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1、变压器绕组在线分析方法的研究【摘要】文章首先利用磁路法推导出了变压器的短路电抗,证明了变压器的短路电抗与绕组结构参数之间的关系,提供了判断变压器绕组变形的理论依据。根据变压器的T型计算模型，推导出了短路电抗的在线计算方法,并给出了采用这种检测方法时可能产生的误差,同时证明了误差可控制在要求以内。【关键词】变压器；绕组变形；在线检测 ；短路电抗前言通常来说，变压器在遭受短路故障电流冲击后，绕组将会发生局部变形，即使没有立即损坏，也有可能留下了严重的故障隐患。例如：局部放电，突发性绝缘事故。首先，绝缘距离将发生改变，固体绝缘受到损伤后将导致局部放电发生。当遇到雷电过电压作用时便有可能发生匝间、饼间
2、击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用也可能引发绝缘击穿事故。其次，绕组机械性能下降，当遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生损坏事故。因此，积极开展变压器绕组变形工作，及时去发现那些有问题的变压器，定期去进行吊罩验证和检修，不仅可节省大量的人力、物力，而且对防止变压器事故的发生也起到极其重要的作用。目前，世界各国都在积极开展变压器绕组变形诊断工作，有些国家甚至把该项工作作为变压器预防性试验项目中的首要工作。下面简要介绍变压器绕组变形的检测方法。1.电力变压器简介电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有极其重要的意义。
3、作为变压器中最重要的部件之一的绕组，由于受到短路冲击、制造工艺或运输过程中处理不当的影响，容易在电动力或机械力的作用下产生不可逆的变形。这给变压器的安全运行留下严重隐患，严重时可造成变压器毁灭性事故。开展变压器绕组状况的在线诊断工作对于电力系统的正常运行有重要意义。 文中详细分析了变压器绕组变形检测的现状，对低压脉冲法、频率响应法、短路电抗法和振动监测法进行了深入讨论。 变压器绕组的短路电抗和绕组的几何形状和空间位置有直接的关系。当绕组发生变形或位移时，变压器的短路电抗必然会发生改变。监测变压器的短路电抗就成为监测变压器绕组是否变形的有效手段。 本文详细研究了变压器的绕组状况和短路电抗的关系以
4、及短路电抗在线测量的原理，得到了变压器短路电抗的在线计算方法，构建了变压器绕组变形诊断系统，并提出了系统抗干扰的措施。对基于短路电抗的变压器绕组变形在线诊断，目前还没有成熟的理论，尤其是诊断策略方面缺乏深入研究。本文将时间序列分析方法引入到基于电抗分析的变压器绕组变形在线诊断中，并提出利用变压器在线监测到的数据形成时间序列，并对其建立AR模型来对变压器的绕组状况进行诊断。其间介绍了时间序列建模的方法和步骤以及如何利用这个模型来对变压器的绕组状况进行诊断。最后用计算机仿真对诊断方法作了验证。从仿真结果看这种方法具有较高的准确性。2.检测方法2.1集中参数检测法这是最早使用的绕组变形诊断方法。由于
5、变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然会发生相对变化。所以通过测量绕组的短路阻抗等集中参数的变化来判断变压器是否发生变形。然而多年来的使用经验表明，该方法对测试条件要求较高，在现场往往难以获得必要的检测灵敏度，甚至在有些时仅对那些绕组变形严重的变压器有效。2.2测量传递函数H(j)的变化近年来，国内外大量的研究成果表明，利用网络分析技术，测量变压器各个绕组的传递函数H（j），并对测试结果进行纵向或横向（三相之间）比较，可以灵敏而有效地诊断出绕组的扭曲、鼓包、移位等变形现象。因为当频率超过1KHz时，变压器的铁芯基本不起作用，每个绕组均可视为一个由电阻、电容、电感等分布
6、参数构成的无源线性二端口网络。若忽略绕组的电阻（通常很小），则绕组的等值电路如图1所示。根据电路理论，它是可以通过传递函数H(j)对其特性进行描述的。如果绕组发生机械变形，势必会改变网络的L、K、C等分布参数，导致其传递函数H(j)的零、极点分布发生变化。图1绕组的等值电路通过测量传递函数H(j)的变化来诊断变压器绕组变形，可分为低压脉冲法（简称LVI）和频率响应分析法（简称FRA）两种，现简要介绍其测试原理。图2低压脉冲法的测试原理图低压脉冲法的测试原理如图2所示。在变压器绕组的一端对地加入一个标准脉冲电压信号（通常不超过300V），利用数字化记录设备同时测量绕组两端的对地电压U0（t）和U
