现场试验对变压器频响结果的影响因素

1、变压器频率响应测试及影响测试结果因素分析吴晓东摘 要 在电力变压器运行过程中，变压器出口短路故障对变压器的危害很大，常常造成变压器绕组的各种变形，影响变压器的正常运行，严重的还会导致变压器突发性损坏事故。从变压器运行的实际情况看，变压器承受短路电流冲击以后，有时用常规的电气试验项目和绝缘油分析均在预防性试验规程所规定的范围内，但吊罩检查却发现绕组已明显变形，故常规绝缘、油化试验还不能有效发现变压器绕组变形缺陷。而常规吊罩整体检查，则停电时间长，且受到变压器绕组分置方式的限制，一般只能检查高压绕组的情况，对中压、低压绕组无法确定变形。为消除电网中变压器绕组变形引起的事故隐患，本文根据频率响应法在

2、嘉兴电网中应用的实际情况，在4年多的时间内对所辖的500kV主变1台/次、220kV主变28台/次，110kV主变156台/次进行了多次反复现场测试，研究得出了在现场应用该方法测试对变压器绕组变形的频响曲线几种影响因素，同时，本文提出利用频响法测绕组变形的注意要点。关键词 变压器 出口短路频率响应绕组变形前言 诊断变压器绕组变形程度，合理检修变压器是提高运行中变压器抗短路能力、提高供电可靠性的一项重要措施。变压器绕组发生局部机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然随之变化。因变压器结构、生产厂家的不同，其绕组承受短路电流的能力不同，在承受相同短路电流后，其绕组变形的程度、变形后内部分布参数

3、的相对变化等往往相差较大。防止电力生产重大事故的二十五项重点要求对变压器抗短路能力提出了比较具体的要求，当变压器出口短路、出厂和投产前，应当做低电压短路阻抗测试或用频响法测试绕组变形以留原始记录。一、变压器出口短路的危害性电力变压器在运行过程中不可避免地要遭到各种故障短路电流的冲击，一旦短路故障发生在变压器出口附近，变压器绕组将承受巨大的，不均匀的轴向和径向电动应力的作用。如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，将会产生绕组扭曲，鼓包移位等变形现象，甚至导致突发性损坏事故。由于短路时作用在变压器线圈上的电动应力具有较复杂的动态过程，到目前为止尚不能用理论计算结果正确反映出变压器承受突发短路电流冲击的

4、能力。但理论分析表明，当变压器在运行过程中遭受突发性短路故障电流冲击时，每个线圈都将受到强大的径向力和轴向力的共同作用，轴向力较之径向力更能引起变压器事故，变压器初始故障的表现形式大多为绕组出现变形(尤其是对自耦变压器)，发生鼓包。扭曲移位等不可恢复的变形现象，其发展的典型形式是绝缘破坏，随后出现饼间击穿、匝间短路、绝缘段放电或完全击穿，为及时发现存在故障隐患的变压器，防止变压器事故的发生，就必须对变压器绕组变形进行检测或诊断。二、变压器绕组变形测试原理和方法      利用现代网络分析技术的典型方法频率响应分析法(FRA)，通过测量

5、变压器各个绕组的传递函数H(j)，并对测试结果进行纵向或横向(三相之间)比较，可灵敏有效地诊断出绕组的扭曲、鼓包，移位等变形现象。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，设绕组单位长度的分布电感、纵向电容和对地电容分别为L、K、C，并且忽略绕组的电阻(通常很小)，则绕组的等值网络可用下图表示(简化为均匀传输线表示)。根据电工学理论，它是可以通过传递函数H(j)对其特性进行描述的。如果绕组发生了轴向、径向尺寸变化等机械特性变形现象，势必会改变网络的L、K、C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。

