频率响应分析法测量电力变压器绕组变形
摘 要
变压器作为电力系统的核心设备,它的安全运行对保障电网安全起着十分重 要的作用。变压器的绕组变形是常见故障之一，研究绕组变形检测技术为防止变 压器事故的发生、防止电网事故发生具有重要意义。频率响应分析法由于具有测 试灵敏度高、可重复性强、测试仪器轻巧数据保存方便等优点，是目前国内外使 用最广泛的大型电力变压器绕组变形检测技术，它通过比较频率响应曲线间的差 异分析绕组变形程度，致使其精确判断绕组变形的位置、绕组变形的深刻程度、变压器是否能继续运行。本文的主要目的是：讲述变压器绕组变形的一些理论基 础，变压器的结构分类，变压器常见变形故障的分类，讲述当前在浙江电网中出 现的一些变压器常见故障等等。在研究频响分析法的绕组变形测试系统后，进一 步研究绕组的频率响应特性，介绍当前电力系统中使用仪器的结构特点，软件和 硬件的组成以及仪器的一些界面特点，通过现场大量的试验数据和现场经验，总 结提炼了现场测试的500kV变压器和220kV变压器的绕组变形图谱，介绍现场干 扰的特点及如何排除干扰，准确判断变压器的绕组变形并为同行提供参考依据。
关键词：电力变压器，绕组变形，频响分析法，传递函数法
1.1频响分析法简介
频率响应分析法(Frequency ResponseAnalysis Method)简称为FRA法，最早由 加拿大的E.P.Dick和C.CErven提岀，它克服了低压脉冲法的一些缺陷，在世界各 国获得了较为广泛的应用。
釆用频率响应分析法判断变压器绕组变形，主要是对绕组的幅频响应特性进 行纵向或横向比较，并综合考虑变压器遭受短路冲击的情况、变压器结构、电器 试验及油中溶解气体分析等因素。根据相关系数的大小，可较直观地反应岀变压 器绕组幅频响应特性的变化，通常可作为判断变压器绕组变形的辅助手段。变压 器绕组变形判断方法主要有：纵向比较法和横向比较法。
纵向比较法，根据频率响应法检测原理，同一台变压器、同一绕组、同一分 接开关位置幅频响应特性唯一，将不同时 期的幅频响应特性与“指纹”数据比较，根据变化情况判断变压器的绕组变形。 该方法具有较高的检测灵敏度和判断准确度,但需要预先获得变压器原始的幅频 响应特性，并应排除因检测条件及检测方式变化所造成的影响。
横向比较法是指对变压器同一电压等级的三相绕组幅频响应特性进行比较， 必要时借鉴同一制造厂在同一时期制造的同型号变压器幅频响应特性，来判断变 压器绕组是否变形。该方法不需要变压器原始幅频响应特性，现场应用较为方便， 但应排除变压器的三相绕组发生相似程度的变形或者正常变压器绕组的幅频响 应特性本身存在差异的可能性。
频响分析法对比于低压脉冲法而言，避免了低压脉冲法使用仪器笨重和测试 结果重复性差等缺点。它降低了电磁干扰的影响、可重复性较好、可直观地分析 频率响应曲线、测试灵敏度较高。因此，目前该方法已在国内外变压器运行和生 产部门得到推广应用，并取得了成效。但由于测试结果受很多不确定性因素的影 响，且缺乏深层次诊断手段，也存在着一定的改进空间。
1.2频响分析法的研究现状
频率响应分析法作为一种行之有效的变压器绕组变形检测方法，目前己在国 内外得到广泛使用，成为检测变压器绕组变形的主要方法。至九十年代初期起, 我国很多研究所及公司机构就开始对频率响应法进行了尝试，通过数十年来不断 的分析改进目前取得了较好的成效，诊断出了一批变形严重的变压器。基于频响 分析法的绕组变形测试系统通常由测试仪器和测量分析软件两部分组成。就仪器 而言，国外主要釆用网络分析仪(Network Analyzer)和扫频响应分析仪(Sweep Frequency ResponseAnalyzer),但由于它们价格昂贵，因此没有在国内广泛使用， 为了降低成本、推广频响分析法，目前电力行业内很多研究所及公司机构，如: 武高所、电力科学院等都自行研制了变压器绕组变形测试设备，并在我国电力系 统得到广泛应用，取得了很好的效果。测试设备由扫频信号发生和宽带数据信号 采集两个功能模块组成，目前开发者通常将这两个模块集成于一张板卡上，使仪 器更加轻巧便携。系统测量分析软件通常由信号发生模块、数据存储模块、相关 分析模块及界面显示模块组成。相关分析模块是测量分析软件核心，根据频响分 析法的诊断原理编写代码实现。