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
内容摘要：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。

据国家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，国家电网公司在《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，其内部的电感、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内人士的重视。

为规范短路阻抗法的现场检测与绕组变形判断，国家经济贸易委员会于2006年11月1日发布实施国家电力行业标准《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内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·李奇（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及许多国家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到短路电流的范围内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。

由于X k、Z ke、Z k都未涉及与电压或电流相关的非线性因素，因此均可在不同的电流（电压）下测量上述参数，而不影响其互比性。

上述两点就是低电压电抗法判断绕组有无变形的物理基础。

2、低压电抗法现场测试接线方法：
（1）Y N接变压器现场测试接线。

1）三相四线法：
短接对侧绕组的所有端子（非被测绕组开路）后，按下图3所示接入三相电源。

图3：Y N接变压器三相法测试接线示意图
2）单相电源法：
短接对侧绕组的所有端子（非被测绕组开路）后，将单相电源电压逐次加在A-0、B-0、C-0的端子上, 测取各相绕组参数。

下图4所示为仅对应于测B相绕组参数的接线示意图。

图4：Y N接变压器单相法测试接线示意图
（2）Y（或△）接变压器现场测试接线。

1）三相三线法：
短接对侧绕组的所有端子（非被测绕组开路）后，按下图5所示用三相三线法接入三相电源。

图5：Y(或D)接变压器三相法测试接线示意图
2）Y接变压器单相电源法：
短接对侧绕组的所有端子（非被测绕组开路）后，将单相电源电压逐次加在A-B、B-C、C-A的端子上，测取每两相绕组的复合参数。

下图6所示为仅对应于测试BC两相绕组复合参数的接线示意图。

图6：Y接变压器单相法测试接线示意图
3）D接变压器单相电源法：
①单相电源法一:
短接对侧绕组的所有端子（非被测绕组开路）后，还需逐次短接本侧绕组的B-C、C-A、A-B端子，然后相对应地将单相电源电压逐次加在A-B、B-C、C-A端子上，测取每两相绕组的复合参数。

下图7所示仅对应于测BC或AB两相绕组复合参数的接线图。

图7：D接变压器单相法一测试接线示意图
②单相电源法二:
逐次短接对侧绕组相应的a-o、b-o、c-o，然后相对应地将单相电源电压逐次加在C-A、A-B、B-C端子上，测取各相绕组参数。

下图8所示仅对应于测量C相绕组参数的接线图。

图8：D接变压器单相法二测试接线示意图
3、低压电抗法对变压器绕组变形的判断：
（1）首次低电压电抗法检测后，可将测取的短路阻抗Z Ke或Z k与铭牌（或出厂试验报告）上的同绕组对、同分接位置的短路阻抗Z Kee 或Z k相比。

（2）分析同一参数的三个单相值的互差（横比）和同一参数值与原始数据和上一次测试数据的相比之差(纵比)。

判断差值是否超过了注意值。

注意值[4]：
1）纵比:容量100MVA及以下且电压220kV以下的电力变压器绕组参数的相对变化不应大于±2.0%；容量100MVA以上或电压220kV 及以上的电力变压器绕组参数的相对变化不应大于±1.6%；
2）横比:容量100MVA及以下且电压220kV以下的电力变压器绕组三个单相参数的最大相对互差不应大于2.5%；容量100MVA以上或电压220kV及以上的电力变压器绕组三个单相参数的最大相对互差不应大于2.0%。