6、采用的幅频响应特性为： 图1单相变压器电气原理图L一单位长度电感量；K单位长度电容量；C一单位长度对地电容量。利用频率响应分析法(FRA)诊断变压器绕组变形，理论上认为能够在变压器不吊罩的情况下快速检测出相当短路阻抗变化0.2或者轴向尺寸变化0.3的绕组变形现象。 三、变压器绕组变形测试系统频率响应的工作原理及试验接线1 工作原理变压器绕组变形测试系统就是利用频率响应分析法的工作原理，通过高性能的便携式工控机的集中控制，使扫频电压发生器依次把不同频率的正弦波电压信号Vs(t)加A到变压器绕组的一个端子上，双通道检测单元同时记录该端子及绕组对应端子上的电压信号Vi（t）和Vo（t）的波形，并进行

7、相应的处理，得到其在不同扫描频率下的Vi（t）和Vo（t）的幅值，这样就可以准确地描绘出幅频响应特性曲线。然后采用相关性比较技术比较绕组频率响应特性变化情况，得到相应绕组间的相关系数R值，即可综合其他试验结果和变压器本身的运行，运输情况直观地进行比较分析或判断绕组的变形程度。利用本测试系统试验时仅需解开变压器出线联接线，测试方便，时间较短，各种测试信息和结果直接显十在计算机屏幕上，一目了然，并可由打印机打印输出。 2测试接线和方法非测试绕组可悬空或一点接地。但对于同一被测试对象，前后次测量方式应最大程度的保持变压器状态的一致性。四、变压器绕组变形测试结果的分析判断测试分析频响曲线作为一种“指纹

8、”数据，应注重对绕组的幅频响应特性进行纵向（如前次和后次，外部短路前后等）、横向（如相间、同类型产品之间）相互比较。并结合低电压短路阻抗、绕组电容量、绕组直流电阻等其它电气试验、油中溶解气体分析、变压器结构、变压器遭受短路冲击情况等提出综合的分析意见。分析方法纵向比较法是对同一台变压器、同一绕组、同一分接开关位置 、不同时期的幅频响应特性进行比较，根据其变化判断变压器绕组的变形。如果比较发现幅频响应特性发生变化，在排除试验接线的影响后可以认为绕组发生了变形。横向比较法是对变压器同一电压等级的三相绕组幅频响应特性进行比较，或同一制造厂在同一时期制造的同型号变压器对应绕组的频响应特性进行比较，据其

9、变化判断变压器绕组的变形。如果相似性较好，则说明绕组未发生变形，如相似性较差，则要与同厂家的同型号变压器进行比较，这个比较包括两台变压器对应相之间的比较，以及作为参照的变压器三相绕组的幅频响应特性相似性比较，以避免有些变压器三相绕组结构本身可能有些差异使得曲线相似性较差，导致误判。变压器绕组变形测试结果的分析承受过短路冲击的变压器，其绕组是否变形主要受以下二个因素的影响，一是变压器本身的抗短路能力，主要取决于变压器的结构、所用的材料及设计时的应力均匀性；二是变压器短路时实际产生的电动力及该电动力的作用时间，主要取决于短路电流值及保护动作灵敏程度。利用变压器绕组变形频率响应分析法(FRA)所测的

10、结果进行分析，除了要充分考虑变压器结构特点，短路电流数值、短路电流持续时间等因素外，关键的问题是找到一条变压器绕组基准的频响曲线。对于无基准频响曲线的变压器，作为变压器绕组变形测试结果判断的权宜之计，一是进行三相间波形相似性比较，对于三相频响曲线较为相似的变压器，可以初步认为绕组无明显变形，但对于三相频响曲线差异较大的变压器是否存在变形情况则需作进一步的分析；二是利用变压器高低压绕组之间的频响曲线的矛盾性来初步排除绕组存在变形的可能性，此种排除方法具有许多不确定因素。最关键的还是变压器绕组频率响应曲线本身的分析对比，尤其是谐振点的分布情况对分析判断具有相当大的影响，因为绕组变形后，幅频特性的明

