頻率響應(yīng)法在線監(jiān)測(cè)變壓器繞組變形

孫國(guó)繁，陳建杰，張世魁

(山西省電力公司運(yùn)城供電分公司，山西 運(yùn)城 044000)

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，其正常運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和供電可靠性具有十分重要的意義。根據(jù)變壓器事故統(tǒng)計(jì)分析，繞組損壞是變壓器的事故重點(diǎn)［1，2］。變壓器繞組的機(jī)械變形是一個(gè)累積過(guò)程，變壓器繞組經(jīng)多次沖擊積累，極易在某次短路沖擊下，造成繞組失穩(wěn)損壞［3，4］。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的事故隱患，避免事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和供電可靠性，開展變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)原理和算法的研究，不僅具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值，而且具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 繞組變形監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

變壓器繞組變形的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有短路阻抗法、低壓脈沖法、頻率響應(yīng)分析法、電容量變化法等。其中，頻率響應(yīng)法因靈敏度高、現(xiàn)場(chǎng)使用方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，成為變壓器繞組變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要方法［5－9］。這些檢測(cè)方法都需變壓器退出運(yùn)行，屬于離線檢測(cè)方法，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀況以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。20世紀(jì)90年代初，在短路阻抗法原理的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)在線監(jiān)測(cè)變壓器短路電抗變化來(lái)分析判斷繞組狀況的設(shè)想，并從理論分析了其原理和方法?，F(xiàn)在對(duì)頻響法的研究，主要是通過(guò)研究新的參數(shù)模型［10－13］、新的測(cè)試方式［14，15］、新的頻譜曲線分析方法［16－22］來(lái)提高頻響法離線監(jiān)測(cè)的精確度和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［10］提出通過(guò)在線輸入低壓擾動(dòng)線性調(diào)頻信號(hào)，分析其頻響特性來(lái)實(shí)現(xiàn)繞組變形在線監(jiān)測(cè)。

3 頻響法在線監(jiān)測(cè)原理

在較高頻率的電壓作用下，變壓器繞組可視為一個(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)，繞組結(jié)構(gòu)的任何物理變化都會(huì)引起繞組的電感和電容特性發(fā)生變化，那么這將必然改變網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)，導(dǎo)致傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，從而使得網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。

實(shí)際上，離線頻率響應(yīng)法的靈敏度、可靠性和準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于離線短路電抗法?，F(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)是離線短路電抗法的直接移植。因此，在理論上就不能繼承或吸收頻響法的這一突出優(yōu)點(diǎn)。研究能反映變壓器繞組工程特性、繼承離線算法的主要成果、充分利用在線資源的變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)原理和算法，十分必要，既是解決工程實(shí)際難題也是此類問(wèn)題理論難題。

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中可以獲得很多有用的信號(hào)。電力系統(tǒng)內(nèi)每天的各種正常操作、負(fù)荷的變化甚至保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作、故障后的重合閘等，只要這些操作或動(dòng)作距監(jiān)測(cè)變壓器的電氣距離較近，都會(huì)在引起變壓器監(jiān)測(cè)電壓、電流的暫態(tài)過(guò)程。這些暫態(tài)電壓、電流，相當(dāng)于各種加信信號(hào)，是在線監(jiān)測(cè)的寶貴資源。將這些暫態(tài)信號(hào)的響應(yīng)曲線進(jìn)行傅里葉變換，分析變壓器繞組諧波分解后的頻率響應(yīng)特性，就可以了解變壓器繞組的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)。

4 建立非均勻分布參數(shù)模型

合適的變壓器繞組模型應(yīng)符合變壓器繞組的物理構(gòu)造，能將變壓器繞組的故障通過(guò)模型參數(shù)的改變反映出來(lái)。繞組可以看作一個(gè)由電阻、電感、電容等組成的無(wú)源分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如圖1所示。按照每匝或者每餅線圈為單位建立n級(jí)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其中每級(jí)電路都是由一個(gè)電感、一個(gè)縱向電容、一個(gè)對(duì)地電容組成?？v向電容是指匝間電容或餅間電容。該模型中，考慮邊緣效應(yīng)的影響，認(rèn)為上下邊緣繞組的參數(shù)和其他匝是有區(qū)別的，是非均勻的分布參數(shù)模型。

圖1 變壓器繞組分布參數(shù)模型

圖1中，Ri為繞組每匝或每餅電阻;Li為繞組每匝電感或每餅電感;Ki為縱向電容;Cgi為繞組對(duì)地電容。

模型的參數(shù)以投運(yùn)前或檢修后的變壓器繞組參數(shù)為參考，按照上面的模型假設(shè)，設(shè)繞組軸線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，如圖2所示。

