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變壓器繞組變形測試儀的應(yīng)用
繞組變形是變壓器安全運(yùn)行的一大隱患,。本文介紹了頻率響應(yīng)分析法測試變壓器繞組變形的原理,，總結(jié)了頻率響應(yīng)分析法現(xiàn)場應(yīng)用中的注意事項(xiàng),，并提供頻率響應(yīng)法測試?yán)@組變形的應(yīng)用實(shí)例,。
變壓器是電網(wǎng)中的主要核心設(shè)備,，其安全狀況對整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有舉足輕重的地位,，而從變壓器事故的情況看,，很多都伴隨有繞組的變形現(xiàn)象,，甚至是由于繞組變形引起的。僅2000年,，廣東省內(nèi)通過繞組變形測試就發(fā)現(xiàn)8臺運(yùn)行中的110kV變壓器存在繞組變形,，并及時(shí)對這些變壓器進(jìn)行了維修和加固改造，消除了事故隱患,，取得了顯著的效益,。因此，開展變壓器繞組變形測試對變壓器的安全運(yùn)行有著重要的意義,，也是我們開展變壓器狀態(tài)檢修的*條件,。
1.變壓器繞組變形的原因及危害
變壓器在運(yùn)行中不可避免地要遭受各種短路故障電流的沖擊，特別是出口短路和近區(qū)短路對變壓器的危害大,，變壓器繞組將承受巨大的,、不均勻的軸向和徑向電動(dòng)應(yīng)力作用。當(dāng)繞組內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié),，必然會產(chǎn)生繞組變形現(xiàn)象,。包括軸向、徑向尺寸變化,，器身位移,，匝間短路及繞組扭曲,、鼓包等。變壓器繞組變形后繼續(xù)運(yùn)行可有發(fā)生下列情況：
（1）變壓器立即損壞,。我局曾有一臺110kv變壓器在遭受近區(qū)短路,，重合成功后，二十多秒后瓦斯動(dòng)作,，事后檢查繞組變形,，返廠重繞；
（2）由于繞組變形,，引起變壓器的絕緣材料損傷或者絕緣距離發(fā)生改變,，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降，在長期正常電壓或過電壓作用下,，終可能導(dǎo)致絕緣擊穿,，此類情況可以用電氣試驗(yàn)和油試驗(yàn)等常規(guī)的方法檢出其絕緣缺陷；
（3）繞組變形后,，絕緣狀況沒有損壞,，但線圈的機(jī)械強(qiáng)度下降，當(dāng)再次遭受短路故障時(shí),，將承受不住巨大的電動(dòng)力而發(fā)生損壞,，此類情況由于絕緣沒有損壞，常規(guī)電氣試驗(yàn)及油試反映不出問題,，只能通過繞組變形測試的手段才能得出正確的結(jié)論,。同時(shí)，這種情況也比較常見,，因?yàn)樵S多的變壓器并不會只遭受一次短路就損壞,，而運(yùn)行中的變壓器可能已經(jīng)遭受多次短路沖擊，機(jī)械強(qiáng)度已下降,，甚至有輕微變形,，但由于常規(guī)試驗(yàn)無法檢出其內(nèi)部的變形故障，在大修吊檢之前是無法判斷其狀態(tài)的,，是嚴(yán)重的事故隱患,。
因此，積極開展變壓器繞組變形測試工作,，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理有問題的變壓器,，有針對性地進(jìn)行吊檢，即可節(jié)省大量的人力,，物力,，對防止變壓器事故的發(fā)生也有極其重要的作用。
2.變壓器繞組變形測試方法
