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1、0,变压器绕组变形测试介绍,高压所 刘振山二一一年二月,1,变压器绕组变形的定义,电力行业标准DL/T9112004电力变压器绕组变形的频率响应分析法对绕组变形的定义是：电力变压器绕组在机械力或电动力作用下发生的轴向或径向尺寸变化，通常表现为绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征。变压器在遭受短路电流冲击或在运输过程中遭受冲撞时，均有可能发生绕组变形现象，它将直接影响变压器的安全运行。,2,变压器绕组变形的定义,变压器遭受短路冲击时，绕组受到辐向力、轴向力和周向力(或扭矩)的作用，会发生相应的变形，即辐向位移、轴向位移和扭曲(或绕组转动)，以及包括断股、匝间短路、引线位移和静电板引线断开等的特殊变形。
2、从表面上看，特殊变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但是变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了变化，因而绕组的频率响应特性发生了变化，故把这类变形称之为特殊变形。,3,变压器绕组变形的定义,变压器是昂贵且很重要的设备之一，其安全运行对于保证电网安全意义重大。发生事故会导致大面积停电，其检修时间长，花费巨大，影响面很广。（国家电网公司规定220kV及以上等级变压器事故抢修时间为一个月，超过时间将作为重大事故处理）,4,国内的情况,1985 1989年全国110kV变压器直接与绕组有关的事故变压器占到总事故变压器台数的38%, 220kV占到44. 5%0 1992年110kV及以上变压器
3、事故损坏原因分类统计中，绕组故障占到46. 5%。,5,国外的情况,前苏联在1984 1987年间，调查了乌克兰电力系统中的75台遭受过电路冲击的大型电力变压器(主要是330kV等级)。 前苏联发生绕组变形的变压器与被调查变压器总数之比高达30%。法国高压系统中，发生在变压器端汇流排上的三相短路占400kV系统事故的1 % 2%，占225kV的3% 4%。芬兰110kV系统对地故障为1. 35% 1. 65%。,6,低压线圈整体长条形鼓包变形,低压线圈线饼挤靠、坍塌、扭转,7,低压线圈端部波浪形变形,低压线圈端部波浪形变形，垫块错位,8,引起变压器绕组变形的主要原因,1.2.1 短路故障电流冲
4、击 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区短路故障，巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很大的电动力(是正常运行时的数十倍至数百倍)，并使绕组急剧发热。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。 短路故障电流冲击是变压器绕组变形的最主要外因。 众所周知，电力变压器线圈是以绝缘垫块隔开的铜或铝线段所构成的。这种系统的动特性在发生突发短路时是变化的。因为绝缘垫块的弹性与其压紧程度有关，即与作用力有关。电动力本身也不是恒定不变的，而是按照复杂的规律变化。虽然对短路时作用在变压器线圈上的电动力的研究始于四十年代，但是由于动态过程分
5、析的复杂性，到目前为止尚不能用理论计算结果正确反映出变压器承受突发短路电流冲击的能力。,9,10,理论分析表明，作用在变压器上的电动力可分为轴向（纵向）和径向（幅向、横向）力两种。径向力的作用方向取决于线圈相互位置及其电流的方向，对双线圈变压器而言，径向力拉伸外部线圈，压缩内部线圈，为了提高内部线圈对径向力的刚度。通常是将线圈绕制在由绝缘筒支撑的撑条上。此时，该线圈不但要承受到压缩力作用，还会同时受到撑条所产生的弯曲力作用。如果所受到的合应力超过线圈刚度的屈服点，必将导致线圈发生永久变形，出现经常见到的梅花状或鼓包状绕组变形现象。,11,变压器线圈遭受到的轴向力可使线段和线匝在竖直方向弯曲，压
6、缩线段间的垫块，并部分地传递到铁轭，力求使其离开心柱。通常，最大的弯曲力产生在位于线圈端部的线段中，而最大的压缩力则出现在位于线圈高度中心的垫块上。当线圈不等高时（主要由于调压分接头所致）或磁势分布不均匀时，轴向力较之径向力更能引起变压器事故。 由此可见，当变压器在运行过程中遭受突发性短路故障电流冲击时，每个线圈都将受到强大的径向力和轴向力的共同作用。变压器绕组初始故障的表现形式大多表现为内绕组出现变形（尤其是对自耦变压器），发生鼓包、扭曲、移位等不可恢复的变形现象，其发展的典型形式是绝缘破坏，随后出现饼间击穿、匝间短路、主绝缘放电或完全击穿。,12,引起变压器绕组变形的主要原因,1.2.2
