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引言
　　作為與社會生產生活密不可分的能源供應體系，電力系統的安全性與可靠性正面臨著越來越高的要求，不僅體現在運行管理方面，同時也體現在設備維護方面。其中，變壓器作為輸電、變電、配電等多個環節中的關鍵裝備，其投資造價高，服役周期長，已經成為電力系統中最為核心的裝備之一。一旦發生故障，將對供電系統及用戶造成極大的影響。對大型電力變壓器來說，在經歷短路故障電流沖擊后，變壓器內部繞組的機械損傷往往不會在短時間內顯現出來，投入運行后存在巨大的安全隱患。實際運行經驗表明，短路沖擊，尤其是近距離的短路沖擊所帶來的電動力對變壓器繞組的影響極大，極易造成繞組機械性能下降、位置偏移、絕緣惡化等缺陷，這些隱患在變壓器經受再次沖擊后將逐漸積累、擴大，最終可能造成嚴重損毀事故，導致巨大經濟損失。因此，發展并應用變壓器繞組變形檢測與分析技術有著巨大的現實意義與經濟價值。
　　目前，繞組變形檢測技術以短路阻抗法和頻響分析法為主。其中，短路阻抗法通過在低電壓、小電流環境下對變壓器短路阻抗進行測量，并以其出廠值或歷史值為標準進行校驗，來作為繞組變形的判斷依據。短路阻抗數值與繞組的空間結構、幾何形態、以及各繞組之間的相對位置密切相關，因此能夠在一定程度上反應出繞組變形程度。同時由于測量電壓、電流水平較低，具備較好的可操作性，因此在現場試驗中得到了大量應用。但是，低電壓短路阻抗試驗僅能夠得到單一的阻抗值作為依據，對繞組變形缺陷的反映并不全面，同時缺乏成熟有效的判斷標準，一般起到輔助作用。
　　頻率響應分析法的基本原理在于通過測試變壓器單個繞組的頻率響應特性來反映其空間幾何特征。由于變壓器繞組空間位置與幾何尺寸的變化必然使繞組感抗以及繞組對地、繞組餅間的耦合電容發生改變，必然會影響其頻率響應特征。因此，通過在一定范圍內對該網絡的頻率響應特性（以幅頻曲線為主）進行測試，并與出廠數據、歷史數據或同類設備數據進行比對校驗，便能夠判斷繞組是否發生變形、以及判斷繞組形變的發生位置和嚴重程度。與短路阻抗法相比，FRA方法具有靈敏度高、可重復性強、數據內容豐富、對繞組形變的反映更加全面等優點，得到了廣泛的關注與應用，同時也對相關測試與分析方法提出了挑戰。
　　本文圍繞基于FRA的大型電力變壓器繞組變形測試與分析問題，對其技術原理進行了闡述，對測試結果分析與故障判斷方法進行了介紹，對未來FRA技術的發展與應用進行了展望。
　　FRA技術原理　　
　　FRA的基本原理是通過對繞組施加特定頻率的電壓激勵，測量其響應幅值并繪制幅頻響應特性曲線，測試接線如圖1所示。在頻率響應特性分析中，大型電力變壓器的高、中、低壓繞組可分別視為一組等效的串聯電感，而在各繞組之間、繞組對地、甚至繞組的層間與匝間都存在耦合電容，其等效電路中，L為繞組分布電感，C1、C2分別為繞組對地電容和縱向電容。對實際變壓器來說，其電感、電容并不是均勻分布的，而是會受繞組空間位置、物理結構等復雜因素影響00?！　?br /> 　　當輸入頻率較低時，繞組感抗較小、容抗較大，使整個網絡呈感性；而當輸入頻率較高時，繞組感抗增加、容抗下降，整個網絡呈容性。在一定頻率變化范圍內，網絡將在不同的頻率位置發生諧振，諧振點頻率、響應幅值等與網絡的電容、電感參數分布有關，并將受到繞組線圈空間結構、尺寸、布局的顯著影響。這樣一來，便建立了繞組物理形變與其頻率響應特征之間的聯系。
　　由于變壓器繞組等效電路中電感、電容拓撲連接關系的復雜性，在不同輸入頻率條件下，發生諧振的方式也有著巨大的差異。而串聯諧振、并聯諧振等不同的諧振形式，以及不同的諧振發生位置等，也將在頻率響應特性曲線上有所體現。給出了一個典型的繞組幅頻響應特性曲線。