變壓器繞組發(fā)生局部的機(jī)械變形后，其內(nèi)部的電感,、電容等分布參數(shù)必然發(fā)生變化,，特別是電感值。以往多使用的是集中參數(shù)檢測法,，如常規(guī)的測驗(yàn)變比,，直流電阻等來診斷變壓器繞組是否發(fā)生變形，因其靈敏度較低,，顯得困難,；另一種方法是短路阻抗來判斷，但也是中繞組變形非常嚴(yán)重時(shí)才能發(fā)現(xiàn),。同時(shí)這種試驗(yàn)需要龐大的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)電源容量,，在現(xiàn)場很難滿足開展該項(xiàng)試驗(yàn)的條件。目前,，我局使用TDT-4型繞組變形測試系統(tǒng)采用的是頻率響應(yīng)分析（FRA）的原理,。該方法建立在對變壓器繞組分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，變壓器繞組可以被看作是電阻,、電感,、電容構(gòu)成的無源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電工學(xué)原理,，其網(wǎng)絡(luò)特性可以用傳遞函數(shù)H（jw）或n（f）來概述。如圖1所示,。
根據(jù)電工學(xué)理論,，如果繞組發(fā)生機(jī)械變，即發(fā)生了軸向,、徑向尺寸,，勢必會改變網(wǎng)絡(luò)上的L、K,、C等分布參數(shù),，隨著網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變，從而導(dǎo)致其頻率響應(yīng)特性,。因此我們比較不同時(shí)期該變壓器的頻率響應(yīng)特性是否一致,，就可以判斷變壓器是否發(fā)生了變形及變形程度的大小。
3.TDT型變壓器繞組變形測試系統(tǒng)及其分析方法
該測試系統(tǒng)是采用頻響法診斷變壓器繞組變形的,。其原理顯通過計(jì)算機(jī)管理和控制,，由掃頻電壓發(fā)生器依次輸出不同頻率的正強(qiáng)波電壓信號Vs（f）到變壓器驍組的一個(gè)端子上，然后通過雙通道檢測單元紀(jì)錄繞組兩端上的電壓信號Vi（f）和Vo（f）,，并作相應(yīng)的數(shù)字化處理,，得到其在不同掃描頻率下的幅值和相位，然后根據(jù)下式求得被測試?yán)@組的幅頻響應(yīng)特性或相頻響應(yīng)特性，再由計(jì)算機(jī)作輸出處理（如圖2所示）,。
幅頻響應(yīng)特性：
H（f）=20lg（Avo（f）/Avi（f））
相頻響應(yīng)特性：
φ（f）=φvo（f）-φVi（f）
電力變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性H（f）主要取決于其內(nèi)部電感,、電容等分布參數(shù)，通常具有如下特性：
（1）當(dāng)頻率低于10KHz時(shí),，其頻率響應(yīng)特性主要由線圈的電感所決定,，諧振點(diǎn)通常較少，對分布電容的變化較不敏感,；
（2）當(dāng)電頻率超過1MHz時(shí),，繞組的電感又被分布電容所旁路，對電感的變化不敏感,；
（3）在10KHz-1MHz的范圍內(nèi),，繞組的分布電感和電容均發(fā)揮作用，其頻率響應(yīng)特性具有較多的諧振點(diǎn)能夠靈敏地反映出繞組電感,，電容的變化情況,。因此，在該系統(tǒng)中,，選用10KHz-1MHz的掃頻測量范圍,。
頻率響應(yīng)分析法診斷變壓器繞組變形是建立在比較繞組頻率響應(yīng)特性變化基礎(chǔ)上的，即變壓器遭受突發(fā)短路沖擊后測得的各個(gè)繞組的頻率響應(yīng)特性為原始測試結(jié)果一致,，則表明該次短路故障沒有導(dǎo)致繞組變形,，反之，可根據(jù)其特性變化的情況判斷變形的繞組以及其變形的嚴(yán)重程度,。（這種判斷的方法,，在實(shí)際的測試中，我們對兩臺遭受出口短路的220kV變壓器進(jìn)行檢查,，得出的頻響特性波形與兩年前所測試出的波形相當(dāng)一致,，故判斷其繞組未受到該次短路沖擊的破壞）。