变压器绕组变形检测的研究

1、西华大学 硕士学位论文变压器运行状态下绕组变形检测的研究 姓名：付东丰申请 学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：戴玉松20080501西华大 学硕士论文变压器运行状态下绕组变形检测的研究电力系统及其自动化专业 研 究生：付东丰导师：戴玉松朱康电力变压器是电力系统中重要的电气设备，肩负 着变换电压、传递能量的重要任务，它的安全运行直接关系到电力系统的稳定。变 圧器长期在运行会发生各种故障和事故，一旦遭到破坏，会造成巨人的经济损失。 为了能及时发现变压器的事故隐患，避免事故的发生，提高变压器运行的安全可靠 性，开展变压器绕组变形的检测和故障诊断的研究具有十分重要的意义。变压器中 常发生

2、故障的部位是绕组，它的损坏率约占整个变压器故障的6 0%7 0%。频 率响应分析法是检测变压器绕组变形的一种有效方法，已在各国得到了推广应用。 但是属于离线方法，不能用于在线检测，不能及时发现变压器的故障，本文的主要 目的是研究如何用频率响应分析法在线检测变压器绕组变形，即用电流源代替传统 的电压源作为激励。因为变压器母线电容比较大，当在高频下容抗相当于短路，儿 乎没有电压，在这样?那榭軌绿崛缪刚藕攀怯幸欢g 训模喽岳此档细廣藕疟冉先苑滋崛）隼础1疚亩源俗隽舜罅抗朋鳌h 墓卜至 拢 恳徽碌拇笆履谋崔纟曼 滤 荆?第一章为绪论，说明了测试绕组变形的意义、频率响应分析法的现状及趋势, 并对儿种测试

3、方法进行了介绍。第二章主要介绍了绕组的基本知识，这些知识是以 后进行分析时所能用到的。第三章主要介绍了现场测试中的影响因索和分频点的研 究。第四章首先介绍随着频率升高，变压器绕组的变化过程，随后对用电流源作为 激励进行了可行性分析，用儿种方法进行了说明。第五章提出了两个测试模型，并 对模型的某些部分做出了说明。西华人学硕士论文第六章对全文进行了总结，并 提出了展望。关键词：变压器 绕组变形 检测频率响应i i西华人学硕士论文 detect transformer's winding deformat i o n when transformer working electric p o

4、 w e r system and i t > s automation master： f u dong f eng t u t o r ： d a i y u s o n g zhu kangelectrical d valuable i ca 1 p o w e1 e i na n s m it o e 1t i o n .e1tt ransformer i s electric e q u i m e s y s t e m. i t plays c t r i c p o w e r > s p r on. i t s safely r r i c a 1 poweraw

5、heni m p o r t a nt a n n t in e 1 e c t r ant n d a t1 i o f i n h ii na n import o d u c t i o n u n n i n g r e s y s t e m x s stab kindsoccurn g i n p o w e loss i s v e n t rouble s , i m p r o v ensformer will it o p e f a i thec i d e n t slong ti m e . i f broken g h . i n voidunexpectedord

6、er t o find h i d d e accidentr y and a the sa f e t y o f t rans forme o n t h e d e t e c tion and former winding d e f o i c a 1 a n d i mm i n e nt s i r running, the study diagnosis o f transr m a t i o n i s o f p r a c t gnificance. windings are the most nsformer a 0 %7 0 % o f s.frequenc a e

7、 f f e c t i vf a u 1 t c o m p o n e t s damage rate the transforme s p o n s e a n a 1 y s iused in many o f f 1 i n e fund i n t u d y how t w i n d i n g d ponse n s t e a dn t s o f t r ai s a b o u t 6 r accident s m e t h o d i s wide-rangingi t i s m a i n 1 y tb eo s t lse n e s s way, i t

8、i s tries, buti n g . a c c i d e 1 it can、 a r t i c 1 e > s a i m i s t i n g the transformec o u nm o n i tori m e . theo detecti o n . because s b i g , s 0 i n e a t beformation with f requency ana lyses.o f v o 1 t a g e thecompa rent s the ter. inlyp m a n g w i n d d trendt i s s h o r t

9、vol t a g e . i t a g e signa r a t i v e 1 y , i i g n a 1 , s o dnamely current s u p p source a s the m o t i trans tormer、s bus b out i n h i 曲 fs1t1requency, t o e x t i o n , tract t h i ? article. the article have five the first chapter i s exordium.show the mean ing o f the m o n i to i n g

10、deformat ion, the actuality o f f requency respond analyses, at i s difficult 1 o n this condi t i s easy t o e x o manywork for articlechapter i s mean ing o fn d1ntro d uc e m an ym o n it0ri n g w ays .these c0ndch ap t e r in tr o d uceth e b asi cknow1 edge0f wr i n d i ng i t w111b e usedat n

