变压器绕组变形测试技术及其应用讲义

绕组变形测试技术。
表 1.1 1990～1997 年变压器短路损坏事故统计表
年份
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997
事故总台次
34 56 76 69 57 59 58 55
短路事故台次
2
3
18 22 21 29 29 21
短路事故占总事故比例(%)
6
5
24 32 37 49 50 38
2004 年 12 月 14 日，国家发改委发布了电力行业标准 DL/T911－2004《电力变压
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器绕组变形的频率响应分析法》，该标准适用于 6kV 及以上电压等级电力变压器及其他特 殊用途的变压器。 2 绕组变形的测量方法
变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的电感、电容分布参数必然发生相对变化。 这是开展变压器变形测试的依据和基础。
动力更容易使绕组破坏或变形。
短路故障电流冲击是变压器绕组变形的最主要外因。
众所周知，电力变压器线圈是以绝缘垫块隔开的铜或铝线段所构成的。这种系统的动
特性在发生突发短路时是变化的。因为绝缘垫块的弹性与其压紧程度有关，即与作用力有
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关。电动力本身也不是恒定不变的，而是按照复杂的规律变化。虽然对短路时作用在变压 器线圈上的电动力的研究始于四十年代，但是由于动态过程分析的复杂性，到目前为止尚 不能用理论计算结果正确反映出变压器承受突发短路电流冲击的能力。
当变压器绕组出现短路时，会因其承受不了短路电流冲击力而发生变形。近几年来， 对全国 110kV 及以上的电力变压器事故统计分析表明，因绕组承受短路能力不够已成为电 力变压器事故的首要内部原因，严重影响电力变压器的安全、可靠运行。
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1.3 绕组变形的危害 绕组变形是电力变压器安全运行的一大隐患。多台变压器的实际试验经验表明，绕组
期总事故台次的 31%，如表 1.1 所示。而对于厂用变压器(包括厂变和备变)，该问题则显
得更加突出。一方面说明，变压器绕组抗短路能力的设计水平不够，有待变压器生产厂家
的改进和提高；另一方面，迫切希望有一种方法能快速准确地对变压器绕组是否发生有害
变形进行诊断，以便及时应用于变压器绕组故障的判断和决策实践。这种方法就是变压器
图 2.1 低压脉冲法的测试原理图 最早提出并使用低压脉冲法的国家是波兰（1966 年），此后英国和美国又对其进行了 改进，其主要用途是确定变压器是否通过短路试验，现已被列入 IEEE 电力变压器短路试 验导则和测试标准。低压脉冲法克服了阻抗法灵敏度不高的缺点，能检出绕组 2～3mm 的 弯曲变形。然而，由于 LVI 法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时抗干扰能力差， 双屏蔽电缆和接地线排列方式、周围物体等均对测试结果有影响。另外易受灵敏度校正过 程的影响，需要使用一个特殊结构和精细调整的测试系统，以消除脉冲传递过程中的折反 射问题和脉冲信号源的不稳定性问题，故现场使用往往重复性不好。 2.3 频率响应法 频率响应法的测试原理如图 2.2 所示。在绕组的一端输入扫频电压信号 Vs（依次输入 不同频率的正弦波电压信号），通过数字化记录设备同时检测不同扫描频率下绕组两端的对 地电压信号 Vi(n)和 Vo(n)，并进行相应的处理，最终得到被测变压器绕组的传递函数 H(n): H(n)=20log[Vo(n)/Vi(n)] 并将频率响应根据频率描绘成曲线来判断变压器绕组变形。
低压脉冲法的测试原理如图 2.1 所示。在变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信
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号(100V)，利用数字化记录设备同时测量绕组两端的对地电压信号 Vo(t)和 Vi(t)，并进 行相应的处理，最终得到该变压器绕组的传递函数 h(t)或 H(jω)，即：
h(t)=Vo(t)/Vi(t) h(jω)=Vo(jω)/Vi(jω) 然后根据波形变化来判断变压器绕组变形。
变压器线圈遭受到的轴向力可使线段和线匝在竖直方向弯曲，压缩线段间的垫块，并 部分地传递到铁轭，力求使其离开心柱。通常，最大的弯曲力产生在位于线圈端部的线段 中，而最大的压缩力则出现在位于线圈高度中心的垫块上。当线圈不等高时（主要由于调 压分接头所致）或磁势分布不均匀时，轴向力较之径向力更能引起变压器事故。
目前，世界各国都在积极开展变压器绕组变形诊断工作，有些国家（如意大利）甚至 把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置。
国家电力公司在国电发[2000]589 号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要 求》中，已明确把绕组变形试验列入变压器出厂、交接和发生短路事故后的必试项目。相 关部分条款摘录如下：
(1)第 15.2.5 条：对 110kV 及以上电压等级变压器在出厂和投产前应做低电压短路 阻抗或用频响法测试绕组变形，以留原始记录；
(2)第 15.6 条：变压器在遭受近区突发短路后，应做低电压短路阻抗或用频响法测试 绕组变形，并与原始记录比较，判断变压器无故障后，方可投运；