　　FRA測試得到的幅頻特性曲線往往具有多個波峰與波谷特征，反映了不同的諧振位置與諧振方式等信息。對于波峰位置來說，說明該頻率下以串聯諧振為主導；而對于波谷位置來說，則說明該頻率位置以并聯諧振為主。當繞組發生物理形變時，必然導致耦合電容與電感數值與分布的改變，進而導致諧振頻率出現變化。反映在頻率響應特性曲線上，即波峰與波谷位置發生移動。因此，通過對頻率響應特性曲線進行分析，即可了解繞組的物理形變情況。
　　需要指出的是，在不同的頻率范圍內，頻率特性曲線與諧振點所反映的信息側重點是不同的，不同位置與程度的繞組形變往往只有在某個特定的頻率范圍內才能得到體現?？紤]到變壓器自身結構的特殊性、以及現場試驗的可操作性，需要對測試頻率范圍做出一定限定，以在充分體現變壓器繞組物理變形缺陷的同時，縮短測試時間，降低檢測成本，提高試驗結果的針對性和可對比性。因此，一般按照輸入頻率將響應曲線劃分為低頻、中頻和高頻三個區域，對三個區間內的曲線相關系數進行分別考量和分析。
　　分析方法與判據
　　通過FRA能夠得到繞組在一定頻率范圍內的響應特性曲線，這一曲線的波形與繞組的空間形態與特征密切相關，并將通過不同頻率位置的響應幅值來體現。文獻中對變壓器繞組不同狀態的對應頻率范圍進行了歸納。
　　根據給出的變壓器繞組等效電路可見，在低頻率范圍內，繞組的對地電容及餅間電容的容抗較大，整個繞組以電感為主導。因此，一般認為頻率響應曲線中20kHz以下的低頻段部分發生偏移時，則預示著繞組整體電感發生變化，可能存在匝間短路、餅間短路等缺陷，也可能是由于鐵心變形或剩磁引起。這些缺陷除了會引起頻率響應特性的變化以外，往往還能夠通過油化驗等其他項目得到準確判斷。
　　在中頻段范圍內，繞組的頻率響應特性受到餅間電容、繞組電感等多重因素的復合影響，在曲線上存在著多個波峰與波谷。當繞組發生局部變形時，必然會引起餅間電容的變化，進而使中頻段的諧振點發生改變。因此，當繞組在中頻段的響應特性改變時，通常表明繞組局部發生扭曲、鼓包等變形缺陷，是判斷繞組局部變形的主要依據；
　　在高頻段范圍內，變壓器繞組的等值感抗增大，容抗減小，可被等值為一個容性網絡。由于繞組的餅間電容遠大于對地電容，其特性以繞組對地電容為主導0。因此，當幅頻響應特性曲線高頻段范圍內的波峰或波谷位置發生變化時，通常表明繞組存在整體軸向變形或移位、引線接頭移位等情況。
　　雖然不同的繞組缺陷能夠通過繞組頻率響應曲線的不同特征來體現，但具體應如何判定響應曲線是否正常仍需要進一步探討。對此，首先可以通過同一變壓器、同一電壓等級A、B、C三相的頻率響應曲線的橫向對比來判斷各相繞組是否發生變形，在必要時可以借助同批次、同型號變壓器的測試結果。此時，需要保證在不同相的測量中外界條件與測試方法一致。當某相響應特性曲線與其他兩相相比具有明顯差異時，即可初步判定該相繞組可能存在繞組變形缺陷。在實際應用中，還可以通過相關系數來提升FRA方法易用性。在當前廣泛應用的各種FRA繞組變形分析設備中，相關系數計算已成為其中不可或缺的一項功能。按照規程要求，在低頻、中頻、高頻段的相關系數要求分別所示。
　　對橫向比較來說，重點需要排除三相繞組均發生類似形變的可能性。此外，由于三相繞組在變壓器中的空間布局、引線連接等均存在一定差異，因此即使對正常繞組來說，其三相頻率響應特性之間也可能存在一定差異。這一問題往往出現在變壓器低壓側繞組當中，尤其在含有平衡繞組的變壓器中體現的更加明顯。因此，在橫向比較的基礎上，還需要通過縱向比較來進一步提升判斷的準確性，即將本次測試得到的響應曲線與變壓器出廠、交接、修后試驗中得到的正常響應曲線進行比對。在實際應用中，往往將橫向比較與縱向比較兩種方式結合使用，以充分發揮二者的各自優勢。
　　影響因素分析