11、e xts evera1 ch a p t er s theth1r d c h apte r i ntr oducet he i n f 1u eneefac to r a ts1t e a ndf requen c yspot.the f orthchap teri n t r0d ucethe ch a n g ep i、o c ess0f t r a nsfo r m erw ind1ng wi t h f re q u e n cyr1sing. af te r w ard sana1 y se s t he fe a s ib11i t y o fc ur r e nts upp1

12、yi nsteado fi i i西华人学硕士论文v -0 1t a g es 0urcea sa m o ti v a t i on .th e f i fthchapte ri3 u tforwardtwo t e stm odel, andi n t r0d uces0m eparto ft h e m ode1 . t h es1x t h cha pterge ne r a 1 ized thefu 11 text,an d b r1n g forward e x p e c t a tio nkeyworcl：transf ormer winding deformation det

13、ect f r e q u e n c y response i v西华人学硕士论文声明本人声明所呈交的学 位论文是木人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文屮不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中做了明确的说明并表示谢意。本学位 论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所 有，特此声明。作者签字：彳寸鲫品年丁刀们口剧磁字缕扔二，量z j西华大学 硕士论文1绪论11课题研究的实际意义变压器是电力系统中重要的电气设备之 一，在电力系统中承担着电压变换、屯能分配和转移的重要

14、责任。其安全可靠运行 对于保障电力系统的可靠运行有着重人意义。但是，变压器在长期运行中不可避免 的要发牛故障和事故，若发牛故障而导致停电可能会带来巨大的经济损失，并口电 力变压器的检修周期比较长，一般要长达儿个月以上n 1 ,因此对变压器进行状态 检测、故障分析和及早预测，就具有更迫切的实用性和重要性。变压器发生故障和 事故的种类繁多，绕组变形是变压器发生故障和事故的主要原因它的损坏率 约占整个变压器故障的6 0 %7 0 %,就华北电网来说，2 0 0 3年11 0 k v及以上变压器突发性损坏年事故率为03 5 %, 2 0 0 4年1 1 0 k v及以上变 圧器突发性损坏事故2 0起，

15、年事故率为0. 5 8 %； 2 0 0 4年发生了 2 0起变 压器损坏事故，其中绕组损坏1 1起，绕组损坏事故占事故台数的5 5 %乜3。2 2 0 kv等级变压器中由于绕组引起的非计划停运时间占总非计划停运时间的7 9.49%, 330k v 等级占 7 2 . 31 %, 5 0 0 k v 等级占 9 8 . 9 2 %d）,据电力系统1 9 9 0 . 1 9 9 9年期间的3 2 8台1 1 0 k v及以上电压等级的电 力变压器事故统计资料显示，绕组故障1 1 2起，占总数的3 4. 1 5%111。1 . 2 变压器绕组变形的检测方法口前,国内外检测变压器绕组变形的方法主要冇

16、低压脉 冲分析法（l v i ）,短路阻抗分析法（s c r）和频率响应分析法（f r a）。述有几种其他检测方法，如电容量变化法、超声波检测法、振动法等等，但应用的 比较少，所以只介绍前面儿个常用方法。12. 1低压脉冲法（low volt a g e i mp u 1 s e简称lv i法）嘲"ml根据电工理论，一个无源、线性、 单端输入？ 5审耸涼鑒 统腿裕 梢杂么 莺 眨q穡匚虻丿怀寮总熄剩桑欤q 妫卜疵檢觥5频率超过1 khz时，变压器的西华人学硕士论文铁心基本上不起作 用，可以认为变压器是一个ftl线性电阻、电感、电容组成的无源线性双端口网络。 申于绕组的电阻非常小，可以

17、忽略绕组的电阻，则绕组的等值电路可用图1 . 1表 示。toatt。厶 tt o a t f i g .1 1 the equivalent g r a p h o f winding图卜1变压器绕组的等值电路图中，厶为单位长 度电感，k为单位长度纵向电容，g为单位长度对地电容，ax为分段长度。当变 压器绕组发生了变形情况时，变压器绕组等值电路中的单位长度分布参数厶、k、 c0参数将发生改变，随着网络参数的改变，其单位冲激响应也随z改变。在被试 变压器的一端丿施加比较稳定的低压脉冲电压信号，并且同时记录该端和另外端点的 电压波形。当变压器绕组发生变形时，响应的波形就会发生变化，这样就可以对变

18、压器的绕组状态进行判断，这就是低压脉冲法的原理，原理图1 . 2。最早提出并 使用低压脉冲法的是波兰的l e c h和tymi n s 1 d （ 1 9 9 6年），此后英 国和美国得到进一步的改进和完善，其主要用途是确定变压器是否通过短路试验， 现在己经被列入i e e e电力变压器短路实验导则和测试标准。低压脉冲法灵敏度 高、测试速度快，然而由于lv 1法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时易 受到外界干扰和灵敏度校正过程的影响，往往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屮的折反射问题和脉冲信号源(通常不超过3 0 0 v)的不稳定性问题，故现场使用往往难保证测试