7、在运输、安装或者吊罩大修过程中受到意外冲撞 电力变压器在长途运输、安装或者吊罩过程中，可能会受到意外的冲撞、颠簸和振动等，导致绕组变形。 1.2.3 保护系统有死区，动作失灵 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，也是造成变压器绕组变形故障的原因之一。粗略统计结果表明，在遭受外部短路时，因不能及时跳闸而发生损坏的变压器约占短路损坏事故的30%。 1.2.4 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。近几年来，对全国110kV及以上的电力变压器事故统计分析表明，因绕组承受短路能力不够已成为电力变压器事故的首要内部原因，严
8、重影响电力变压器的安全、可靠运行。,13,绕组变形的危害,绕组变形是电力变压器安全运行的一大隐患。多台变压器的实际试验经验表明，绕组变形后，绝缘试验和油的试验都难于发现，所以表现为潜伏性故障。 按照第12届国际大电网会议委员会的评估，变压器绕组的许多绝缘故障均是由于绝缘的最初机械损伤造成的。变压器在遭受短路故障电流冲击，绕组发生局部变形后，即使没有立即损坏，也有可能留下严重的故障隐患，例如： a. 绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生，当遇到雷电过电压作用时有可能发生匝间、饼间击穿，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而发生绝缘击穿事故。 b. 绕组机
9、械性能下降，当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生损坏。,14,国家电力公司在国电发2000589号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中，已明确把绕组变形试验列入变压器出厂、交接和发生短路事故后的必试项目。相关部分条款摘录如下： (1)第15.2.5条：对110kV及以上电压等级变压器在出厂和投产前应做低电压短路阻抗或用频响法测试绕组变形，以留原始记录； (2)第15.6条：变压器在遭受近区突发短路后，应做低电压短路阻抗或用频响法测试绕组变形，并与原始记录比较，判断变压器无故障后，方可投运； (3)第20.2.9条：订购变压器时，应要求厂家提供变压器绕组频率响应特性曲线、
10、做过突发短路试验变压器的试验报告和抗短路能力动态计算报告；安装调试应增做频率响应特性试验；运行中发生变压器出口短路故障后应进行频率响应特性试验，绕组变形情况的测试结果，作为变压器能否继续运行的判据之一。,15,变压器绕组变形测试方法列举,低压脉冲分析法 频率响应分析法 阻杭分析法 小波分析法超声波分析法,16,低压脉冲分析法介绍,低压脉冲法(Low Voltage Impulse)简称为LVI法。 诊断原理：变压器的等效电路实际上是一无源线性、单端输入、单端输出的网络。当变压器发生了饼间相对位移等变形情况时，变压器绕组等效电路中的单位长度内分布参数L, K, C将发生改变，随着网络参数的改变，
11、其频响特性也随之改变。从中可以看出：变压器绕组变形是通过比较变压器绕组的频响特性来诊断的。,L为单位长度的电感;K为单位长度的电容;C为单位长度的对地电容,17,低压脉冲法测试系统,变压器绕组变形测试原理接线图当频率超过1kHz时，变压器的铁芯基本上不起作用，每个绕组可以视为一个由线性的电阻、电感及电容等分布参数构成的无源线性双端口网络。绕组发生机械变形后势必回引起网络分布参数的变化，从而使绕组对低压脉冲的响应发生变化。这样，如果将一相同的低压脉冲信号(通常为90-450V)施加于变压器绕组上，则响应信号在变压器绕组变形前后的变化就能反映出绕组变形的信息，就可以比较绕组对低压脉冲响应的波形来判