4、低压电抗法现场检测要点
（1）被试变压器分接位置的要求：
1）测试时，被加压绕组和被短接绕组均应置于最高分接位置。

2）外部短路故障后的检测可增加短路时绕组所在分接位置的检测。

3）首次电抗法检测,应在该变压器铭牌上标有短路阻抗值（或出厂试验报告上有实测值）的分接位置测量短路阻抗Z K （Ω）或Z Ke （%）。

（2）测试接线要求:
1）测试时，先将被测绕组对的不加压侧所有接线端全部短接。

短接线及其接触电阻的总阻抗不得大于被测绕组对短路侧等值阻抗的0.1％。

2）对加压侧绕组为D 接线的三相变压器，用单相法测试时，应做好相应的短接。

3）对加压侧绕组为Y N 接线的三相变压器，用三相法测试时，变压器被加压绕组的中性点（Ν）、测试系统的中性点和测试电源的中性点应良好连接。

4）测100MVA 以上容量变压器的绕组参数时，测试系统引向被试变压器的电流线和电压线应分开。

（3）现场试验电源要求：
在试验前，应核对现场电源的额定容量S H 和额定电流I H 。

应保证S H ＞2S S ，I H ＞2I S 。

否则，应使用调压器降低试验电压U KS 以限制试验电流I S 。

试验电流和视在功率计算公式如下:
1）试验电流：e kS S I U I k r r Z U 10⨯⨯⨯=
2）视在功率：
三相法测试时：0
0103s ks S I U S ⨯=
单相法测试时：0010s ks S I U S ⨯= 式中：
I S ——试验电流估算值,A;
S S——视在功率,kVA;
U KS——试验电压V,通常三相测试用380V左右，单相测试用220V左右；
U r——变压器被加压绕组在测试分接位置时,对应的标称电压,kV；
I r——变压器被加压绕组在测试分接位置时,对应的标称电
流,A；
Z Ke——变压器被测绕组对在测试分接位置时,对应的短路阻抗百分值
四、频率响应法在现场测试中的应用方法
1、频率响应法判断变压器绕组变形的测试原理[1]：
在较高频率的电压作用下，变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感（互感）、电容等分布参数构成的无源线性双口网络，如图9所示。

其内部特性可通过传递函数H(jω)描述，若绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络传递函数H(jω)的零点和极点发生变化，使网络的频率响应特性发生变化。

用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异，判断变压器可能发生的绕组变形。

图9：频率响应法的基本检测回路图
2、频率响应法现场测试接线：
（1）频率响应法测试仪组成：
变压器绕组变形测试仪采用的是频率响应法工作原理，其系统的基本组成如下图10所示。

通过计算机的管理和控制，扫频信号发生器依次把输出的不同频率的正弦波电压信号Vs(t)加到变压器绕组的末端，高速采集系统同时记录该端子及绕组对应首端上的电压信号Vi(t)和Vo(t)的波形，并进行相应的数字化处理，得到其在不同扫描频率下的幅值和相位，然后根据公式求得被测绕组的幅频响应特性或相频响应特性，绘制出频率响应波形。

图10：绕组变形测试仪的基本组成
频率响应测试的扫频信号从绕组的末端注入，首端输出。

根据变压器的不同接线组别，绕组变形测试的接线方式也不同。

（2）Y N接变压器测试接线：
扫频信号输入阻抗接于中性点O，输出测量阻抗分别接在A、B、C上。

这种测量方法，可以将非测量相上接收到的干扰信号由信号发生器上的低阻抗来吸收。

测试接线示意图如图11所示。

0A B C
0A B C
A B C
0端输入、A端测量0端输入、B端测量0端输入、C端测量
图11：Y N接变压器测试接线示意图
（3）Y接变压器测试接线：
由于中性点未引出，应按下图12所示方式接线。

A B C
Ａ端输入、B端测量
A B C
Ｂ端输入、Ｃ端测量
A B C
Ｃ端输入、Ａ端测量
图12：Y接变压器测试接线示意图：
（4）D接变压器测试接线：
对于D接变压器，如果有可能将线圈解开测量则是最好，如无法解开则应以下图13所示方式接线。

A B C
A相(Ｃ端输入、Ａ端测量)
A B
C A B C
B相(A端输入、B端测量)C相(B端输入、C端测量)
图13：D接变压器测试接线示意图
由于Δ接线非测量的两个绕组串联后并联在回路中，理论上说对测试过程是有影响的。