19、结果的重复性。2西华大学硕 士论文标准脉被测变压器绕组h ( t ) =vo ( t ) /vo (t)样v； vk) v。k) ff 丁处理 | ifft 处理 v,鑫)h ( n ) =vo ( n ) , vo ( n) v o ： n) 1 . 2 . 2 阻抗法(short. circuit reactance 简称s c r法)旧儿9】【1们短路屯抗法又称短路试验法。变压器的短路阻抗是 当负载阻抗为零时变压器内部的等效阻抗。短路阻抗的感性分量，即短路电抗，就 是绕组的漏电抗。ftl变压器的理论分析可知，变压器绕组的漏屯抗甫纵向漏电抗和 横向漏电抗两部分组成。一般情况下，横向漏电抗比

20、纵向漏电抗小得多。无论是横 向漏电抗还是纵向漏电抗，其电抗值都是由绕组的几何尺寸和相对位置所决定的。 也就是说，在工作频率一定的情况下，变压器的短路电抗是由绕组的结构所决定的, 其值可由短路阻抗求出。对于一台变压器而言，当绕组变形，儿何尺寸和相对位叠 发生变化时，其短路电抗值也会变化。反之，如果运行中的变压器受到了短路电流 的冲击，为了检查其绕组是否变形，可将短路前后的短路电抗值加以比较来判断。 如果短路后的短路电抗值变化很小，则可认为绕组没有变形：如果变化较人，则可 认为绕组有显箸变形。所以有关标准规定变压器在进行短路试验前后都要求测量每 一相的短路阻抗，并把试验前后所测量的电抗值加以比较，

21、根据其变化的程度，作 为判断被试变压器是否合格的重要依据之一。fi91 .3 t h e p r i n c i p 1 e graph o f s c r 3西华大学硕士论文图13短路试验法的原理 图1 1测试程序简单，并经多年实用，也得出了公认的定量判据，并已被列入标准(g b 10 9 4. 5或iec765 )中。多年来，意人利还把漏抗试验作为例行预防性试验，每3年做一次。2)重复性很好，对变形的评估可靠性甚高。但 是，短路试验法对于微弱变形不敏感，只能反映对绕组整体电感影响较大的变形。1 . 2 . 3 频率响应分析法(frequencyresponse ana 1 y s i s

22、metho d简称fra法)n 1】【1 2儿:w频率响应分析法最早是由加 拿人的e. p. dick和c. c. e r v e n提出并应用的。其t作原理为，在 频率较高的情况下(大于1 k h z ),变压器绕组可以等值为一个rtl电容、电感等 分布参数所组成的两端i丨网络(电阻很小，可忽略不计)，其等效电路如图卜1所 示。将输入激励与输出响应建立函数关系，并逐点描绘，就得到了反映变压器绕组 特性的传递函数特性曲线。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的止弦波信号，便于用数字处理技术消 除t扰信号的彩响，具有较强的抗t扰能力，可以保证测

23、量结果的重复性。变压器 结构一定时，变压器绕组的分布参数和频响曲线也就随z确定，当变压器内部发生 变化时，其绕组的分布参数就会发生改变，相应的频响曲线也会随之发生改变。在 绕组的一端加入不同频率下的扫频电压信号k(k9 ,同时检测不同扫描频率下的 另一端绕组电压信号k (刀)，并进行相应的处理，最终得到被测变压器绕组的传 递函数日佃):h (聆)=2 0 1 9 (v o (以)/ k (ft)电力变压器绕组 的传递函数日(j a 0主要取决于其内部电感、电容等分布参数，大量试验研究结 杲表明，变压器绕组的频率响应特性通常具有如下特征嘲：当频响特性曲线低频段(lkhz-lookhz)的谐振峰发

24、生明显变化时，通常预示着绕组的电感变 化或发生整体变形现象。因为在频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如杲绕组的电感发生变化，势必会导致其频响曲线低频部 分的谐振峰频率左右移动。对绝大多数的变压器来说，其三相绕组低频段的响应特 性曲线较为一致，如果发现不一致的情况，应慎重对待。4西华大学硕士论文当 频响特性曲线中频段（50khz 600khz）的谐振峰发生明显变化时，通 常预示着绕组发生扭illi和鼓包等局部变形现象。因为在该频率范围内，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峰，故rfo根据其各个谐振 峰频率的变化情况能够较灵敏地反映出绕组