　　基于FRA的變壓器繞組變形測試能夠準確感知繞組的頻率響應特征，同時不易受到外部電磁信號的干擾。但是，由于變壓器自身頻率響應特性與其電氣參數密切相關，變壓器的運行方式、接地狀態、接線方式等都極易對其響應特性造成影響，進而影響繞組變形診斷精度錯誤！未找到引用源。因此，在實際應用中應特別注意以可能對測試結果造成影響的環境因素，以保證測試結果的可對比性與可重復性，包括：
　?。?）必須確保測試引線的連接狀態與屏蔽性能良好。由于FRA設備的測試引線和線夾均采用高頻屏蔽結構，在低溫、油污、潮濕等復雜現場應用環境下，容易造成測試引線接觸不良等問題。同時，由于引線一般較長，在反復纏繞、折疊過程中極易造成線芯斷開或屏蔽層開裂。這些測量線路的故障將直接影響頻率響應測試結果，并可能表現為無波形、波形整體偏移、波形跳躍、干擾增大、或出現明顯有違實際的無意義雜亂波形等等。對于這一情況，可以通過人工檢查或萬用表測量等方式來進行故障診斷；
　　（2）FRA測量儀器、引線屏蔽層、以及匹配阻抗必須保證良好接地，同時在多次測量中應盡量保證采用同樣的接地方式和位置以保證結果的一致性。當引線或設備接地不良時，可能造成設備或引線對地雜散電容也參與到頻率響應中來，造成測試波形在中高頻率范圍內出現偏差、散亂等問題，影響試驗的正常進行；
　?。?）需要保證被試品變壓器自身狀態滿足測試要求。變壓器的出口引線對其頻率特性會造成較大影響，因此一般要求在測量時需拆除變壓器全部引線，對于電纜出線以及引線難以全部拆除的情況，需要確保歷次測試環境的一致性；需要確保變壓套管末屏、鐵心等接地良好，鐵心充分消磁、繞組充分放電，避免對測試過程產生干擾；需要保證歷次測量中變壓器分接開關位置一致，使各次測試結果具備對比價值。
　?。?）需要盡量保證外界環境在歷次測試中的合理性與一致性。對于變壓器臨近設備應盡量停運、屏蔽或接地，以避免對測試過程產生干擾；對變壓器上層油溫、環境溫度等需做好記錄，從而在分析中排除其對測試結果的影響。
　　未來發展與應用
　　FRA由于其抗干擾能力強、可重復性好、測試靈敏度高、分析診斷方法簡便等特點，目前在國內外變壓器生產、運行和管理部門得到了極為廣泛的應用，并取得了一定成效。然而，由于FRA測試仍然受到很多不確定性因素的影響，同時缺少有針對性的準確故障挖掘與診斷手段，因此仍存在著一定的改進空間，主要體現在：
　　一是提高測試裝備與方法的準確性與適用性。目前，受內部算法、抗干擾能力等性能指標的影響，不同廠家、不同型號的測試裝備在實際應用中可能無法得到完全一致的結果，需要建立詳細有效的設備評價標準與準入機制，避免因裝備差異造成的缺陷誤判或無效數據。此外，大量不同出線類型、不同電壓等級的大容量變壓器得到了廣泛應用，要求繞組變形測試方法對不同設備類型均具有適應能力。尤其是對采用電纜出線等特殊接線模式的變壓器來說，必須采用合理有效的繞組變形測試方法與手段來避免電纜電容等附加因素的影響，并深入了解測試結果的物理意義。
　　二是提高不同應用場景下測試結果分析的科學性與合理性。當前對繞組變形測試結果的縱向比較方式仍面臨著歷史數據難以獲取或不可靠、不準確等問題，而橫向比較方式以不同頻段的相關系數為標準進行判斷，沒有深入利用繞組頻率響應特性的物理含義，容易產生誤判風險。尤其是對某些含有平衡繞組的變壓器來說，即使繞組狀態正常其三相之間的頻率響應往往也無法保證一致性。因此，必須建立能夠滿足多種場景應用的FRA繞組變形科學分析判斷方法體系。
　　結語
　　目前，基于FRA的繞組變形分析技術由于其測試靈敏度高、可重復性好、抗干擾能力強、數據分析方便等優點而得到了廣泛使用。本文從原理角度對基于頻率響應的電力變壓器繞組變形分析技術進行了介紹，對測試結果的物理含義、判斷依據與影響因素進行了分析，對相關技術的局限性與未來發展方向進行了探討，希望能夠對基于頻率響應的繞組變形分析技術的進一步發展進步與推廣應用提供一定借鑒。
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