在實(shí)際的工作中,，很多時(shí)候會碰上沒有原始數(shù)據(jù)的情況,，（即那些已投入運(yùn)行的變壓器，投運(yùn)前沒有做該項(xiàng)測試）,，就采用比較變壓器互相繞組相間特性曲線的差異,，對繞組繞組的變形情況作出判斷，對于制造工藝良好的變壓器,，其三相繞組的結(jié)構(gòu)基本是一致的,，測得的頻響曲線通常具有一定的可比性，但需注意,，這種“可比性”僅僅是相對的,，受繞組引線長度，其內(nèi)部位置等影響，特別是三角型接法的繞組,，測得的三相頻率響應(yīng)特性往往有較大的差異,，這時(shí)應(yīng)與該型號同廠家同一時(shí)期的其他變壓器作比較。
4.繞組變形測試技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用
本局開展繞組變形測試主要分為三類：
（1）對全新投運(yùn)的變壓器,，主要是檢查運(yùn)輸途中是否意外的碰撞或沖擊,，同時(shí)也是作為該變壓器頻率響應(yīng)特性曲線的原始資料，用作以后測試的重要對比資料,；
（2）對于遭受出口或近區(qū)短路的變壓器,，根據(jù)我省執(zhí)行的《變壓器狀態(tài)檢修手則》的有關(guān)規(guī)定，必須進(jìn)行繞組變形測試,，判斷其是否變形,，作為能否繼續(xù)運(yùn)行的依據(jù)之一；
（3）配合日常的預(yù)試工作,，對已運(yùn)行的變壓器作繞組變形檢查,，若判斷其繞組沒有發(fā)生變形現(xiàn)象，該次測得頻率響應(yīng)特性曲線也將作為原始資料,，是以后作對比的依據(jù),。
在目前，我局共進(jìn)行了四十多臺次的繞組變形測試,，積累了一定經(jīng)驗(yàn),，在現(xiàn)場的測試中，應(yīng)特別注意以下兩方面的因素對測試結(jié)果的影響：
（1）變電站高壓電磁場的干擾,。收于該系統(tǒng)的掃頻電壓發(fā)生器僅輸出5V左右的正弦波,，容易受到高壓電磁場的干擾，如：本局所屬500kV變壓站#2主變低壓側(cè)的35kV電抗器開關(guān)爆炸,，造成相間短路，主變B相有載開關(guān)瓦斯的動(dòng)作,，跳開三側(cè)開關(guān),。我們在現(xiàn)場作繞組變形測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)其頻率響應(yīng)特性曲線極不穩(wěn)定,，并且三相頻率響應(yīng)特性曲線極不一致,，為了防止誤判，我們進(jìn)行了多臺次的測試,，發(fā)現(xiàn)其特性曲線雖不穩(wěn)定,，但有規(guī)律性，并且三相之間的規(guī)律是一致,。我們判斷是受到了電磁場的干擾,，（在排除了受干擾的特性曲線后，三相頻響曲線較為一致）在結(jié)合了其它電氣試驗(yàn)，油化驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為該次短路沖擊對主變的繞組沒有造成損害,；在測試一臺220kV變壓器時(shí),，也觀察到在某些頻率段受到干擾而產(chǎn)生尖峰，甚至在110kV場地也有這種現(xiàn)象,，因此在判斷波形是要注意排除：
（2）要注意繞組的直流電阻或測試線與繞組之間的接觸電阻對測試結(jié)果的影響：在以上提及的變壓器繞組分布參數(shù)等值網(wǎng)絡(luò)圖中,，是忽略繞組的電阻的，但實(shí)際上,，繞組的電阻變化,，不但對頻率響應(yīng)特性曲線的幅值產(chǎn)生影響，而且還會影響諧振峰點(diǎn)出現(xiàn)的頻率,，容易產(chǎn)生誤判,。我們在對一臺220KV變壓器作繞組測試時(shí)，造成與原始曲線相差較大,，經(jīng)多次試驗(yàn),，才發(fā)現(xiàn)是測試線與繞組之間的接觸不良。因此,，在作判斷時(shí),，除了要檢查試驗(yàn)接線，還要結(jié)合變壓器的直流電阻作判斷,，看是否由于繞組的內(nèi)部接觸不良,，造成對測試的影響。
