測(cè)試引線狀態(tài)對(duì)變壓器掃頻阻抗特性的影響研究

侯峰，劉勇 ，張?jiān)乓?，馮洋，尹松

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司培訓(xùn)中心，寧夏 銀川 750011；2.中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450007;3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049;4.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

變壓器主要承擔(dān)著電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn)換、分配及傳輸作用[1]，因此，變壓器一旦發(fā)生故障將直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，繞組變形是引起變壓器故障的主要原因之一，其占比可達(dá)19.4 %[3]。及時(shí)發(fā)現(xiàn)及修復(fù)變壓器繞組變形可有效延長(zhǎng)變壓器運(yùn)行壽命，對(duì)保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。頻率響應(yīng)分析法及短路阻抗法是目前被廣泛應(yīng)用于變壓器繞組變形檢測(cè)的2種方法[4-6]，然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明上述2種方法存在不足之處[6-8]：頻率響應(yīng)分析法的測(cè)試結(jié)果易受外部電磁干擾影響，短路阻抗法不僅靈敏度較低，且其所獲取的繞組狀態(tài)信息亦較少。為了解決上述問題，提出了一種新型繞組變形測(cè)試方法——掃頻阻抗法。研究結(jié)果表明，這種方法相較于頻率響應(yīng)分析法及短路阻抗法具有更好的抗干擾能力、更豐富的繞組狀態(tài)信息，以及更明確的繞組變形診斷判據(jù)，故該方法得到了越來越廣泛的研究及應(yīng)用[7-13]。

目前，利用掃頻阻抗法對(duì)變壓器繞組變形進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，考慮的影響因素主要是激勵(lì)源電壓等級(jí)、局部放電，以及接地線長(zhǎng)度[8-10]等，但測(cè)試系統(tǒng)引線對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響則未引起相關(guān)的關(guān)注。為了提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，避免由外部干擾造成的繞組變形誤判，本文基于掃頻阻抗法測(cè)試原理，搭建實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)，利用1臺(tái)10 kV單相變壓器，研究及分析不同測(cè)試引線狀態(tài)對(duì)掃頻阻抗曲線及其診斷判據(jù)的影響。

1 掃頻阻抗測(cè)試方法

1.1 掃頻阻抗測(cè)試原理

掃頻阻抗法結(jié)合了頻率響應(yīng)分析法及短路阻抗法的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)試結(jié)果與頻率響應(yīng)曲線相似，包含了寬頻帶的變壓器狀態(tài)信息，且曲線50 Hz處阻抗值等效于變壓器的短路阻抗值，故其可利用較為成熟的短路阻抗判據(jù)對(duì)變壓器繞組狀況進(jìn)行判定[11]。常規(guī)的掃頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)一般由上位機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡，以及實(shí)驗(yàn)變壓器所組成，如圖 1所示。

圖 1 掃頻阻抗測(cè)試接線

測(cè)試時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅值為±5 V，頻帶為10 Hz～1 MHz的正弦電壓信號(hào)，該信號(hào)幅值經(jīng)功率放大器放大為原信號(hào)的10倍后，加載于被測(cè)變壓器的一次側(cè)(或二次側(cè))繞組，此時(shí)該變壓器的二次側(cè)(或一次側(cè))繞組短接；然后，利用數(shù)采卡同步獲取變壓器繞組首、末端采樣電阻R1和R2上的激勵(lì)信號(hào)Ui及響應(yīng)信號(hào)Uo，從而可得變壓器的掃頻阻抗Z為

(1)

已知電流I1=Uo/R2，將其帶入式(1)，可得

(2)

將式(2)進(jìn)一步展開：

(3)

式中：Ui，θi—激勵(lì)信號(hào)的幅值及相位；

Uo，θo—響應(yīng)信號(hào)的幅值及相位。

在實(shí)際測(cè)試中，不同頻率下的變壓器掃頻阻抗值差別較大，為了便于觀察及分析，常利用式(3)獲取的變壓器掃頻阻抗值Z進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，如

Zk=20×log10(Z)

(4)

當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形時(shí)，其掃頻阻抗值(Z或Zk)與正常情況相比會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，因此，利用上述特性即可實(shí)現(xiàn)判斷變壓器繞組狀態(tài)的目的。

1.2 掃頻阻抗診斷判據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，掃頻阻抗法一般采用相對(duì)互差絕對(duì)值及相關(guān)系數(shù)對(duì)繞組是否存在變形進(jìn)行量化判定。

