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1 前言
      作為電力系統(tǒng)中重要的主設(shè)備，變壓器的健康狀況將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。變壓器在運(yùn)行中不可避免地要受到短路電流的沖擊，一旦短路故障發(fā)生在變壓器出口附近，變壓器將承受巨大的、不均勻的軸向和徑向應(yīng)力作用，變壓器繞組可能失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致局部扭曲、鼓包或移位等永久變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將直接造成突發(fā)性損壞事故。
      變壓器繞組發(fā)生局部變形以后，有的會(huì)立即發(fā)生損壞事故，更多的仍能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短取決于變形程度和部位。絕緣距離發(fā)生改變或絕緣受到損傷會(huì)導(dǎo)致局部放電發(fā)生，遇到過電壓作用時(shí)有可能發(fā)生匝間、餅間擊穿，導(dǎo)致突發(fā)性絕緣事故，甚至在正常運(yùn)行電壓下，因局部放電的長(zhǎng)期作用造成絕緣擊穿；繞組機(jī)械性能下降，抗短路能力降低，再次遭受故障短路電流沖擊時(shí)，繞組的變形現(xiàn)象加劇，甚至因承受不住巨大的電動(dòng)力作用而發(fā)生損壞。
2 頻率響應(yīng)法原理
      變壓器繞組在較高頻率的電壓作用下，每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)。如果繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變，導(dǎo)致其等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H(jω)的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，從而使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。
      變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性采用掃頻檢測(cè)方式獲得，如圖1所示。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源Vs的頻率f(角頻率ω=2πf)，測(cè)量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓V2和激勵(lì)端電壓V1的信號(hào)幅值之比，獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下的繞組幅頻響應(yīng)特性。測(cè)得的幅頻響應(yīng)特性曲線常用對(duì)數(shù)形式表示，即對(duì)電壓幅值之比進(jìn)行如下處理：H（f）=20Log[V2(f )/V1(f )] 式中：H（f）為頻率f時(shí)傳遞函數(shù)的模│H(jω)│；V2(f )和V1(f )為頻率為 f 時(shí)響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的峰值或有效值│V2(jω)│和│V1(jω)│。

圖1 頻率響應(yīng)分析法的基本檢測(cè)回路
 

      圖中：L、K及C分別代表繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、分布電容及對(duì)地分布電容，V1、V2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓和響應(yīng)端電壓，Vs為正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓，Rs為信號(hào)源輸出阻抗，R為匹配電阻。