但如果衰减超过10dB后，则可以认为非测量线圈的影响可以忽略。

（5）有平衡绕组的变压器测试接线：
对于有平衡绕组的变压器，测试时必须解开接地。

如图14所示
0Ap Cp
A B C
0Ap Cp A B C
图14：平衡绕组接线
3、频率响应法对变压器绕组变形的判断：
（1）以低压绕组为主，高、中压绕组为辅。

实际中，低压绕组发生短路故障的几率要比高、中压绕组高的多。

因此，对于大型变压器而言，低压绕组的频谱是判断变形的重要特征图谱。

无论是相与相之间的横向比较，还是与上次(或原始值)的纵向比较，低压绕组的特征频谱是主要依据。

在分析高、中压绕组的频谱时，应仔细判断频峰的特征。

值得指出的是，各绕组之间的变形会相互影响，这是因为线圈的压缩或膨胀会明显的改变另一侧线圈的电气分布参数，甚至连带变形。

所以，需综合各侧线圈的频谱变化，作出全面的分析和判断。

（2）以横向比较为主，纵向比较为辅
由于横向比较的曲线测试条件、接线方式基本一致，因此应优先考虑进行相与相之间的横向比较，再进行与原始数据或上次数据的纵向比较。

另外，应优先考虑与原始数据的纵向比较。

在没有原始数据的情况下，横向比较时有时需要考虑特殊结构对频响特性曲线影响。

例如对于那些带有平衡绕组的变压器，受平衡绕组的不对称性（通常位于低压绕组的内侧，且以开口三角形的方式联接）的影响，测得的三相绕组的频响特性往往有较大的差异。

因此，在没有原始测试数据结果，单纯根据三相绕组间频响特性的差异来判断特殊结构变压器的绕组变形时，往往具有一定的局限性。

如果测得的频响特性三相一致性较好，通常可得出较为明确的诊断结果，即可以认为变压器绕组没有发
生明显的变形现象。

但如果测得的频响特性一致性较差，或者仅有其中两相的频响特性较为一致，则有可能得出错误的诊断结果，即把正常的变压器绕组判断为变形。

（3）以低频段为主，中、高频段为辅
1）幅频响应特性曲线低频段（1kHz-100kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。

因为频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移动。

对于绝大多数变压器，其三相绕组低频段的响应特性曲线应非常相似，如果存在差异则应及时查明原因。

2）幅频响应特性曲线中频段（100kHz-600kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。

因为在该频率范围内的幅频响应特性曲线具有较多的波峰和波谷，能够灵敏地反映出绕组分布电感、电容的变化。

3）幅频响应特性曲线高频段（>600kHz）的波峰或波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组的对地电容改变，可能存在线圈整体移位或引线位移等情况。

因为频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主。

（4）以波形观察为主，相关系数判断为辅。

通过相关系数可以定量描述出两条波形曲线之间的相似程度，通常可作为辅助手段用于分析变压器的绕组变形情况。

下表1是变压器相关系数与变压器绕组变形程度的关系。

表1：相关系数与变压器绕组变形程度的关系[1]
4、频率响应法现场检测要点
（1）被试变压器分接位置的要求：
变压器绕组的频率响应特性与分接开关位置有关，分接开关的位置不同时，频谱图有较大的区别。

测试时必须正确记录分接开关的位置。

特别对有载调压变压器，应尽可能将被试变压器的分接开关放置在第一分接，以获取较全面的绕组信息。

对于无载调压变压器，应保证每次测量在同一分接位置，便于比较。

（2）接地要求
测量过程中接地非常重要，它除了保护仪器设备外，主要是使高频电流的流向必须正确，否则测量结果将无法一致。

变压器铁心必须与外壳可靠接地。

测量系统应共一点接地，即测试仪外壳、变压器铁心及变压器外壳共一点可靠接地。

如果接触不良，频率响应曲线有可能出现毛刺等异常现象。

（3）测试引线、周围接地体和金属悬浮物的要求
绕组变形测试应在解开变压器所有引线(包括架空线、封闭母线和电缆)的前提下进行。

变压器引线的对地杂散电容往往是不固定的，三相之间也不会完全平衡，引线杂散电容将改变频响特性曲线。

为保证测试结果的重复性，得出精确的诊断结果，应拆除所有与被试变压器套管连接的引线，并使这些引线尽可能的远离变压器套管(周围接地体和金属悬浮物需离开变压器套管20cm以上)，以减少杂散电容的影响。