1.2.1 相對(duì)互差絕對(duì)值

掃頻阻抗法的相對(duì)互差絕對(duì)值ΔZ是指變壓器掃頻阻抗50 Hz處的測(cè)試值Zm與參考值Zr間的相對(duì)互差絕對(duì)值，具體為

(5)

式中：Zr— 一般為正常變壓器的50 Hz處阻抗值。

當(dāng)被測(cè)變壓器的相對(duì)互差絕對(duì)值△Z>2.0 %時(shí)，可認(rèn)為該變壓器存在繞組變形的可能性，應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行停機(jī)檢修[14]。

1.2.2 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)R能夠量化表示2條變壓器掃頻阻抗曲線的相似度，具體計(jì)算為

(6)

式中：

(7)

式中：Xi，Yi—變壓器掃頻阻抗的測(cè)試數(shù)據(jù)及指紋數(shù)據(jù)(一般為正常變壓器的掃頻阻抗數(shù)據(jù))。

相關(guān)系數(shù)R與繞組變形程度的關(guān)系如表 1所示[15]。

表1 相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系

表1中，RLF，RMF和RHF分別表示2條掃頻阻抗曲線在低頻段(1～100 kHz)、中頻段(100～600 kHz)和高頻段(600 kHz～1 MHz)時(shí)的相關(guān)系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了研究測(cè)試系統(tǒng)引線對(duì)掃頻阻抗曲線及其診斷參量的影響，使用了1臺(tái)10 kV單相雙繞組變壓器，其內(nèi)部絕緣、引線等結(jié)構(gòu)均是仿照110 kV變壓器制成，如圖 2所示。

圖2 單相實(shí)驗(yàn)變壓器

實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的2根引線A、B(長(zhǎng)度皆為15 m)以2種不同的模式連接于單相實(shí)驗(yàn)變壓器高壓繞組的首、末端套管，具體如圖 3所示。

(a)模式1

由圖3可知，按照形狀及位置的不同，接線模式1和2中的測(cè)試引線A、B可劃分為3段，具體如下：

對(duì)于模式1而言，A、B第1段引線長(zhǎng)度為0.5 m，其沿固定件縱向向上，最后連接于繞組套管；兩者第2段引線長(zhǎng)度為1 m，其沿油箱側(cè)面縱向延伸；第3段引線長(zhǎng)度為13.5 m，其水平連接于測(cè)試系統(tǒng)，如圖3(a)所示。

模式2中的A、B第1段引線長(zhǎng)度為10 m，經(jīng)固定件纏繞成螺旋結(jié)構(gòu)后，連接于繞組首、末端套管；除第3段引線長(zhǎng)度減少為4 m外，兩者其他引線設(shè)置與模式1相同，如圖3(b)所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)接線，對(duì)單相變壓器進(jìn)行測(cè)試，獲取了2種系統(tǒng)引線接線模式下的掃頻阻抗曲線，如圖 4所示，其中，測(cè)試引線A、B分別連接的繞組首、末端套管亦為掃頻信號(hào)的激勵(lì)端及響應(yīng)端。

(a)頻率為10 Hz～1 MHz時(shí)的掃頻阻抗曲線

如圖 4所示，當(dāng)頻率小于600 kHz時(shí)，2種接線模式下的變壓器掃頻阻抗曲線基本重合，而當(dāng)頻率超過600 kHz時(shí)，2條曲線開始出現(xiàn)明顯的差異，具體表現(xiàn)為接線模式2的曲線幅值在850 kHz左右分別處于大于和小于接線模式1的狀態(tài)。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，圖 4中的曲線變化主要是由接線模式2中的引線螺旋結(jié)構(gòu)(見圖 3)提高了整體測(cè)試系統(tǒng)的電感引起，但相比于接線模式1，接線模式2的電感增量較小，故頻率小于600 kHz時(shí)，該電感增量在阻抗曲線中的體現(xiàn)并不明顯，因此2種接線模式的阻抗曲線基本重合。隨著頻率的升高，引線螺旋結(jié)構(gòu)引起的接線模式2的電感增大作用開始逐步顯現(xiàn)，所以頻率為600～850 kHz時(shí)的接線模式2的掃頻阻抗曲線幅值大于接線模式1。當(dāng)頻率超過850 kHz時(shí)，測(cè)試引線的對(duì)地電容因素開始主導(dǎo)掃頻阻抗曲線的走勢(shì)。由于接線模式2位于油箱頂蓋上的測(cè)試引線更長(zhǎng)，所以造成其對(duì)地電容相對(duì)較小。已知對(duì)地電容與旁路電流為正相關(guān)，由圖 1可知此時(shí)繞組末端響應(yīng)電壓Uo增大，因此由式(2)獲取的接線模式2的掃頻阻抗值會(huì)在850 kHz以上頻率出現(xiàn)小于接線模式1的現(xiàn)象。