25、分布电感、电容的变化情况。对于那些 遭受突发短路电流冲击的变压器，如果其谐振峰频率同短路冲击前的有较人变化， 如谐振峰频率左右移动或谐振峰数目减少或增多，通常可认为绕组发生局部变形。 当频响特性曲线高频段（人于5 0 0 kh z ）的谐振峰发生明显变化时，通常预示 着绕组的对地电容改变。因为在高频条件下，绕组的感抗增人，基本被饼间分布电 容所旁路，故对谐振峰变化的影响程度相对较低，基本以电容的彫响为主。山于绕 组饼间电容通常较大，故对地电容的改变是造成该频段内频响特性曲线变化的主要 因素。由于绕组频响特性曲线中的高频段易受测量冋路对地朵散电容的影响，如果 测试回路连接不当，往往难以保证两次结

26、果在该频段内的重复性。故在进行相关系 数计算或观察谐振峰移动情况时，应重点针对i k h z- 7 0 0 k h z范围内的频 响特性曲线进行判断，超过7 0 0 k h z的部分仅作为必要时的参考。1 . 3以频 响分析法检测变压器?谱楸湫蔚难芯肯肿矗保 常 感芯肯肿？日前频响分析法在欧 洲各国得到了广泛的应用，成为检测变压器绕组变形的主要方法。我国在变压器绕 组变形诊断技术方面的研究起步较晚，从1 9 9 0年才冇研究院所、学校对频率响 应法进行了尝试，取得了一定的成效。后来电力系统各单位和变压器生产厂家也都 用频响分析法进行了普测，积累了人量数据和经验，并及时检测出绕组变形故障， 避免

27、了重大事故的发牛。很多地方都自行研制了变压器绕组变形测试设备，并在电 力系统得到广泛应用，取得了很好的效果。我们做的试验采用的是td 2 0 0 2变 圧器绕组变形测试仪，用此仪器做了几台变压器的频响曲线，图14是同一时间 生产的两台变压器，从这两台变压器的频响曲线上看相差不人，是两台运行正常的 变压器。5西华大学硕丄论文fi91 . 4 the f rixtuency r e s p o n s e c u r v o oftransformo 图 14 变压器频率响 应曲线图 f i g 1. 5 the f r e1 ueney response c u r v e o f fault

28、transform91图卜5故障变压器频率响应 曲线图从频响曲线图（图1 一 5 ）屮可以看出，三相间的曲线拟合性非常差，并且 测量的和关系数也达到了严重变形的指标，认为此变压器绕组已发生严重变形，经 过m罩检查确实如此.td 2 0 0 2型变压器绕组变形测试系统除采用高性能的进 口硬件电路來保证测试精度和工作可靠性外，还采取了如下先进的数字处理技术， 使测试系统的抗干扰能力和检测灵敏度得到显著增强崎3；（ 1 ）采用先进的数字锁相技术，保证扫频电压发生器输出信号的频率高度稳定，便于对测试结果进行 相互比较。（2）同时测量输入信号k和输出信号堆，并以7形来表征绕组的频 响特性，彻底消除ftl

29、于扫描电压信号幅度不稳定性造成的测量误差。（3）采用 f ft等数字滤波技术对测量信号k和输出信号堆进行预处理，极大地增加了测试 系统的抗干扰性能，原则上，主要干扰信号的频率不落在扫描频率点上，就不会对 测量结果造成影响。（4）采用具有自适应量程功能的高速、高精度银采样系统,并同时使用了微弱信号提取技术（如对多周期信号进行相关平均处理）和数字滤波 技术，确6西华大学硕士论文保测试系统具有足够高的检测灵敏度和测试重复性。（5）采用先进的11线拟合处理技术，能够对测得的频响特性111线进行高精度插值 处理，即使选用6 0 0个或3 0 0个扫描测量频点，也可获得较高的扫频测量精度, 并且实现了相同

30、扫频范围、不同扫描频点数口的两次测试结果之间的相互比较。（6）采用独特的相关性比较判断技术，变压器绕组的变形程度（即绕组频率响应特性的变化情况）可根据相关系数r值人小直观地进行判断。通过相关系数可以定 量描述出两条波形曲线之间的相似程度，通常可作为辅助手段用于分析变压器的绕 组变形情况，具体结果还应根据变压器的运行情况及其他信息综合判断。设有两个 长度为n的传递函数幅度序列x （k）、y （ k） , k0、1,n. 1 ,且x （ k ）、y （ k ）为实数，相关系数r可按照下列公式计算。川1.=专篓j v i （） x c七，一专篓x c后，）2皿2丙篇i x （七）一专荟x （后t b =?a 焙駢京斛赚玻愣蛔愣常？b 2万刍i. y （动一专荟y （“i c。 =芸i篓（y c七，一专篓y c后，）x （ y c后，一毒i篓y c后，）l r夥2 c 9 八d x f y 1 f 1 一地v 1 0 q o k =一。1 g （ 1 £只。）其他可