11、显特征主要表现在谐振点的变化上，故此在进行变压器绕组变形分析时，应把谐振点的变化当作主要特征参量。五、变压器绕组的频率响应特性通常具有如下特征1 绕组变形分析的总原则经验和理论分析表明，变压器绕组幅频响应特性曲线中波峰（即极点）和波谷（即零点）的分布位置及数量的变化，是分析变压器绕组变形的重要依据。幅频响应特性曲线低频段（1kHz100kHz）的波峰和波谷发生明显变化，则预示绕组电感改变，绕组可能发生整体变形，包括匝间或饼间短路的情况。频率低时，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，即绕组的电感影响起主要作用。因此，如果绕组电感发生改变，会明显影响到低频段的波峰和波谷分布。对于

12、局部变形，一般总电感变化较小，所以低频部分反映不明显。幅频响应特性曲线中频段（100kHz500kHz）的波峰和波谷发生明显变化，则通常预示绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。中频段绕组的分布电感和电容均发挥作用，其频响特性具有较多的谐振峰。绕组小面积的变形，改变了局部的谐振点。所以中频部分的频谱特征改变表明线圈出现局部变化的情况。幅频响应特性曲线高频段（>500kHz）的波峰和波谷发生明显变化，则通常预示绕组的对地电容改变，可能存在引线和绕组整体移位。因为高频条件下，绕组感抗增大很多而转向容抗的作用为主，而且匝间和饼间电容比对地的分布电容要小，故而对地电容的改变对高频段频谱的影响较大。从

13、趋势上看，高频段的响应呈衰减减少的趋势。利用上述频率相应分析法(FRA)诊断变压器绕组变形，理论上认为能够在变压器不吊罩的情况下快速检测出相当短路阻抗变化0.2或者轴向尺寸变化0.3的绕组变形现象。与早期的低压脉冲法(LVl)相比，由于频率相应分析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的正弦波信号，便于用数字处理技术消除干扰信号的影响，信号传播过程中的折反射问题也易于得到解决，故具有较强的抗干扰能力，测量结果的重复性也易于得到保证。 2  绕组变形分类分析分析变形故障的原因及形式主要有以下几种：由于变压器运输过程的冲击力或受电动力影响线圈发生整体

14、的移位和偏芯；受电动力的斥力造成绕组匝间饼间的局部拉伸和挤压；受电动力作用，绕组向两端顶出，在受到两端的压迫时，被迫从中部发生轴向扭曲；电动力作用下，绕组向内压缩或向外膨胀受到空间限制时发生幅向变形；分接开关触头烧蚀；匝间开路和短路等。不同的变形故障在频谱上有相应的特征图谱，甚至多种变形复合在一起，使得分析和判断比较困难。1）绕组整体移位在变压器运输、移动过程中，受外力因素造成绕组整体位移，通常相对原频谱图中的各谐振峰都存在，曲线基本不发生变形，但各峰均向高频方向移动。2）匝间、饼间局部变形 出口短路时，在电磁力的作用下，绕组中部分线饼被挤压，另一部分被拉伸，使饼间距离发生变化，这时频谱图上，

15、有部分谐振峰向高频方向移动并伴随峰值下降；有部分谐振峰向低频方向移动，并伴随峰值上升。3）绕组辐向变形 绕组辐向变形一般造成内绕组向内收缩，频谱图中谐振峰向高频方向移动，谐振峰的幅值有所升高。4）匝间短路匝间短路使绕组的电感量下降，频谱曲线变化明显，幅值大幅度上升，谐振峰向高频方向移动，蜂、谷间的幅值差明显变小，一些谐振峰消失。5）引线位移引线位移时绕组等值电路中两端入口电容发生变化。频谱曲线幅值上移，表示引线向绕组方向移动；频谱曲线幅值下降表示引线向外壳方向移动。六、现场试验对变压器变形试验判断影响的几点因素1、 分接开关位置的影响分接开关位置不同的影响是显而易见的，该相上线圈的匝数就不同，