      當(dāng)變壓器發(fā)生變形或位移等現(xiàn)象時(shí)，其變形位置所在的線匝對(duì)地電容或?qū)ζ渌€匝的電容以及自身的電感也會(huì)發(fā)生變化，其頻率響應(yīng)特性也隨之改變，即頻率響應(yīng)發(fā)生幅度變化和諧振頻率發(fā)生改變。因此，可以通過比較變壓器繞組的頻響特性來診斷變壓器繞組是否變形。經(jīng)驗(yàn)及理論分析表明，幅頻響應(yīng)特性曲線中的波峰或波谷分布位置及分布數(shù)量的變化，是分析變壓器繞組變形程度的重要依據(jù)。掃描頻率由低向高變化時(shí)，感抗和容抗起的作用也不相同，由電感起主要作用逐漸向電容起主要作用過渡。幅頻響應(yīng)特性曲線低頻段（1kHz—100kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組的電感改變，可能存在匝間或餅間短路情況。幅頻響應(yīng)特性曲線中頻段（100kHz—600kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。幅頻響應(yīng)特性曲線高頻段（>600kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組的對(duì)地電容改變，可能存在線圈整體移位或引線位移等情況[1]。頻率較高時(shí)，繞組的感抗較大，容抗較小，由于繞組的餅間電容遠(yuǎn)大于對(duì)地電容，波峰和波谷分布位置主要以對(duì)地電容的影響為主。
      相關(guān)系數(shù)是表明兩條曲線波峰或波谷分布位置及分布數(shù)量變化的量化參數(shù)，直觀地描述了頻響曲線之間的相似程度。數(shù)值越大表明兩條曲線重合度越好，越小表明重合度越差，它是判斷繞組是否變形的主要數(shù)值判據(jù)。變壓器繞組變形測(cè)試儀對(duì)相關(guān)系數(shù)的規(guī)定見表1，在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)其高頻段相關(guān)系數(shù)受外界影響較大，高頻段相關(guān)系數(shù)僅供參考。

3 測(cè)試情況
       近年來，頻率響應(yīng)分析技術(shù)在對(duì)遭受短路沖擊、突發(fā)事故和碰撞的變壓器繞組變形測(cè)試方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。鑒于目前尚無統(tǒng)一的判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，在判斷繞組是否變形時(shí)，與歷史曲線比較就顯得尤為重要。因此，對(duì)新安裝和已運(yùn)行變壓器普查建立原始的繞組變形頻率響應(yīng)特性檔案對(duì)以后判斷結(jié)論的準(zhǔn)確性有極大的幫助。
       湖北省宜昌供電公司于2002年5月開始進(jìn)行原始頻響曲線的建檔工作，到目前為止，使用變壓器繞組變形測(cè)試儀測(cè)試了110KV及以上電壓等級(jí)80臺(tái)次變壓器，Y繞組接線方式是：中性點(diǎn)激勵(lì)，繞組線端分別響應(yīng)；D繞組接線方式是：a、b、c激勵(lì)，b、c、a分別響應(yīng)。對(duì)組別為YN，yn0,d11的變壓器原始“指紋”曲線進(jìn)行分析，有以下幾個(gè)特點(diǎn)和結(jié)論：
       1) 中低頻部分（10—600KHz）的頻響曲線具有較豐富的諧振點(diǎn)，這些諧振點(diǎn)的變化可以靈敏地反映了變壓器繞組斷股、鼓包、扭曲、餅間錯(cuò)位等變形情況，而高頻部分（600KHz以上）雖能反映出變壓器繞組位移，但受雜散電容影響和干擾較大[1]。在分析判斷時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意中、低頻部分，高頻部分僅作參考。
       2) 電壓等級(jí)越高，匝數(shù)越多，頻響曲線吻合得越好。在兩網(wǎng)改造無載調(diào)壓改為有載調(diào)壓中，有許多老變壓器加裝了調(diào)壓變，調(diào)壓變的三相頻響曲線差別較大。
       3) 頻響曲線波峰波谷的位置取決于分布電感與分布電容，繞組電阻影響較小，繞組三相電阻不平衡對(duì)相關(guān)系數(shù)影響不大。直流電阻測(cè)試前后，磁路中的剩磁對(duì)頻響曲線有一定的影響，但影響不大。
