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4、有限公司一、频率响应法的原理1.1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），则绕组的等效网络如图 3.1 表示，图 3.1变压器绕
5、组的等值电路图其中：Cg 为绕组对地电容Cb 为套管对地电容Ls 为线圈电感Rs 为扫频信号输出电阻R 为匹配电阻Vi 为扫频输入信号，Vo 为响应输出信号，它实际上代表流经 Ro 的电流，则 Vo/Vi 的比值就代表了一种电抗的变化。如果绕组发生了轴向、径向尺寸变化等变形现象，势必会改变网络的 Ls、Cs、Cg 等分布参数，导致其传递函数 H(j)的零点和极点分布发生变化。因此，变压器绕组的变形是可以通过比较变压器绕组的频率响应来诊断的。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
6、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。电力变压器绕组的传递函数 H(j)主要取决于其内部电感、电容分布等参数，大量试验研究结果表明，变压器绕组的频率相应特性通常具有如下特征： a当频率低于 100kHz 时，其频率响应特性主要由线圈的电感所决定，谐振点通常很少，对分布电容的变化较不敏感； b当频率超过 1MHz 时，绕组的电感又被分布电路所旁路，谐振点也会相应减少，对电感的变化较不敏感，而且随著频率的提高，测试回路（引线）的杂散电容也会对测试结果造成明显影响； c在 100kHz1MHz 的范围内，绕组的分布电感和电容均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振点，
7、能够灵敏的反映出绕组电感、电容的变化情况。1.2空心电感的电感量计算及变化分析从工程计算及电感设计手册可以计算空心电感 L L=KLNDcp10e-6 (H) 其中：Dcp 为线圈的平均直径，N 为线圈圈数，H 为线圈高度，b 为线圈厚度KL 为电感系数 KL=f(b,H,Dcp) Dcp 增加，电感量增加。b 增加，电感量减小。H 增加，电感量减小。在单位高度内，线圈圈数 N 增加，则电感量增加；即线圈在单位高度内压缩，则电感量增加。如果线圈在单位高度内被拉开，线圈等效匝数减小，电感量减小。对于线圈的等效直径看，一般线圈的导线长度不会变化。如果线圈失圆，则会使等效直径变小。变形时，电感量则会
8、减小。线圈厚度一般变形后会发生改变，线圈在受力后压缩成波浪状，厚度减小，电感量会略有增加。1.3电容量简化公式平板电容模型假设两板之间的电场为均匀静电场，平行板边长 a，b 与板间距 d 的比值无限大，忽略的边缘效应，则电容量的简化公式为：电容量大小与板间距 d 成反比。谐振条件频域传递函数：谐振条件：1.4绕组变形种类以及变形在等值电路中的等效分析整体变形整体变形：这种变形最常见是在运输过程中震动冲击力造成的，这种变形一般整体情况良好，只是线圈之间相对移动。这种变形一般不改变线圈的电感量和饼间电容，只改变线圈对地电容。所以其频谱图上各谐振点都存在，只是都向高频方向平移。另外在受电动力时，如有
9、几根撑条受力移动位置或脱落，在受力消失后，则在原来的压紧力的作用下向一边偏心，同时由于电动力造成内线圈收缩或外线圈扩张，高低压线圈之间的距离改变，对地电容减小，使谐振频率均向高频方向移动。谐振频率的改变量在较小的变化时与变形量成正比。其频谱图上的最大特征是，各谐振峰都对应存在，只是平移。这种变形一般引线都分别牵动，300kHz 以上将有一定的改变。整体压缩：线圈在电磁力或制造工艺的原因，会出现高度尺寸上的压缩。线圈在高度上的减小，将使线圈的总电感增加；同时使线圈饼间的电容增加。在对应的频谱图上，变形相曲线将出现第一个谐振峰向低频方向移动；同时第一谐振峰还将伴随着幅值升高；中高频部分的曲线与正常