圖2 繞組平面簡(jiǎn)化圖

其中，x軸為變壓器繞組軸線，零點(diǎn)對(duì)應(yīng)繞組軸線中心。認(rèn)為離軸線中心位置小于aL(a＜1/2，設(shè)為調(diào)節(jié)系數(shù))的繞組單元可以用Lc、Kc、Cgc來(lái)表示，而離軸線中心位置大于aL的繞組單元可以表示為繞組位置與軸線中心距離的函數(shù):

其中i為繞組單元的序號(hào)，上述函數(shù)均為關(guān)于x的多項(xiàng)式。

模型參數(shù)總體大小應(yīng)等于實(shí)際變壓器繞組總的電感、電容值。通過(guò)修正a和上述函數(shù)，使得模型對(duì)應(yīng)于繞組可測(cè)量端的電壓和電流。

5 試驗(yàn)研究

變壓器高壓側(cè)輸入諧波電壓，則輸出端的電壓和電流信號(hào)中含有豐富的諧波成份。將采集到的電流和電壓均作FFT諧波分解，分析其幅頻、相頻特性，從而判斷變壓器繞組是否變形。通過(guò)比較變壓器繞組完好和C相繞組并接電容時(shí)的幅頻、相頻特性曲線來(lái)驗(yàn)證在頻響法在線監(jiān)測(cè)理論。圖3、圖4分別為變壓器繞組完好時(shí)和模擬故障時(shí)照片。

變壓器C相繞組匝間并接電容，則C相繞組匝間電容、電感會(huì)變化，可以模擬變壓器繞組軸向壓縮變形。圖4中所并電容數(shù)量級(jí)與變壓器繞組匝間電容相等。

5.1 幅頻特性分析

變壓器輸出電壓數(shù)據(jù)經(jīng)諧波分解之后的電壓幅值隨頻率變化的響應(yīng)曲線，如圖5。

從圖5可知，A、B、C三相的幅頻曲線相關(guān)性非常好，相似度很高。三條曲線基本一致，根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)的等效原則，三柱的自身參數(shù)處于相對(duì)獨(dú)立且相等的狀態(tài)，可以判斷變壓器側(cè)繞組基本沒有變形。

圖5 完好繞組幅頻曲線

圖6 繞組C相并電容幅頻曲線

圖6看出，變壓器A、B相的幅頻曲線相關(guān)性較好，C相曲線在200～700Hz頻率范圍內(nèi)與A、B相幅頻特性有明顯差異。這是由于C相繞組并接的電容導(dǎo)致C相繞組電容和電感發(fā)生改變，導(dǎo)致C相幅頻特性發(fā)生改變。同時(shí)也說(shuō)明4～14次諧波對(duì)此類模擬故障比較靈敏。

5.2 相頻特性分析

圖7為變壓器完好時(shí)低壓側(cè)三相電壓相頻特性曲線?？梢钥吹饺龡l曲線極點(diǎn)都出現(xiàn)在100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz附近，相似度較好。

圖7 完好繞組相頻曲線

圖8

圖8中，C相在400Hz處極點(diǎn)發(fā)生漂移。這也是因?yàn)椴⒔与娙荩喈?dāng)于繞組軸向壓縮變形，改變了C相繞組傳輸特性，最終引起其相頻特性發(fā)生改變。B相極點(diǎn)在500Hz處也發(fā)生漂移，這是因?yàn)锽相和C相之間存在耦合，引起B(yǎng)相相頻特性發(fā)生變化。

6 結(jié)論與展望

(1)在線頻響法可繼承或吸收離線頻響法靈敏、可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，因此，其靈敏度、可靠性、準(zhǔn)確率要明顯優(yōu)于在線短路阻抗法。

(2)基于非均勻分布參數(shù)模型的變壓器繞組變形監(jiān)測(cè)原理和算法的研究，將大大提高在線監(jiān)測(cè)繞組變形診斷的靈敏度、準(zhǔn)確性、有效性和可靠性，為變壓器特別是電力變壓器繞組變形監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)用化奠定重要的理論基礎(chǔ)，具有重要的理論和工程實(shí)用價(jià)值。

(3)變壓器在運(yùn)行過(guò)程中可以獲得很多有用的暫態(tài)信號(hào)。這些暫態(tài)電壓、電流，相當(dāng)于各種加信信號(hào)，可以作為變壓器繞組變形監(jiān)測(cè)的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻響法在線監(jiān)測(cè)變壓器繞組變形。

(4)將暫態(tài)信號(hào)的響應(yīng)曲線進(jìn)行傅里葉變換，分析變壓器繞組諧波分解后的幅頻、相頻特性，可以判斷變壓器繞組狀態(tài)。

(5)可以進(jìn)一步研究不同的變壓器繞組故障對(duì)各次諧波的影響，進(jìn)而根據(jù)頻響曲線判斷繞組發(fā)生何種變形。

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