掃頻短路阻抗法檢測(cè)變壓器繞組變形的應(yīng)用研究

，，

(貴陽(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的安全可靠運(yùn)行與否將直接關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)變壓器進(jìn)行繞組變形測(cè)試，已經(jīng)成為變壓器在受到短路電流沖擊后重要的測(cè)試項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的主要采用以下兩種方法：一是頻率響應(yīng)分析法；二是低電壓短路阻抗法。

頻率響應(yīng)分析法是利用精確的掃頻測(cè)量技術(shù)，對(duì)被試?yán)@組施加lkHz～1MHz的低壓掃頻信號(hào)，測(cè)量繞組的頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)。如果繞組發(fā)生了機(jī)械變形現(xiàn)象，等值網(wǎng)絡(luò)中的分布參數(shù)隨之變化，其幅頻特征曲線(xiàn)的諧振點(diǎn)就會(huì)發(fā)生變化[1]。

短路阻抗法通常在變壓器的高壓繞組側(cè)加工頻的低電壓，低壓繞組側(cè)短路，測(cè)量工頻時(shí)變壓器的短路阻抗。短路阻抗值主要是漏電抗分量，由繞組的幾何尺寸所決定，變壓器繞組結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢(shì)必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變[2,3]。

頻響法和短路阻抗法在變壓器繞組變形測(cè)試已經(jīng)有了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并取得一定的效果，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)頒布。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)不同類(lèi)型的變形敏感程度不同[4]。在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，某些變形在頻響法中有反映但在低電壓短路阻抗中沒(méi)有反映，相反的情況也存在,因此同時(shí)利用兩種方法，可以有效減少誤判。但是利用兩種原理的儀器進(jìn)行兩次測(cè)試，極為耗時(shí)耗力，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作帶來(lái)了很大不便。

本文結(jié)合頻響法和短路阻抗法原理創(chuàng)造性地提出了一種新的掃頻短路阻抗測(cè)試方法，基于該方法研制了新型的繞組變形測(cè)試儀，一次測(cè)試可以同時(shí)獲得全頻段的短路阻抗曲線(xiàn)和頻響曲線(xiàn)，能夠更靈敏地檢測(cè)電力變壓器繞組變形情況。

2 掃頻短路阻抗法判斷分析方法的研究

2.1 掃頻短路阻抗法模擬測(cè)試

試驗(yàn)采用模型變壓器對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備采用基于掃頻短路阻抗法的繞組變形測(cè)試系統(tǒng)，接線(xiàn)方式如圖1所示，將變壓器原邊加壓副邊短接，在加壓側(cè)施加≥100W的大功率掃頻信號(hào)，通過(guò)測(cè)量裝置獲得激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)，從而繪制出掃頻短路阻抗法的試驗(yàn)曲線(xiàn)，進(jìn)行變換不同的坐標(biāo)系等處理，使數(shù)據(jù)的特性顯示更加明顯。

圖1 掃頻短路阻抗法的測(cè)試接線(xiàn)原理圖

在模型變壓器副邊繞組開(kāi)路情況下，在30Hz～1MHz頻段內(nèi)進(jìn)行掃頻測(cè)試獲得傳統(tǒng)頻響測(cè)試曲線(xiàn)；再將模型變壓器低壓繞組短路，進(jìn)行30Hz～1MHz進(jìn)行掃頻測(cè)試獲得短路頻響曲線(xiàn)及短路阻抗曲線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 傳統(tǒng)頻率響應(yīng)法測(cè)試曲線(xiàn)與掃頻短路阻抗法測(cè)試曲線(xiàn)的對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

(1)在頻率大于45kHz以后，模型變壓器在低壓二次開(kāi)路及短路情況下測(cè)的的相應(yīng)曲線(xiàn)基本重合，因此掃頻短路阻抗法可以獲得在中、高頻頻段與傳統(tǒng)頻率響應(yīng)法一致的頻響曲線(xiàn)；

圖3 掃頻短路阻抗法測(cè)得的電抗-頻率特性曲線(xiàn)