10、相的频谱曲线相同。整体拉伸：线圈在出现固定压板松动、垫块失落等情况时，会出现高度尺寸上的拉伸。线圈在高度上的增加，将使线圈的总电感减小；同时使线圈饼间的电容下降。在对应的频谱图上，变形相曲线将出现第一个谐振峰向高频方向移动；同时第一谐振峰还将伴随着幅值下降；中高频部分的曲线与正常相的频率曲线相同。局部变形 局部变形是指线圈的总高度未发生改变，或等效直径和线圈厚度尚未出向大面积的改变；只是部分线圈的尺寸分布均匀度改变，或部分线饼出现小程度等效直径的改变，线圈的总电感基本不变，所以故障相和非故障相的频谱曲线在低频段的第一个谐振峰点处将重合，随着部分变形面积的大小，对应的后续几个谐振峰将发生位移。局
11、部压缩和拉开变形：这种变形一般认为是由于电磁作用力造成的，由于同方向的电流产生的斥力，在线圈两端被压紧时，这种斥力会将个别垫块挤出，造成部分被挤压，而部分被拉开。这种变形在两端压钉未动的条件下，一般不会牵动引线；这种变形一般只改变饼间的距离（轴向），在等值电路中体现在并联电感上的电容（饼间电容）的改变上。引线未被牵动力的条件下，频谱的高频部分将变化很小。线圈整体并未被压缩，只有部分饼间距离拉开，部分饼间距离压缩。频谱图上可以看到，有部分谐振峰向高频方向移动，并伴随着峰值下降；而有部分谐振峰向低频方向移动，并伴随着峰值升高。变形面积和变形程度可以通过比较谐振峰点明显移动所处的位置，（第几个峰）及
12、谐振峰的移动量来估计分析。局部压缩和拉开变形影响到引线时，频谱图的高频部分将发生变化。局部压缩和拉开变形程度较大时，低频与中频段有些谐振峰会重叠，个别峰会消失，有些谐振峰幅值升高。匝间短路：如果线圈发生金属性匝间短路，线圈的整体电感将会明显下降，线圈对信号的阻碍大大减小。对应到频谱图，其低频段的谐振峰将会明显的向高频方向移动，同时由于阻碍减小，频响曲线在低频段将会向衰减减小的方向移动，即曲线上移 20dB 以上；另外由于 Q 值下降，频谱曲线上谐振峰谷间的差异将减少。中频和高频段的频谱曲线与正常线圈的图谱重合。线圈断股：线圈断股时，线圈的整体电感将会略有增大。对应到频谱图，其低频段的谐振峰将会
13、向低频方向略有移动，幅值上的衰减基本不变；中频和高频段的频谱曲线与正常线圈的谱图重合。金属异物：在正常线圈中，如果在饼间中存在金属异物，虽然对低频总电感影响不大，但饼间电容将增大。频谱曲线的低频部分谐振峰将向低频方向移动，中高频部分曲线的幅值将有所升高。引线位移：引线发生位移时，不影响电感，所以频谱曲线的低频段应完全重合，只在200kHz500kHz部分的曲线发生改变，主要是衰减幅值方面的变化。引线向外壳方向移动，则频谱曲线的高频部分向衰减增大的方向移动，曲线下移；引线向线圈靠拢，则频谱曲线的高频部分向衰减减小的方向移动，曲线上移。轴向扭曲：轴向扭曲是在电动力作用下，线圈向两端顶出，在受到两端
14、压迫，被迫从中间变形，若原变压器的装配间隙较大或有撑条受迫移位，则线圈在轴向扭成 S 形；这种变形由于两端未变动，所以只改变了部分饼间电容和部分对地电容。屏间电容和对地电容将减小，所以频谱曲线上将发生谐振峰向高频方向移动，低频附近的谐振峰值略有下降，中频附近的谐振峰点频率略有上升，而且 300kHz500kHz 的频谱线基本上保持原趋势。线圈幅向(径)变形：在电动力作用下，一般内线圈是向内收缩，由于内撑条的限制，线圈可能发生幅向变形，其边沿成锯齿状，这种变形将使电感略有减小，对地电容也略有改变，所以在整个频率范围内的谐振峰均向高频方向略有移动。外线圈的幅向变形主要是向外膨胀，变形线圈总电感将增
15、加，但内外线圈间的距离增大，线饼对地电容减小。所以频谱曲线上第一个谐振峰和谷将向低频方向移动，后面的各峰谷都将向高频方向略有移动。变压器绕组变形测试仪1测试仪组成变压器绕组变形测试仪采用的是频率响应法工作原理，其系统的基本组成如图 4.1 所示。通过计算机的管理和控制，扫频信号发生器依次把输出的不同频率的正弦波电压信号Vs(t)加到变压器绕组的末端，高速采集系统同时记录该端子及绕组对应首端上的电压信号 Vi(t)和 Vo(t)的波形，并进行相应的数字化处理，得到其在不同扫描频率下的幅值和相位，然后根据下式求得被测绕组的幅频响应特性或相频响应特性，显示在计算机屏幕中并可由彩色打印机进行输出。幅频响应特性：H(f)=20logAvo(f)/Avi(f) 相频响应特性：(f)=vo(f)-vi(f)分析判断变压器绕组幅频响应特性曲线中通常包含多个明显的波峰和波谷，经验及理论分析表明，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析