7、i（t），并进行相应的处理，可得到该绕组的脉冲响应特性h(t)或传递函数H（j）,即h(t)=U0(t)/Ui(t) H(j)=H0（j）/Ui(j) 由于LVI法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时，易受外界干扰，同时也会因灵敏度校正过程产生影响，因此需要使用一种特殊结构和精细调整的测试系统，以消除脉冲传递过程中的折、反射以及脉冲信号源的不稳定性问题，因此现场使用往往较难以保证结构的重复性。图3频率响应分析法的测试原理图频率响应分析法的测试原理如图3所示。在绕组的一端加入扫频电压信号Us（可依次输出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U
8、1（n）和U0（n） 并进行相应的处理，以得到绕组的传递函数H(n),即大量试验研究结果表明，传递函数H（j）(即频率响应特性)中的零、极点分布情况与二端口网络内部的元件及连接方式等密切相关。同时，绕组的谐振点与频率密切相关，电力变压器绕组的频率响应特性通常在10kHz1MHz的频率范围内具有较多的谐振点。而当频率低于10kHz时，绕组的电感起主要作用，谐振点通常较少，对分布电容的变化不太敏感；而当频率超过1Mhz时，绕组的电感又被分布电容所旁路，谐振点会因此而相应减少，从而对电感的变化不太敏感，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。因此，选用10KHz1M
9、Hz的扫描测量范围和1000个左右的线性分布扫描频点通常会获得较好的测试效果。此时，绕组内部的分布电感和电容均可发挥作用，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。 利用上述FRA法来诊断变压器绕组的变形，最早是由加拿大的E.P.Dick在1978年提出的，随后在世界各国得到了较为广泛的应用。普遍反映使用效果较好，认为它能够在变压器不吊罩的情况下快速检测出相当于短路阻抗变化0.2%或者轴向尺寸变化0.3%的绕组变形现象。与LVI法相比， FRA法采用了先进的扫频测量技术，而且所测量的均是幅值较高、频率已知且低于1MHz的正弦波信号，便于用数字处理技术去消除干扰信
10、号的影响，同时在解决了信号传播过程中的折反射问题，具有较强的抗干扰能力，测量结果的重复性也得到保证。2.3短路电抗的在线计算方法第一次测量，得到：U1-U12=I1Z1+I12Z12;第二次测量，得到：U1-U12=I1Z1+I12Z12联立两式，可计算得到Z1和Z12，由于U1、I1、U1、I1是直接测量得到；U12=KU2，I12=I2/K，U12=KU2，I12=I2/K，U2，I2，U2，I2是直接测量得到的；计算出短路电阻和短路电抗后，就不难求出短路阻抗。由于电阻分量是有功分量，而电抗分量是无功分量，二者相位差90，故短路阻抗为：短路阻抗是变压器设计计算中一个十分重要的参数，它的大小
11、涉及到变压器的成本、效率、电压变化率、机械强度及短路电流大小等。为了降低负载损耗，提高效率，较小电压波动率，短路阻抗应该小；而为了降低短路电流和增加变压器耐受短路时的机械强度，短路阻抗应该大。当然减小短路阻抗，制造厂成本会适当的降低。通过以上的分析，用这种电压电流法测量变压器短路电抗的方法在理论上是可行的，不过需要变电站大型变压器上进行实践。对于Y或者YN接线方式的三相变压器来说，测量结果与励磁电流无关测量效果较好。还提出了另一种电压电流法测量短路电抗的方法。该方法基于励磁电流一直不变化，通过空载时测定变压器调节系数补偿变压器在J下常运行下励磁电流在一次侧阻抗的电压降。这种方法如果励磁电流变化
12、太大，测量的短路电抗就会存在较大误差。因此，本文中采此种方法，即在两次不同负载下取得电压电流，计算得到变压其短路电抗。3.结论频率响应分析法是目前国际上较为先进的一种绕组变形诊断方法，它能够检测到微弱的绕组变形，且具有较强的抗干扰能力，适合现场使用的要求。由于LVI法与FRA法都是通过比较波形进行判断的，都可快速测出变压器短路阻抗的（0.2%0.3%）的变化，其灵敏度相对来说是较高的，但如何从量值上去判断短路实验结果，并与现行标准测量电抗值的变化统一起来，尚须积累经验。【参考文献】1周建平,倪钱杭,袁华明;一起变压器绕组变形的诊断及处理J;高电压技术;200年10期2乔江;变压器绕组变形事故分析J;科技信息;2009年27期3吴晓东,魏泽民;影响变压器频率响应测试结果的因素分析J;电力设备;2004年10期4邹军;基于频率响应法的变压器绕组变形分析J;广西电业;2008年04期5刘海峰;刘宏亮;唐亮;变压器绕组变形的诊断与分析J;变压器;2008年06期
