn)?！痹囼?yàn)操作人員合上儀器電源，啟動(dòng)開(kāi)始測(cè)量，并通知所有試驗(yàn)人員：“注意！試驗(yàn)已開(kāi)始。 ”4）試驗(yàn)操作人員等待頻率掃描完成， 測(cè)試結(jié)束，將試驗(yàn)曲線保存 （各種儀器不同，操作方式也不同， 操作人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作的儀器要求進(jìn)行操作），斷開(kāi)儀器電源，匯報(bào)試驗(yàn)負(fù)責(zé)人： “試驗(yàn)已結(jié)束，結(jié)果已保存，電源已斷開(kāi)”。5）試驗(yàn)負(fù)責(zé)人檢查試驗(yàn)結(jié)果是否符合要求，確認(rèn)就緒后，下令：“更改試驗(yàn)接線”。6）重復(fù) 1） 5）步驟進(jìn)行其他相別和繞組的測(cè)試工作，直至所有測(cè)試工作完畢，試驗(yàn)結(jié)束。4、試驗(yàn)結(jié)束1