频响分析法的诊断技术建立在频响幅值曲线横向 或纵向比较的基础上。横向比较法利用同一台变压器各侧三相绕组进行比较，当 三相之间频谱特性不一致时，参照同厂同期生产同型号变压器绕组频谱特征进行 判断，如果同期生产变压器三相之间一致性良好则初步断定该变压器绕组发生形 变。而纵向分析法则将变压器目前记录和正常工作时的历史记录幅频特性进行比 较，如果两者差距超过某程度就可初步断定绕组发生了形变。在频响分析法使用 初期，我国普遍釆用全频域范围内对频响曲线做相关性比较，即对1kHz〜1MHz 内的采样点做相关性计算，以曲线间相关系数为特征量比较曲线间的相似程度。 同时，参考两条频响曲线在坐标内谐振点的空间位置进一步判断绕组变形情况。 但在1kHz〜1MHz的频段上对该网络加以分析，其频响曲线所反映的信息是不同 的。根据电工学理论，变压器绕组是一个电感绕组，且绕组之间、绕组与接地部 分之间，甚至同一绕组的层与层、匝与匝之间都存在电容，即变压器绕组等效电 路是如图1-2所示的无源线性二端口网络。当频率较低时，绕组的电感和电容都 比较小，导致容抗较大，感抗较小，等值电路呈感性，可忽略纵向电容；随着频 率增加，感抗变大，容抗变小，电路要考虑为最详尽的模型，所有参数都包括在 电路中；当频率继续增大时，感抗将非常大，而容抗很小，电路呈纯容性，电路 等效为一个电容链型网络。即随着频率的改变绕组的特征不断变化，网络在不同频率下电感、电容谐振点的分布变化所反映的信息也是不同的。因此，在全频域 范围内分析曲线间的相关性不能有效的反映绕组变形位置及程度。为了克服全频 域相关分析的不足，西安交通大学王珏博士等人提出：将测量频段分为高、中、低三段，将三频段和全频域上幅度谱的相关系数作为绕组变形判断基础。从而增 加了反映绕组相对变形的信息量，也体现了不同类型的绕组变形导致频响曲线在 不同频率区间的变化。目前，这种分频段计算相关系数的思想己经被广泛采用， 并纳入国家电力行业标准。中华人民共和国电力行业标准之《电力变压器绕组变 形的频率响应分析法》中建议将测量频段分为高、中、低三段计算相关系数，联 合三频段上频谱的相关系数与全频段相关系数分析绕组变形情况。
相关系数定量地描述了两条曲线间的相似程度,通常可作为辅助手段分析变 压器的绕组变形情况。电力行业标准中提供了相关系数与绕组变形程度关系的参 考值，如表1-1所示。
表中Rlf为曲线在低频段(lkHz~100kHz)内的相关系数，而临为曲线在中频 段(100kHz~600kHz)内的相关系数,Rhf则为曲线在高频段(600kHz〜1 OOOkHz)内的 相关系数。
国家电力行业标准之《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》发布后，用 频响曲线在高、中、低三个频段上及全频域的相关系数判断绕组变形的诊断方法 得到推广。
第二章相关理论基础
2.1电力变压器的分类
可分为：1）发电机用变压器：低压侧与 发电机母线相连，高压侧与输电线路相连的升压变压器，是发电厂的主变压器； 2）联络变压器：变电站或发电厂用于连接两个电压不同的输电线路，并可以按照 电力潮流的变化，每侧都可以作为一次或二次侧使用的变压器；3）升（降）压变压 器：是指将一种电压等级升（降）到另一种电压等级的变压器；4）厂用变：是发电 厂内作为动力或照明等电源用的变压器，一般阻抗较高，多直接接于发电机母线。
目前，我国电力部门主要使用的电力变压器通常为油浸式变压器。
2. 2变压器绕组变形形式
电力变压器绕组变形使之在电动力或机械力的作用下,绕组的生不可逆的变化。
2. 3变压器绕组变形原因分析
造成绕组变形的原因多种多样，但是归结起来主要是四方面的原因，艮卩：短 路故障电流冲击、在安装或运输过程中受到冲撞、保护动作失灵及绕组承受短路 能力不够。
1.短路故障电流冲击
通常正常运行时电动力较小，但如果绕组在制造过程中存在缺陷，如绕组松 动，导线不平或有毛刺，换位的弯折处进入垫块，换位处绝缘损坏和垫块不平等， 会引发绝缘损坏与放电。另外，如果绕组的热稳定性不够，也可能在正常运行时 发生绕组变形故障。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距离短路故障，巨大的短路冲击电流将使变 压器绕组受到很大的电动力，该电动力是正常运行时的数十倍至数百倍，它将使 绕组急剧发热。在较高的温度下，导线的机械强度变小，电动力更容易使绕组破 坏或变形。这种类型的变形，是变压器绕组变形的主要原因。