下面介紹一下變壓器繞組變形的測試實(shí)例：某站#1主變,，型號SFZ7-40000/110由于誤操作,，10kV母線相間短路，短路電流約8kA,。但由于#2主變開關(guān)需處理,，無法投運(yùn)，因此只能將#1主變迅速恢復(fù)運(yùn)行,。事后,，取主變本體油樣作檢查，未發(fā)現(xiàn)有異常情況,。#2主變開關(guān)經(jīng)處理投運(yùn)后,，將#1主變停下，作常規(guī)電氣試驗(yàn),，吸收比,、介損值、繞組直流電阻等項(xiàng)目和以往數(shù)據(jù)比較,，均無異常,。按以往的做法,，已可認(rèn)為該次短路沖擊對#1主變沒有造成損害，可以繼續(xù)投運(yùn),。但接著進(jìn)行繞組變形的測試,，發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)面繞bc線圈與ab、ca兩相線圈的頻響特性曲線有相當(dāng)?shù)牟町?，?jīng)多次測試,，均為同一結(jié)果（由于該臺變壓器沒有原始數(shù)據(jù)，只能作三相比較）,。為了穩(wěn)妥起見,，我們將#2主變停下，作繞組變形測試（該主變?yōu)?1主0變同型號,，同期出廠,，同時(shí)投運(yùn)，但沒有遭受該次短路的沖擊）,，其特性曲線三相間較為一致,。據(jù)此，我們判斷#1主變的低壓繞組線圈發(fā)生變形,，根據(jù)頻率響曲線應(yīng)判斷為：低壓c相單獨(dú)變形或a,、b兩相同時(shí)變形。決定該主變返廠吊罩檢查,。吊芯后,，發(fā)現(xiàn)低壓繞組a、b相線圈出現(xiàn)鼓包,，并伴隨有線圈的扭曲現(xiàn)象,。通過繞組變形的測試，可以將變壓器隱藏的,、但常規(guī)預(yù)防性試驗(yàn)很難檢出的繞組變形故障發(fā)現(xiàn),，及時(shí)進(jìn)行處理，避免損壞變壓器的事故發(fā)生,。
推廣和開展繞組變形測試,，可避免不必要的吊芯檢查。如某局一臺220KV變壓器11OkV側(cè)開關(guān)爆炸,，相間短路,，變壓器遭受出口短路,，電氣試驗(yàn)及油化驗(yàn)無發(fā)現(xiàn)異常情況,，由于該廠家多臺同型號變壓器曾發(fā)生過近區(qū)短路后，變壓器繞組變形較嚴(yán)重的情況,，因此對該變壓器在遭受這次沖擊后繞組的情況比較懷疑,，在作了繞組變形測試后,，我們發(fā)現(xiàn)該臺變壓器三側(cè)繞組三頻率響應(yīng)特性曲線一致性較好，并與該型號的其它變壓器相比較,，亦無異常的情況,，判斷其變壓器繞組沒有變形。并結(jié)合電氣試驗(yàn)和油化驗(yàn)的結(jié)果,，認(rèn)為該變壓器可以繼續(xù)投運(yùn),。從而避免了盲目的吊芯檢查，節(jié)省了大量人力,、物力,。從以上的事例可見，繞組變形的測試,，作為一種必要的監(jiān)督手段,，可以保障變壓器的安全運(yùn)行。
5.結(jié)束
變壓器繞組變形測試技術(shù)是近年來才逐步推廣的新技術(shù),，但從我們目前開展了這項(xiàng)工作的情況來看,，該技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)那些有問題的變壓器，對防止變壓器事故的發(fā)生有重要的作用,；可避免不必要的吊檢和大修,，節(jié)省大量的人力、物力,，是我們推變壓器狀態(tài)檢修的必要的技術(shù)保證,。但變壓器繞組變形測試畢竟是一種檢測方法，還有待完善和改進(jìn)的地方,，如目前只能定性于判斷繞組是否變形,，還不能量化地診斷繞組變形的性質(zhì)及嚴(yán)重程度。