       4) 對(duì)原始頻響曲線相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有一部分110KV變壓器三相頻響曲線并不完全吻合，三相頻響曲線存在差異的原因主要有兩點(diǎn)：一是繞組本身固有分布參數(shù)的差異，每相繞組電抗值一定，但分布電容值不一定相同（如繞組與相鄰繞組距離不等，與油箱壁距離不等，雜散電容不等），導(dǎo)致無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)不一致；二是繞組變形測(cè)試時(shí)變電站電磁場(chǎng)干擾，三相套管端子處感應(yīng)電幅值和相位不同，感應(yīng)電壓值遠(yuǎn)大于儀器輸出電壓值，使得三相繞組頻響曲線不一致。如果按正常變壓器低頻相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于2，中頻相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于1 的頻響曲線相關(guān)系數(shù)的判據(jù)來衡量，有許多110KV電壓等級(jí)的新變壓器都要下出已變形的結(jié)論，所以在實(shí)際運(yùn)用中我們不能以橫向比較來判定變壓器已經(jīng)變形。
      5) 套管端子上的測(cè)試線夾與激勵(lì)（響應(yīng)）元件之間的引線長(zhǎng)短對(duì)測(cè)試影響較大[2]，引線長(zhǎng)短是影響分析結(jié)果的關(guān)鍵所在，為了保證測(cè)試環(huán)境的一致性，有必要對(duì)試驗(yàn)引線的布置方式和信號(hào)源的位置做出約定，我們現(xiàn)在規(guī)定激勵(lì)（響應(yīng)）元件盒一律懸于套管第三片（從上往下數(shù)）瓷裙處，這樣就保證了每次測(cè)試時(shí)引線長(zhǎng)度的一致性。還發(fā)現(xiàn)變電站電源諧波分量太高，試驗(yàn)電壓不穩(wěn)，地網(wǎng)零序電流干擾，變電站強(qiáng)電暈，儀器附近有高諧振蕩（電焊機(jī)等）等也會(huì)對(duì)曲線產(chǎn)生影響，筆者曾做過一次試驗(yàn)，三十米內(nèi)有電焊機(jī)工作的話，得出的頻響曲線是一條有許多毛刺的直線，沒有明顯的波峰和波谷。
      6) 電抗變化對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響：筆者曾做過一次試驗(yàn)，夜明珠#1變，型號(hào)為SFZ9-20000/110±8*1.25%/11，表2為分接開關(guān)處于1，2，3檔時(shí)的A相頻響曲線相關(guān)系數(shù)。

       可以看出：對(duì)于繞組短路類型的變形，中頻段反映最為靈敏。當(dāng)短路匝數(shù)大于1.25%時(shí)(相差一檔)，中頻段頻響曲線變化明顯；短路匝數(shù)大于2.5%（差兩檔）低頻段才能明顯反映。我們判斷繞組是否存在匝間或餅間短路類型的變形時(shí)應(yīng)以中頻段相關(guān)系數(shù)為主要依據(jù)，若當(dāng)前曲線與原始指紋曲線相比低頻段相關(guān)系數(shù)小于2時(shí)，往往繞組存在2.5%及以上的匝間或餅間短路。同時(shí)我們也可以看出：一臺(tái)變壓器的三相繞組頻響曲線在低頻段一致性應(yīng)相當(dāng)好，若不一致要查找原因進(jìn)行分析。
       7) 同型號(hào)同廠家變壓器頻響曲線相關(guān)系數(shù)分析：對(duì)宜昌電網(wǎng)中5種型號(hào)的10臺(tái)變壓器（其中220KV變壓器2臺(tái)，110KV變壓器8臺(tái)）相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)同型號(hào)變壓器低壓側(cè)對(duì)應(yīng)繞組頻響曲線一致性明顯好于中高壓側(cè)繞組，高壓側(cè)一致性最差。具體數(shù)據(jù)見表3，原因在于：一，高壓套管位置較高，受感應(yīng)電壓影響較大；二是引線與套管之間的雜散電容的影響。因此在實(shí)際判斷繞組有無變形時(shí)，若無原始曲線需要與同廠同型同期變壓器測(cè)試結(jié)果相比較時(shí)，應(yīng)對(duì)高中低三側(cè)繞組區(qū)別對(duì)待，高壓側(cè)繞組頻響曲線僅有參考價(jià)值。

4 繞組變形的分析和判斷:
       根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)變壓器繞組變形進(jìn)行判斷時(shí)一定要慎重，應(yīng)反復(fù)多次在相同的條件下進(jìn)行比較，并與原始頻率響應(yīng)曲線比較的結(jié)果為主要依據(jù)。沒有原始數(shù)據(jù)時(shí)，若三相頻響曲線一致性好，可認(rèn)為繞組沒有變形；若三相頻響曲線一致性不好，不能輕易認(rèn)為繞組發(fā)生了變形，變壓器是否存在變形則須作進(jìn)一步分析。因?yàn)槔@組本身固有分布參數(shù)的差異也會(huì)造成相間頻率響應(yīng)曲線一定程度的不一致。
       應(yīng)用頻響分析法判斷變壓器的變形狀況是一門新技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用沿需積累更多的經(jīng)驗(yàn)，是否變形應(yīng)結(jié)合相關(guān)測(cè)試手段并參考相關(guān)信息進(jìn)行分析。相關(guān)測(cè)試手段包括電氣試驗(yàn)，短路阻抗測(cè)量，空載損耗，油質(zhì)色譜分析等，必要時(shí)吊罩進(jìn)行檢查。相關(guān)信息包括變壓器短路電流的大小，繼電保護(hù)是否靈敏動(dòng)作，故障錄波圖分析。
       頻響法可快速測(cè)量短路阻抗0.2%—0.3%的變化，但如何從量值上判斷結(jié)果并與短路阻抗的變化統(tǒng)一起來，需積累經(jīng)驗(yàn)。頻響法進(jìn)行變形分析判斷目前尚無一個(gè)公認(rèn)的分析判斷指標(biāo)，再加上測(cè)試儀器靈敏度高，受外界因素影響較大，在實(shí)際工作中往往易引起誤判斷。筆者曾多次組織短路后繞組變形的診斷，在這里結(jié)合自己的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)僅舉三個(gè)例子以闡述如何避免誤判斷。
      1) 2003年7月9日，雨天， 220KV白家沖變電所10KV白寶線白803開關(guān)線路故障，造成白803開關(guān)柜出線電纜短路，白家沖2#主變10KV限流電抗器速斷動(dòng)作，主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘。高中低三側(cè)繞組頻響曲線吻合性相當(dāng)好，波峰、波谷分布相當(dāng)一致，三側(cè)繞組相關(guān)系數(shù)滿足表1正常繞組的規(guī)定，我們認(rèn)為該變壓器未出現(xiàn)變形。
      2) 2004年6月14日，雨天，110KV伍家崗變電站10KV宜12開關(guān)線路因樹障產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓造成2#主變10KV側(cè)開關(guān)相間閃絡(luò)并發(fā)生爆炸，保護(hù)正確動(dòng)作跳2#主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。該變壓器2003年11月曾做過繞組變形試驗(yàn)，留存了原始頻響曲線，因此可以做縱向分析。中低壓繞組低段段相關(guān)系數(shù)都大于2，中頻段都大于1，認(rèn)為中低壓繞組未出現(xiàn)變形。高壓繞組高頻部分相關(guān)系數(shù)大于2，但中頻相關(guān)系數(shù)小于1，分別為0.42、0.44、0.41，圖2為A相頻響圖。如果僅從相關(guān)系數(shù)上來判斷，就會(huì)得出高壓繞組已出現(xiàn)明顯變形的結(jié)論。中頻段波分布電感和分布電容的變化都會(huì)使波峰和波谷出現(xiàn)位移。為了確認(rèn)我們的結(jié)論，加做了短路阻抗試驗(yàn)，因試驗(yàn)容量不夠，我們未做中壓對(duì)低壓短路阻抗值，高壓對(duì)低壓繞組的三相電抗值和高壓對(duì)中壓繞組的三相電抗值分別相差0.6%、0.12%，短路阻抗與銘牌值也無大的變化，相差分別為0.2%、0.99%，短路阻抗的結(jié)果顯示未出現(xiàn)變形，這與我們頻響曲線分析的結(jié)果互相矛盾。如果高壓繞組出現(xiàn)明顯變形，會(huì)導(dǎo)致中壓繞組的分布電容出現(xiàn)一定的變化，中壓繞組的頻響曲線也會(huì)與原始曲線出現(xiàn)一定的差異，而中壓繞組頻響曲線吻合性相當(dāng)好，這也從另一個(gè)方面否定了高壓繞組明顯變形的可能。