2.在运输或安装过程中被碰撞
变压器在运输、安装过程中，由于路途遥远，安装环境比较复杂，可能会遭 受意外的碰撞、颠簸和振动，在这些力（电动力或机械力）的作用下，绕组可能 产生机械移位和变形，并可能引发绝缘损伤、绕组短路和烧毁等严重的变压器事 故。
辄绝缘垫块参差不齐，向外逸岀最大达10mm。C相下铁芯阶梯木垫块明显至出° 压紧绕组的蝶形弹簧油缸任何普遍松弛9mm左右，并多数向同一方向歪斜。铁芯 夹件在.C相侧有15mm左右斜缝等。
3.保护动作失灵或保护系统存在死区
目前电网的继电保护配置中，电力变压器的主保护有气体保护，差动保护， 它们都满足快速切除（小于0.2s）的要求。但是，由于变电所设备布置上的原因， 在变压器出口总断路器间隔的断路器与电流互感器之间发生的故障，是在变压器 差动保护区外，母线差动保护区内，在断路器的电源侧。当母线差动保护动作， 断路器跳闸后却不能切除故障，由变压器供给的短路电流依然存在。这个区域只 有两个电力设备（断路器、电流互感器），数米导线和儿只瓷瓶，往往以为故障概 率小而被忽视成为死区。保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受稳定 短路电流作用的时间长，也是造成绕组变形事故的原因之一。
4.绕组承受短路能力不够^
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。近年来，对全国110kV及以上电压的高级电力变压器事故统计分析表明，因承受短 路强度不够引起的事故已成为电力变压器事故的重要原因，严重影响了电力变压 器的安全运行、可靠运行。当变压器绕组出现短路时，会因其承受不了短路电流 冲击力而发生严重变形。如某DFPSF-250000/ 500型电力变压器由于互感事故导 致35kV侧发生三相短路后，时期引线支架多处断裂，绕组严重变形。实际上事 故时的短路电流只有105kA,低于变压器应承受的水平，而且保护动作也正常， 但变压器却损坏了，这说明变压器绕组承受短路电流冲击能力不够。
三、测试系统工作原理
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有线性电阻、电 感(互感)、电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特征可通过传递 函数H (佃)描述，如图3-1所示。如果绕组发生变形，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 (jo)的零点和极点发生变化， 使网纟备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。
由于电力变压器绕组的传递函数H(j(o)主要取决于其内部电感、电容等分布 参数，大量试验研究结果表明，变压器绕组的频率响应特性通常具有如下特征:
1.当频率低于1kHz时，其频率响应特性主要由线圈的电感所决定，谐振点 通常较少，对分布电容的变化较不敏感；
2.当频率超过1MHz时，绕组的电感又被分布电容所旁路，谐振点也会相应 减少，对电感的变化较不敏感，而且随着频率的提高，测试回路(引线)的杂散电 容也会对测试结果造成明显影响；
3.在1kHz〜1MHz的范围内，绕组的分布电容和电感均发挥作用，其频率 响应特性具有较多的谐振点，能够灵敏地反映出绕组电感、电容的变化情况。
四、工程现场实际测试4.1测试回路联接测试系统与被试变压器之间用三根专用屏蔽电缆（由测试系统附带）联接起 来。三根屏蔽电缆中的输出线（无颜色标记，大黑夹）用于将主机信号发生器的扫 频信号输入到被试变压器绕组的信号注入端，其余两根测试电缆（有颜色标记）分 别将测试绕组两侧的电压信号输送到主机数据采集系统上（绕组信号注入端接至 V端口），三条接地线（黑色小夹）被测变压器接地点共点接地。电压信号取自 变压器岀线套管与外壳之间。
不同的变压器进行绕组变形测试时，其接线方法一般参照表4-1或图4-2.