12、断绕组是否发生了变形。,18,低压脉冲分析法介绍,最早提出并使用低压脉冲法的国家是波兰（1966年），此后英国和美国又对其进行了改进，其主要用途是确定变压器是否通过短路试验，现已被列入IEEE电力变压器短路试验导则和测试标准。低压脉冲法克服了阻抗法灵敏度不高的缺点，能检出绕组23mm的弯曲变形。然而，由于LVI法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时抗干扰能力差，双屏蔽电缆和接地线排列方式、周围物体等均对测试结果有影响。另外易受灵敏度校正过程的影响，需要使用一个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问题和脉冲信号源的不稳定性问题，故现场使用往往重复性不好。,19,阻抗分析法
13、,其原理是通过测量变压器绕组在50Hz下的阻抗或漏抗，由阻抗或漏抗值的变化来判断变压器绕组是否发生了危及运行的变形，如匝间短路、开路、线圈位移等。多年来的现场使用经验表明该方法由于受条件所限，现场很难达到额定电流(尤其对大型变压器)，且对测试仪表的检测精度要求很高，往往难以获得必要的检测灵敏度，有时仅对那些绕组变形严重的变压器有效。,20,阻抗分析法测试系统,一般在低电压下实施阻抗测量，施加的电压根据变压器容量的大小一般取几百伏，为避开铁心非线性的影响，所加电流应2A。 变压器短路阻抗及其电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线检测变压器阻抗的变化即可分析绕组状况。变压器短路阻抗由绕组结
14、构决定，绕组变形是否及变形大小可由短路阻抗值变化大小来判断。,21,小波分析在变压器绕组变形诊断中的应用,其在时域和频域同时具有良好的局部化性质，对高频采用逐渐精细的时间和空间域的采样步长，可以将信号分解成位于不同频带和时间段内的成分。 信号中的频率、相位、时刻和幅值等各种信息大都体现为某时刻信号变化的快慢。信号的变化可以通过小波变换捕捉。 低压脉冲法用于变形检测时，由于两次测量间隔时间较长及现场干扰使测试结果重复性差，使用困难。,22,超声波在变压器绕组变形诊断中的应用,超声波在两种不同声阻抗的媒质中传播，从一种媒质进入另一种媒质时，由于两种媒质的声阻抗相异，则在两种媒质的界面会发生反射，变
15、压器绕组变形超声波检测正是基于这一原理实现的。将超声探头置于变压器油箱外表面，超声探头在高压电脉冲激励下，发射脉冲超声波，超声波穿透变压器箱体钢板进入变压器油中传播，在油与绕组界面，由于声阻抗相异而产生反射波，反射回的超声波为超声探头接收并被转换成电脉冲信号。,23,频率响应分析法,频率响应分析法(Frequency Response Analysis Method)简称为FRA法。频率响应分析法是将一稳定的正弦电压扫描信号施加到被试变压器的一端，同时记录该端和其它端点上的电压幅值及相角，从而得到被试变压器绕组的一组频响特性，即H、L，则该频响特性在变压器绕组变形前后的变化反映出绕组变形的信息
16、。,24,频率响应法（FRA）诊断变压器绕组变形的思想，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%和轴向尺寸变化0.3%的绕组变形现象。与低压脉冲法（LVI）相比，由于FRA法采用了先进的扫频测量技术，所测量的均是幅值较高、频率预先已知且低于1MHz的正弦波信号，便于用数字处理技术消除干扰信号的影响，信号传播过程中的折反射问题也容易得到解决，故具有较强的抗干扰能力，测量结果的重复性也易于得到保证。,25,用扫频信号发生器将一稳定的正弦扫描信号施加到被试变压器绕组
17、的一端，同时记录该端和绕组另一端的电压幅值和相角，利用双通道数据采集卡采集被试端和响应端的数据，传送到计算机，获得一组频响曲线。,26,变压器线圈的等值电路 变压器线圈一般都设计为饼式结构，其目的是为了绝缘和耐压考虑的，同时各饼之间都有间隙，便于散热，各线圈饼对地及对其它相、其它电压等级线圈都有一个临近电容，线圈自然也有电感。另外套管还有对地电容，引线及接头对地也有电容，所有这些按其所在结构的位置，都有其所代表的结构参数，所以按其结构，可以构成一个变压器的线圈在进行测试时的一个等值电路。当频率超过1kHz时，变压器的铁心基本不起作用。每个绕组均可视为一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端口网络，并且忽略绕组的电阻（通常很小）变压器设计时，是不会允许在50Hz以及附近频率处产生谐振的，所以在低频段，线圈是感性的。 由于变压器油的介电常数与油温有一定的关系，所以用三相绕组之间在同一油温下图谱的比较，更容易判断，以免由于温度改变而产生判断上的失误。,