表1 測(cè)量獲得的50Hz短路阻抗值

(2)低頻段兩種方法下獲得的曲線(xiàn)差別較大，但二次短路情況下(<1kHz)獲得的曲線(xiàn)表現(xiàn)為線(xiàn)性，與頻率成正比，可以認(rèn)為是集中參數(shù)的漏抗，如圖3短路阻抗-頻率曲線(xiàn)的低頻段所示。通過(guò)短路阻抗-頻率特征曲線(xiàn)，可以獲得50Hz時(shí)的短路阻抗值(見(jiàn)表2)，與銘牌值進(jìn)行比較相差不大，短路阻抗值的測(cè)量精度滿(mǎn)足要求；

(3)掃頻短路阻抗法可以將頻率響應(yīng)法和短路阻抗法有機(jī)的結(jié)合在一起，一次測(cè)試能夠同時(shí)獲得頻響曲線(xiàn)和短路阻抗-頻率曲線(xiàn)，在低頻段和中高頻段可以分別運(yùn)用短路阻抗值和頻響曲線(xiàn)的差異來(lái)判斷變壓器是否存在繞組變形。

2.2 掃頻阻抗法的判斷方法的研究

對(duì)掃頻阻抗法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，還可以獲得以下特征曲線(xiàn)：

(1)阻抗/ω-頻率(Zk/ω-f)特征曲線(xiàn)

(2)阻抗-頻率(Zk-f)特征曲線(xiàn)

(3)電阻-頻率(R-f)特征曲線(xiàn)

(4)電抗-頻率(X-f)特征曲線(xiàn)

通過(guò)在模型變壓器繞組上串聯(lián)電感和并聯(lián)電容，模擬繞組變形引起的參數(shù)變化，研究利用不同特征曲線(xiàn)上的變化特征來(lái)判斷變壓器繞組變形的分析方法。

2.2.1 模擬繞組電感參數(shù)變化的測(cè)試曲線(xiàn)分析

在模型變壓器的低壓側(cè)串聯(lián)0.96mH電感值的電感器，模擬變壓器變形引起電感參數(shù)變化時(shí)的測(cè)試曲線(xiàn)。

由圖4可以看出，串聯(lián)電感后低頻段出現(xiàn)較明顯的平移，其他頻率部分也發(fā)生微弱的平移，但不明顯；其中中頻100kHz附近出現(xiàn)波峰反相的現(xiàn)象。由于與頻率成正比，變化范圍較大，實(shí)際應(yīng)用中較難比較曲線(xiàn)的變化，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

圖4 模擬電感參數(shù)變化前后頻響曲線(xiàn)

由于電感變化對(duì)低頻段影響較明顯，對(duì)30Hz～10kHz的阻抗/ω-頻率(-f)特征曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如圖5所示，在對(duì)應(yīng)位置有明顯變化，特別低頻段的明顯平移，所以在1kHz以下頻率范圍內(nèi)，判斷繞組變形時(shí)可以將這一參數(shù)量作為判斷變形的依據(jù)。

圖5 模擬電感參數(shù)變化前后-f特征曲線(xiàn)

在圖6電阻-頻率(R-f)特征曲線(xiàn)、圖7電抗-頻率(X-f)特征曲線(xiàn)中，中頻100kHz附近電感變化反映比頻響曲線(xiàn)更明顯，因此R-f特征曲線(xiàn)和X-f特征曲線(xiàn)適合于判斷繞組變形在中高頻頻段引起的參數(shù)變化。

圖6 模擬電感參數(shù)變化前后R-f特征曲線(xiàn)

2.2.2 模擬繞組電容參數(shù)變化的測(cè)試曲線(xiàn)分析

在模型變壓器的入口端并聯(lián)30pF電容，模擬變壓器高壓引線(xiàn)移位等變形故障引起的對(duì)地分布電容參數(shù)改變時(shí)的頻響曲線(xiàn)。

圖7 模擬電感參數(shù)變化前后X-f特征曲線(xiàn)

圖8 模擬電容變化前后頻響特性曲線(xiàn)

如圖8所示，并聯(lián)電容后高頻段出現(xiàn)明顯的波峰移位現(xiàn)象和曲線(xiàn)平移，但在低頻段沒(méi)有明顯變化。50Hz的短路阻抗如表2所示。