利用式(5)和式(6)，得到2種接線模式下的掃頻阻抗數(shù)據(jù)的相對(duì)互差絕對(duì)值及相關(guān)系數(shù)，分別如表 2和表 3所示。

表2 2種接線模式下50 Hz處阻抗值的相對(duì)互差絕對(duì)值

表3 2種接線模式下的掃頻阻抗曲線間的相關(guān)系數(shù)

由表 2可知，2種接線模式下的50 Hz處阻抗值基本相同，且兩者間的相對(duì)互差絕對(duì)值僅為0.008 %，這進(jìn)一步表明了兩者阻抗值間的差異基本可以忽略不計(jì)。通過表 3可知，2種接線模式的相關(guān)系數(shù)從低頻段到高頻段呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，且該趨勢(shì)與兩者的掃頻阻抗曲線特征一致，即隨著頻率的升高兩者的曲線相似度不斷下降。

4 引線狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，測(cè)試引線狀態(tài)主要影響600 kHz及以上頻率的掃頻阻抗曲線，這與電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 911-2016[12]中指出的繞組存在整體位移故障時(shí)的掃頻阻抗曲線變化規(guī)律一致。因此，當(dāng)測(cè)試引線狀態(tài)改變時(shí)，如根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的曲線變化趨勢(shì)判斷繞組狀態(tài)，則現(xiàn)場(chǎng)人員易出現(xiàn)將正常繞組誤判為整體位移故障的現(xiàn)象。

對(duì)于診斷判據(jù)而言，測(cè)試引線狀態(tài)改變所引起的變壓器掃頻阻抗的相對(duì)互差絕對(duì)值極小，基本可忽略不計(jì)，故不會(huì)對(duì)該判據(jù)造成影響，但其對(duì)相關(guān)系數(shù)判據(jù)的影響則較為明顯。由式(6)和式(7)可知，當(dāng)2條曲線完全相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)系數(shù)R為10，隨著兩者相似程度的下降，相關(guān)系數(shù)R的數(shù)值減小。因此，表 3中2種接線模式下不同頻段的相關(guān)系數(shù)(RLF=3.322，RMF=1.936，RHF=1.213)雖仍處于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的繞組正常的判定范圍之內(nèi)(即表 1中的RLF≥2.0，RMF≥1.0，RHF≥0.6)，但其高頻段相關(guān)系數(shù)相較于其他頻段呈現(xiàn)的減小趨勢(shì)更為顯著。這表明當(dāng)測(cè)試引線狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)變壓器掃頻阻抗的高頻段相關(guān)系數(shù)極易誤判繞組狀態(tài)。

綜上，測(cè)試引線狀態(tài)變化對(duì)相關(guān)系數(shù)判據(jù)和600 kHz及以上頻率掃頻阻抗曲線的影響較大，因此，為準(zhǔn)確判斷變壓器繞組是否存在變形，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)參考相對(duì)互差絕對(duì)值判據(jù)。

5 結(jié) 論

為了減少對(duì)繞組變形的誤判，本文利用1臺(tái)10 kV單相變壓器，研究了測(cè)試系統(tǒng)引線狀態(tài)對(duì)掃頻阻抗曲線及其診斷參量的影響，具體結(jié)論如下：

1)測(cè)試引線狀態(tài)改變時(shí)，由于受整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電感及對(duì)地電容的影響，頻率超過600 kHz的變壓器掃頻阻抗曲線會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化，主要體現(xiàn)為掃頻阻抗曲線在600～850 kHz時(shí)出現(xiàn)上升，大于850 kHz時(shí)下降；

2)測(cè)試引線狀態(tài)的改變基本不會(huì)對(duì)50 Hz處的掃頻阻抗值產(chǎn)生影響，故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)使用相對(duì)互差絕對(duì)值能夠更為準(zhǔn)確地判定繞組的狀態(tài)；

3)測(cè)試引線狀態(tài)對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響較為明顯，尤其是高頻段相關(guān)系數(shù)。

因此，為了更為準(zhǔn)確地判定變壓器繞組狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃頻阻抗法測(cè)試時(shí)，應(yīng)保持前后兩次測(cè)試的系統(tǒng)引線狀態(tài)一致，否則，可將相對(duì)互差絕對(duì)值作為主要判據(jù)對(duì)變壓器繞組狀態(tài)進(jìn)行判定。