（4）对测试环境的要求
如果变压器绕组中存在静电电荷，一方面将对频率响应特性产生影响，有时甚至无法保证前后两次测试结果的重复性；另一方面可能损坏测试仪器。

因此，试验前应将被试变压器线端充分放电。

并最好在所有直流试验项目(如绕组直流电阻试验、泄漏电流试验)之前进行绕组变形测试工作。

五、低压电抗法与频率响应法对比分析:
1、从相关标准规定方面比较
频率响应法相关标准有:电力行业标准《DL/T 911-2004 电力变压器绕组变形的频率响应法》，该标准给出了用频率响应法检测变压器绕组变形的基本要求，列举出典型幅频特性曲线，推荐通过相关系数作为辅助手段。

但该标准不足之处是没有给出明确的判据，判据的量化有待成熟和规范，在现场实际工作中，试验人员判断很为难，需要经验丰富的专业技术人员才能决断。

低压电抗法相关标准有:国家电力行业标准DL/T1093-2008《电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》，该标准规定了低压电抗法（不高于500V的交流工频电压）判断变压器绕组变形的检测项目、检测要求、检测时机、判断方法和判断依据，以变压器绕组参数（短路阻抗Z Ke和Z K、短路电抗X K、漏电感L K）的相对变化和三相不对称程度作为判断变压器绕组有无变形的依据。

因其判据进行了量化，相对频率响应法而言，现场技术人员更容易做出决断。

2、从测试灵敏度方面比较：
低压电抗法对影响整体电感的变形较为灵敏，如幅向变形、轴向扭曲、匝间开路、短路等，但对匝、饼间的局部拉伸压缩，线圈整体位移，分接开关触头烧蚀等不灵敏。

频率响应法理论上对影响绕组电容和电感的变形都比较灵敏，能反映出影响绕组整体电感及对整体电感影响不大的变形，同时包含了变形故障类型、程度、部位等多种信息，因此在测试灵敏度上比低压
电抗法具有优越性。

但频率响应法也存在着一定的缺点，主要表现为：在现场测试中会受到电场和磁场的影响，这些影响甚至会改变测量的结果，将造成测试结果失真，导致现场工作人员出现误判断的情况，需要测试人员有较为丰富的实践经验。

3、从性价比方面比较
目前，国产频率响应法测试仪比电抗法测试仪价格普遍高出２～３倍左右，进口测试仪价格高出近10倍左右。

因此，低压电抗法比频率响应法性价比要高。

六、结束语：
低压电抗法与频率响应法相比孰优孰劣，业内人士各执一词。

就其这两种方法的测试原理而言，频率响应法明显优于低电压阻抗法。

但频率响应法目前仍停留在物理概念分析和测试实践经验的总结上，只能做到定性分析，还有待诊断理论上的突破。

而低压电抗法有标准可循，可以做到定量分析，在现场工作中比较容易进行。

因此,在现场测试变压器绕组变形时,应综合应用低压电抗法和频率响应法，以低压电抗法判断为主，辅以频率响应法并参考其它相关的试验数据（如变压器绕组电容量的变化情况[5]等）,从而迅速对变压器绕组是否发生变形做出全面的、准确的分析和判断。

参考文献：
[1]国家电力行业标准DL/T911－2004《电力变压器绕组变形的频率
响应分析法》。

[2]国标GB1094.5—2008《电力变压器第5部分承受短路的能
力》和国际电工委员会标准IEC60076—5：2000《电力变压器第5部分承受短路的能力》
[3]王钰、徐大可等。

《检测变压器绕组变形的低压脉冲测试系统研
究》.高电压技术,1998,24(3)。