表2 并聯(lián)電容前后50Hz短路阻抗值列表

對(duì)短路阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步歸一化處理，繪制曲線(xiàn)和R-f曲線(xiàn)，觀察兩種曲線(xiàn)在并聯(lián)電容前后的變化情況，如圖9和圖10所示。

圖9 模擬電容變化前后特征曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比幾個(gè)波形可以看出，在電容性的改變引起的影響，在頻率響應(yīng)曲線(xiàn)上較明顯，在阻抗-頻率特征曲線(xiàn)，阻抗/ω-頻率特征曲線(xiàn)上僅有微弱反映，但在圖10的電阻-頻率特征曲線(xiàn)上出現(xiàn)明顯的波峰移位、反相現(xiàn)象，反映較靈敏。

圖10 模擬電容變化前后R-f特征曲線(xiàn)

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證掃頻短路阻抗法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果，先后對(duì)10個(gè)變電站、12臺(tái)不同電壓等級(jí)、不同接線(xiàn)組別的變壓器進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 與短路阻抗法的對(duì)比

表3是利用阻抗-頻率(Zk/ω)曲線(xiàn)計(jì)算出50Hz時(shí)4臺(tái)不同變壓器的短路阻抗值，與銘牌值的比較：

表3 掃頻短路阻抗曲線(xiàn)提取的50Hz阻抗值與銘牌值的比較

由表3可見(jiàn)，由掃頻短路阻抗法獲得的50Hz時(shí)短路阻抗值，可以與銘牌值比較用來(lái)判斷變壓器的繞組變形情況，其精度滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需要；而且與短路阻抗法相比，在所需要的測(cè)試設(shè)備容量和測(cè)試方法的易用性等方面，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

3.2 與頻率響應(yīng)法的對(duì)比

圖11為利用掃頻短路阻抗法測(cè)得的某220kV變壓器A相“高壓-低壓”側(cè)頻響曲線(xiàn)。

圖11 某220kV變壓器A相“高壓-低壓”掃頻短路阻抗法測(cè)得的頻響曲線(xiàn)

同時(shí)，采用頻率響應(yīng)法繞組變形測(cè)試儀對(duì)該變壓器相應(yīng)繞組進(jìn)行測(cè)試，生成的頻響曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 某220kV變壓器A相“高壓-低壓”頻率響應(yīng)法測(cè)得的頻響曲線(xiàn)

然后將掃頻短路阻抗法(SFSCR)與頻響法(FRA)的頻響曲線(xiàn)波峰、波谷進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示。

表4 某220kV變壓器A相FRA和SFSCR頻響曲線(xiàn)峰波谷對(duì)照表

由表4可以看出，掃頻短路阻抗法頻響曲線(xiàn)與傳統(tǒng)頻率響應(yīng)法頻響曲線(xiàn)在中、高頻段，波峰、波谷位置基本一致，掃頻短路阻抗法頻響曲線(xiàn)能夠反映變壓器繞組的頻響特性，能夠用來(lái)作為變壓器繞組變形判斷的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)掃頻短路阻抗法將頻響法和短路阻抗法有機(jī)的結(jié)合在一起，能夠較好利用兩種方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行變壓器繞組變形判斷，大大了降低誤判的概率；而且該方法更加高效易用，是一種新型的有效的繞組變形診斷方法。

(2)掃頻短路阻抗法在低頻段可以測(cè)得50Hz時(shí)變壓器的短路阻抗值，將其與銘牌值比較，作為判斷變壓器是否變形的依據(jù)；同時(shí)在中高頻段則以測(cè)得的頻響曲線(xiàn)與歷史保存的頻響曲線(xiàn)進(jìn)行橫向和縱向比較，通過(guò)曲線(xiàn)的差異程度來(lái)判斷繞組是否存在變形。測(cè)試時(shí)實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量可以同時(shí)取得變壓器繞組的短路阻抗-頻率特征曲線(xiàn)和頻響特性曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與兩種方法的兼容，是一種新型的有效的繞組變形診斷方法。

(3)掃頻短路阻抗法通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，引入了阻抗/ω-頻率曲線(xiàn)、電抗-頻率曲線(xiàn)和電阻-頻率曲線(xiàn)這些新的特征量，使得分析判斷手段更加豐富，測(cè)試結(jié)果更加明顯、直觀。