表44变压器接线表
变压器接线方式 | 信号注入端 | 测试端 | 其它线圈 |
Y或D | A | B | 开路 |
B | C | ||
C | A | ||
YO | 0 | A | 开路 |
0 | B | ||
0 | C | ||
单相变压器 | A | X | 开路 |
B | Y | ||
C | Z |
计算机与主机釆用专用USB联线联接；为了避免干扰和电磁耦合，不允 许在连接主机时，计算机另接其它USB设备，当出现USB联结错误时，应复位主 机（关掉主机电源，重新开机）。
1.测试系统工作电源使用220V交流工作电源。
2.接线时应注意：应先联接测量线和信号输出线的屏蔽接地在变压器侧同 点接地，以避免电晕干扰通过测量线进入仪器。然后再接测量线的测量端。最后 接信号输出线的输岀端。拆线时，先拆信号输岀端和测量端，再拆屏蔽接地。
4.1.1接线要求
1.检测前应拆除与变压器套管端部相连的所有引线，并使拆除的引线尽可 能远离被测变压器套管。对于套管引线无法拆除的变压器，可利用套管末屏抽头 作为响应端进行检测，但应注明，并应与同样条件下的检测结果作比较。
2.变压器绕组的幅频响应特性与分接开关的位置有关，宜在最高分接位置 下检测，或者应保证每次检测时分接开关均处于相同的位置。
3.因检测信号较弱，所有接线均应稳定、可靠，减小接触电阻。
4.两个信号检测端的接地线均应可靠连接在变压器外壳上的明显接地端 （如铁芯接地端），接地线应尽可能短且不应缠绕。
4. 2绕组变形的分析判断
用频率响应分析法判断变压器绕组变形,主要是对绕组的幅频响应特性进行 纵向或横向比较，并综合考虑变压器遭受短路冲击的情况、变压器结构、电气试 验及油中溶解气体分析等因素。根据相关系数的大小，可较直观地反映出变压器 绕组幅频响应特性的变化，通常可作为判断变压器绕组变形的辅助手段。
4. 2.1纵向比较法
纵向比较法是指对同一台变压器、同一绕组、同一分接开关位置、不同时期 的幅频响应特性进行比较，根据幅频响应特性的变化判断变压器的绕组变形。该 方法具有较高的检测灵敏度和判断准确性，但需要预先获得变压器原始的幅频响 应特性，并应排除因检测条件及检测方式变化所造成的影响。
图4>3是某台变压器在遭受突发性短路电流冲击前后测得的低压绕组幅频响 应特性曲线。遭受短路电流冲击以后的幅频响应特性曲线（LaLxO2）与冲击前 的曲线（LaLxOl）相比较，部分波峰及波谷的频率分布位置明显向右移动，可 判定变压器绕组发生变形。
4. 2.2横向比较法
横向比较法是指对变压器同一电压等级的三相绕组幅频响应特性进行比较， 必要时借鉴同一制造厂在同一时期制造的同型号变压器的幅频响应特性,来判断 变压器绕组是否变形。该方法不需要变压器原始的幅频响应特性，现场应用较为 方便，但应排除变压器的三相绕组发生相似程度的变形、或者正常变压器三相绕 组的幅頻响应特性本身存在差异的可能性。
4.3绕组变形分析
典型的变压器绕组幅频响应特性曲线，通常包含多个明显的波峰和波谷。经 验及理论分析表明，幅频响应特性曲线中的波峰或波谷分布位置及分布数量的变 化，是分析变压器绕组变形的重要依据。
幅频响应特性曲线低频段(lkHz~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。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 应及时査明原因。
