电力变压器绕组变形的测试方法及对比分析

电力变压器绕组变形的测试方法及对比分析

十九冶电装分公司任兆兴

容摘要：本文从变压器绕组变形的测试原理、测试接线方法、变形的判断方法、现场检测要点等几个方面，分别介绍了低压电抗法和频率响应法在变压器绕组变形现场测试中的应用方法，并对比分析了低压电抗法和频率响应法之间的优点与不足。

关键词:变压器绕组变形、低压电抗法、频率响应法、现场检测要点、对比分析。

一、前言：

电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，直接关系着电网的安全运行。据电网公司不完全统计，变压器绕组变形引起的事故占变压器事故的1/4以上。因此，目前世界各国都在积极开展电力变压器绕组变形诊断测试，电网公司在《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。

变压器绕组变形是指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[1]。变压器绕组发生变形后，其部的电感、电容分布参数必然发生相对变化。用常规方法(如测量变比、直阻和电容)判断变压器绕组是否发生变形是很困难的，一般只能通过变压器吊罩检查来验证，但吊罩检查不仅要花费大量的人力物力，而且对变压器本身也有一定的危害性。因此能在现场不吊罩检查情况下快速判断变压器绕组有无变形的试验方法和仪器出现后，很快便得到了广泛的运用。

二、变压器绕组变形测试方法介绍：

1、短路阻抗法：

变压器绕组变形测试最早使用的方法是由前苏联提出的短路阻抗法。其原理是通过测量变压器绕组在50Hz工频电压下变压器绕组的短路阻抗或漏抗，由阻抗或漏抗值的变化来判断变压器绕组是否发

生了危及运行的变形，如匝间短路、开路、线圈位移等。

短路阻抗法主要用测量变压器绕组的短路阻抗等集中参数的变化来判断绕组是否发生变形。但对变形不是特别严重的绕组或者缺陷仅在绕组的个别部位，集中参数的变化将不明显，使用一般检测短路阻抗的方法，很难获得必要的检测灵敏度，所以测量效果不是很好。

短路阻抗法虽一度曾被低压脉冲法和频率响应法所替代，但因短路阻抗法实施简单，又有标准[2]可循，尤其是对大量的中、低压等级的变压器现场试验非常适用，一直仍不失为一种检测手段。

近年来，随着试验设备技术的不断革新,相应的专用仪器的不断完善，短路阻抗法测试技术又重新得到了业人士的重视。为规短路阻抗法的现场检测与绕组变形判断，经济贸易委员会于2006年11月1日发布实施电力行业标准《电力变压器绕组变形的低电压电抗法检测判断导则》（DL/T1093—2008），此标准是现行有关变压器绕组变形检测试验最新标准。

2、低压脉冲法[3]：

当频率超过1kHZ时，变压器铁芯基本上不起作用，每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感和电容等分布参数组成的无源线性二端口网络，低压脉冲法就是利用等值电路中各个小单元分布参数的微小变化造成波形上的变化来反映绕组结构（匝间、饼间相对位置）上的变化。当外施脉冲波具有足够的陡度，并使用有足够频率响应的示波器，就能把这些变化清楚地反映出来。。

其测试原理如图1所示，在变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信号，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。

图1：低压脉冲法的测试原理图

低压脉冲法（LVI）是波兰的W·奇（Lech）和L·塔米斯基（Tyminski）于1966年提出的，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，曾被列入IEC及许多的电力变压器短路试验导则和测试标准中。

低压脉冲法克服了短路阻抗法灵敏度不高的缺点，能灵敏、准确地检则出绕组轴向和径向的变形故障。但由于低压脉冲法采用的是时域脉冲分析技术，在现场容易受到外界的干扰和灵敏度校正过程的影响，往往需要一个特殊结构和精细调整的测试系统，用以消除脉冲传递过程中折返射和脉冲信号源的不稳定问题，故现场很难保证测试结果的重复性。因此，近年来现场测试中已很少采用低压脉冲法来测量变压器绕组变形。

3、频率响应法

为了克服低压脉冲法的一些缺陷，1978年加拿大的E.P.迪克（Dick）和C.C.伊尔温（Erven）提出了频率响应法（FRA）。频率响应法测试原理与低压脉冲法基本相同，都是通过测量变压器绕组的传递函数的变化来诊断变压器绕组变形的。

低压脉冲法和频率响应法实际上是从时域和频域两个方面对同一事物的两个不同侧面的描述。从数学上讲，这两个方法是有联系的、是等价的。但是这两个方法从实际实施方法来说，在技术上是有很大差异，与低压脉冲法相比，由于频率响应法采用的是扫频测量技术，所测量的均是幅值较高、频率预先已知且低于1MHz的正弦波信号，便于用数字处理技术消除干扰信号的影响，信号传播过程中的折反射问题也容易得到解决，故具有较强的抗干扰能力，测量结果的重复性

也易于得到保证。

频率响应法的测试原理如图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。

图2：频率响应法的测试原理图

用频率响应分析法检测变压器绕组变形，具有检测灵敏度高、现场使用方便等优点，现在电力行业广泛应用。

三、低压电抗法在现场测试中的应用方法

1、低压电抗法判断变压器绕组变形的测试原理[4]：

（1）变压器的每一对绕组的漏电感L k是这两个绕组相对距离（同心圆的两个绕组的半径R之差）的增函数，而且L k与这两个绕组的高度的算术平均值近似成反比。即漏电感L k是这对绕组相对位置的函数，L k=f（R、H）。这绕组对中任何一个绕组的变形必定会引起L k 的变化。

由于绕组对的短路电抗X k和短路阻抗Z ke、Z k都是L k的函数，因此，该绕组对中任一绕组的变形都会引起Z ke、Z k、X k发生相应的变化。

（2）在漏磁通回路中油、纸、铜等非铁磁性材料占磁路主要部分。非铁磁性材料的磁阻是线性的，且磁导率仅为硅钢片的万分之五左右，亦即磁压的99.9%以上降落在线性的非磁性材料上。把漏电感L k看作线性，在本检测中所引起的偏差小于千分之一。L k在电流从0到短路电流的围都可以认为是线性的。因此，测量L k可以用较低的电流、电压而不会影响其复验性（包括与额定电流下的测试结果相比）不大于2‰的要求。