(3)第 20.2.9 条：订购变压器时，应要求厂家提供变压器绕组频率响应特性曲线、做 过突发短路试验变压器的试验报告和抗短路能力动态计算报告；安装调试应增做频率响应 特性试验；运行中发生变压器出口短路故障后应进行频率响应特性试验，绕组变形情况的 测试结果，作为变压器能否继续运行的判据之一。
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由此可见，当变压器在运行过程中遭受突发性短路故障电流冲击时，每个线圈都将受 到强大的径向力和轴向力的共同作用。变压器绕组初始故障的表现形式大多表现为内绕组 出现变形（尤其是对自耦变压器），发生鼓包、扭曲、移位等不可恢复的变形现象，其发展 的典型形式是绝缘破坏，随后出现饼间击穿、匝间短路、主绝缘放电或完全击穿。 1.2.2 在运输、安装或者吊罩大修过程中受到意外冲撞
讲义
变压器绕组变形测试技术及其应用
Transformer Winding Deformation Test Technology & Application
2000 年 5 月
目录 1 前言 1.1 什么是绕组变形? 1.2 绕组变形的原因 1.3 绕组变形的危害 2 绕组变形的测量方法 2.1 阻抗法 2.2 低压脉冲法 2.3 频率响应法 3 频率响应法的原理 3.1.1 变压器线圈的等值电路 3.1.2 空心电感的电感量计算及变化分析 3.2 绕组变形种类以及变形在等值电路中的等效分析 3.2.1 整体变形 3.2.2 局部变形 4 变压器绕组变形测试仪 4.1 测试仪组成 4.2 主要技术参数 4.3 特点 5 现场测试过程中的注意事项 5.1 对测试环境的要求 5.2 对变压器状态的要求 5.2.1 对引线、周围接地体和金属悬浮物的要求 5.2.2 对分接位置的要求 5.2.3 对接地的要求 5.2 测试接线方式 5.2.1 YN 接线 5.2.2 Y 接线 5.2.3 对于 Δ 接线 5.2.4 有平衡绕组的变压器
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5.2.5 套管末屏取信号的问题 5.2.6 其它注意事项 6 绕组变形波形分析 6.1 频率响应图谱的特征 6.1.1 差异是绝对的 6.1.2 具有相对的一致性 6.1.3 低压绕组的一致性较好 6.1.4 厂用变压器的一致性较差 6.1.5 三相变压器的一致性较好 6.2 变形测试的判断 6.2.1 低压绕组为主，高、中压绕组为辅 6.2.2 横向比较为主，纵向比较为辅 6.2.3 低频段为主，中、高频段为辅 6.2.4 波形观察为主，相关系数判断为辅 6.2.5 综合判断 6.3 绕组变形程度的分类 6.4 变压器绕组变形判断程序 7 绕组变形测试仪的检验
1.1 什么是绕组变形?
电力行业标准 DL/T911－2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》对绕组变
形的定义是：电力变压器绕组在机械力或电动力作用下发生的轴向或径向尺寸变化，通常
表现为绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征。变压器在遭受短路电流冲击或在运输过程中遭
受冲撞时，均有可能发生绕组变形现象，它将直接影响变压器的安全运行。
多年来的现场使用经验表明该方法由于受条件所限，现场很难达到额定电流(尤其对大 型变压器)，且对测试仪表的检测精度要求很高，往往难以获得必要的检测灵敏度，有时仅 对那些绕组变形严重的变压器有效。
但阻抗法实施简单，又有标准可循，仍不失为一种互补的手段，尤其是对大量的中、 低压等级的变压器。
根据电工原理，一个无源、线性、单端输入、单端输出网络的特性，可以用传递函数 H(jω)或 H(t)来描述。变压器绕组是一个分布参数的电路网络，是一个电阻、电感和电容 链，对不同频率的信号源有不同的响应，如在低频下呈现为电感特性而在高频下为电容特 性。因此，可将绕组看作一个两端网络，其中的网络参数反映了绕组结构的固有特性，既 可通过测试其传输比参量随频率的变化(即频率响应)，也可通过测试其对低压脉冲的时域 响应，反映网络参数的变化，反映绕组结构本身特性的变化。这就是频率响应法（简称 FRA-Frequency Respond Analysis）和低压脉冲法（简称 LVI-Low Voltage Impulse） 的测试原理。 2.2 低压脉冲法
b. 绕组机械性能下降，当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生 损坏。
既然变压器绕组变形不可避免，怎样检测变压器绕组是否发生了变形？变形的程度如 何？能否继续运行？如果有严重变形，变形的位置? 怎样处理？
因此，积极开展变压器绕组变形诊断工作，及时发现那些有绕组变形的变压器，并有 计划地进行吊罩检查和检修，不但可节省大量的人力、物力，对防止变压器事故的发生也 有及其重要的作用。
1.2 绕组变形的原因
造成绕组变形的主要原因有：
1.2.1 短路故障电流冲击
电力变压器在运行过程中，不可避免地要遭受各种短路故障电流的冲击，特别是变压
器出口或近区短路故障，巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很大的电动力(是正常运
行时的数十倍至数百倍)，并使绕组急剧发热。在较高的温度下，导线的机械强度变小，电
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1 前言
变压器是电力系统中重要的设备之一，它的正常与否直接影响电力系统的安全运行。