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。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。
幅频响应特性曲线高频段(XOOkHz)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。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。
4.5现场测试注意事项
尽管频率响应分析法是一种高灵敏度的变压器绕组变形诊断方法，能够检测 出较小的绕组变形现象，且基本不受外界杂散干扰信号的影响。但由于测试回路 中任何电气参数的改变都会直接影响被測绕组频响特性的测试结果，为保证测试 结果的重复性，在现场使用时必须主要注意以下几个问题：
1.变压器套管相连母线的对地杂散电容往往是不固定的，三相间也不可能 完全平衡。为保证测试工作人员的人身安全和测试结果的重复性，便于进行相间 测试结果的相互比较，测试应在变压器完全与电网隔离的状态下进行。变压器的 出口引线对变压器绕组的频率响应特性影响很大，一般应在不帯任何出线的情况 下进行绕组变形测试；通常的做法是拆除所有与被试变压器套管相连的母线，并 尽可能使这些拆除的母线远离变压器套管，以降低杂散电容的影响；并使母线接 地，以免不同感应电压的影响。
2.变压器绕组的频率响应特性与分接开关的位置关系很大，测试时应检测 并记录分接开关的位置，前后两次或三相绕组之间的分接应在同一位置上。
3.测量引线本身的杂散电容也会影响频率响应特性的测试结果，测试时应 用专用的测量电缆及联接引线。
4.测试应在绕组充分放电以后进行；接地线应确保联接良好。
5.对于某一特定接线组别的，正常测试时必须具有一种固定的测试系统接 线方式；对于以短路前后频响差异作为判据的变压器变形测试，必须具有相同的 测试接线方式。
6.为保证测试结果的重复性，应尽可能使被测变压器附近产生干扰信号的 设备停止运行。
7.大型变压器铁芯的接地状态直接影响变压器绕组频率响应特性的测试结 果，测试时一般应使变压器的铁芯直接接地。
第五章结论
用频率响应分析法判断变压器绕组变形，主要是对绕组的幅频响应特性进行 纵向或横向比较，并综合考虑变压器遭受短路冲击的情况、变压器结构、电气试 验及油中溶解气体分析等因素。根据相关系数的大小，可较直观地反映出变压器 绕组幅频响应特性的变化，通常可作为判断变压器绕组变形的辅助手段。
1.变压器绕组的等效模型（电感、电容组成的无源二端口网络），与实际变 压器绕组特性尚有一定的差别，还有待于进一步研究和改进。
2.由于绕组变形状况，如整体位移、局部变形等对变压器绕组的频响曲线 有影响，因此需进一步研究变压器的频率响应曲线，并结合提取得到的特征量来 确定绕组变形位置。
3.本论文仅仅是对利用频响分析法进行变压器绕组变形检测研究的一种探 索，由于能力和时间的关系，研究还不够深入，但作者希望本文所做的工作能对 变压器绕组变形检测技术有一定的参考和借鉴意义。
4.以后工作中应收集更多的变压器图谱，对不同厂家、不同型号的变压器 图谱进行归类，总结各种绕组变形状态下的极点分布变化的规律。通过不断总结 绕组变形测试技术经验，提升测试系统的智能性和准确性，并为同行提供参考依 据。
5.根据变压器的频率响应辨识其等效模型参数、建立等效模型电路进一步 提高判断的准确性。目前有很多学者在这方面作了大量研究，但是始终没有推广 到工程实践中，这说明还有很大的改进空间，是频响分析法的一个重要发展方向。