又對(duì)高壓三相繞組頻響曲線進(jìn)行橫向分析：2003年11月的高壓繞組三相頻響曲線中頻段相關(guān)系數(shù)分別為2.08、1.99、1.89，短路后三相繞組中頻段相關(guān)系數(shù)為1.68、1.75、1.45，一致性也相當(dāng)好（圖3為三相橫向比較頻響圖），這也使我們更加堅(jiān)信高壓繞組未出現(xiàn)變形，畢竟三相同時(shí)出現(xiàn)變形的機(jī)率太小。這三點(diǎn)分析都認(rèn)為高壓繞組未出現(xiàn)變形，再考慮到短路后三相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，電氣試驗(yàn)情況良好，色譜數(shù)據(jù)正常，因此下出了高壓繞組未出現(xiàn)變形的結(jié)論。該變壓器投運(yùn)后安全運(yùn)行至今，多次的色譜追蹤也顯示該變壓器無異常，這說明當(dāng)初的分析和判斷是正確的。

       3) 2004年12月8日，雨天，10KV黃磷二回古21開關(guān)因線路接地，產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致10KV母線短路，古老背2#主變差動(dòng)速斷動(dòng)作，2#主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘。當(dāng)天我們進(jìn)行了繞組變形試驗(yàn)，通過與歷史曲線對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)中低壓側(cè)頻響曲線一致性相當(dāng)好，但高壓繞組A相高頻段相關(guān)系數(shù)為1.33，分析頻響圖譜發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)不好的原因不是波峰波谷的變化，而是A相繞組在2K頻率下幅值比歷史曲線低。短路阻抗測(cè)試結(jié)果顯示高壓對(duì)低壓三相繞組電抗值相差僅0.736%，高壓對(duì)低壓繞組短路阻抗與銘牌值相比，相差1.506%，高壓對(duì)中壓短路阻抗值與銘牌值相差0.99%，見表5。直流電阻測(cè)量也顯示無匝間或?qū)娱g短路。該變壓器原為無載調(diào)壓變壓器，在城網(wǎng)改造中進(jìn)行過無載改有載改造，將高壓中性點(diǎn)解開，拆分為X、Y、Z后外加三只套管引出，通過三根跳線引至調(diào)壓變壓器。試驗(yàn)時(shí)因雨未將架空線與X、Y、Z三只套管解開，而是直接將架空線與調(diào)壓變的聯(lián)結(jié)解開，這樣A 相繞組尾端末懸空并連有約2m長(zhǎng)的跳線。2K頻率下繞組響應(yīng)幅值比歷史曲線下降的原因在于引線未拆除。 引線感應(yīng)電壓的影響（1#主變?nèi)栽谶\(yùn)行，相距約4米）、引線與高壓A相套管的接觸不良均會(huì)造成此現(xiàn)象發(fā)生。因此我們下出高壓繞組A相無變形的結(jié)論，目前該變壓器一直安全運(yùn)行。

5 結(jié)論：
      1) 若三相頻響曲線橫向比較一致性好，可認(rèn)為繞組沒有變形；若三相頻響曲線一致性不好，不能認(rèn)為繞組發(fā)生了變形，變壓器是否存在變形則需作進(jìn)一步分析。
      2) 在實(shí)際判斷繞組有無變形時(shí)，若無原始曲線需要與同廠同型同期變壓器測(cè)試結(jié)果相比較時(shí)，應(yīng)對(duì)高中低三側(cè)繞組區(qū)別對(duì)待，高壓側(cè)繞組頻響曲線僅有參考價(jià)值。
      3) 在用頻率響應(yīng)法判斷繞組是否存在變形時(shí)，以頻響曲線與歷史曲線縱向比較為主要依據(jù)，相關(guān)系數(shù)好（波峰和波波谷無位移）說明繞組未變形，如果相關(guān)系數(shù)不好，必須輔以阻抗電壓法加以驗(yàn)證，并參考三相繞組頻響曲線進(jìn)行橫向比較。在阻抗電壓變化高于4%時(shí)，表明變壓器繞組已發(fā)生嚴(yán)重變形，應(yīng)該立即退出運(yùn)行；阻抗電壓變化高于2%時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。
      4) 頻響法靈敏度高，易受外界干擾的影響，引線長(zhǎng)短、感應(yīng)電壓、雜散電容等因素影響程度較大，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)要引起重視，避免誤判。
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