16、从而使得电感、电容分布也不同，因此得到的频响曲线差异较大。洪兴变#1主变110kV线圈B相分接位置分别在1、9、17档位下的变形曲线如下图2，（变压器型号：SZ9-40000/110、组别：YN，d11）。可见，只有在低频影响不大，其他频域的谐振点完全不同。1档 9档17档图 2 分接开关位置的影响2、  变压器绕组充电后对频响法曲线的影响（1）直流充电后的影响：常规绝缘试验像绝缘电阻、泄漏电流等，都需要对变压器绕组进行充电，如试验后放电不充分，直接影响到被试变压器绕组层间、匝间及对地电容量的大小，进而引起绕组频响曲线的变化。图3是对绕组直流充电5min后马上进行变形试验，通过与历史

17、曲线的对比，发现高频略有上翘，中低频重合较好，有一定影响。充电后充电前图 3 直流放电不充分的影响（2）感应耐压试验后的影响：通常感应耐压采用的是倍频电源（100Hz400Hz），试验时铁芯趋于饱和，若在感应耐压后马上进行变形试验，由于变压器内部中有较大的静电存在，此时变压器内部电感的分布及大小较常规检修状态，有很大区别，所测得的频响曲线与历史比较相差较大，给正确判断变压器状态带来了干扰。下图4(a)是嘉善变#2主变局放试验结束半小时后试验35kV侧3相频响曲线： （a） (b)图 4 局放试验对FRA曲线的影响图4(b)是该主变第二天相同部位的变形曲线，很明显，这种残留的磁场对试验的影响是全

18、频域的，所以在工作前安排好试验顺序，尽量避免在变形试验前做类似感应耐压、局放等给判断绕组变形有影响的试验。3、变压器绕组与套管间连线带来的影响 图5、6是下甸庙变#2主变在投运前35kV侧线圈在1、3档位置的变形试验的曲线图A35kV第三档35kV第一档 图5 35kV第一档 图6 35kV第三档从曲线图形上看出，在现场的1，3档FRA波形，从图中看出，在3档时，A相在800kHz前有一明显的下沉，与B、C两相有差别。但是该变压器在运输途中冲撞仪纵横向均无发生动作，可以排除运输中的碰撞造成变压器绕组变形、移位。从可以看出，由于发生下沉的频率点在600Hz以后，属于高频段范围，分析认为

19、，在高频段部分，绕组的感抗比较大，基本被绕组饼间分布电容所旁路，对引线的位置较敏感，而与绕组本身的变形关系很小。对于在第3档A相发生的在800kHz前的偏移，我们认为主要是线圈与套管间引线的相对位置有关。 4、试验用同轴电缆屏蔽接地不良的影响我局使用的是浙江浦产CS-1变形试验仪，该仪器使用是频率线及电压的输入、输出线均为同轴电缆，且其外屏蔽层必须接地良好。下图7是99年5月瓦山变#2主变220kV的三相频响曲线：其中C相曲线整体上移，响应幅值偏大。经过现场的反复试验，产生这种现象的原因即为试验用电缆的屏蔽线接地不良，但不难发现全频域谐振点位置重合较好，相关系数也较好。CBA 图7试验用电缆屏

20、蔽接地不良的影响5、  铁芯接地不良的影响铁芯接地不良对绕组的频响曲线影响明显，图8是海盐变#1主变（SFSZ7-31500/110）铁芯接地良好与悬空状态下的二条频响曲线。中高频域影响较大，谐振点位置有所改变。因此在每次试验前应检查铁芯接地状态，避免由此带来的影响。 铁芯不接地铁芯接地 图8铁芯接地不良的影响6、  非被试线圈短路接地的影响通常变形试验是在非被试线圈开路下进行的，若将其一侧线圈短路接地，则变压器内部对地电容分布及大小都将改变。图9是在嘉兴变#2主变上，对一侧线圈开路与短路接地状态下测得的频响曲线，谐振点位置变化较大。对同一台变压器历次试验应保持线圈状态一致

21、。中压开路、低压短路接地中、低压线圈短路接地 （a） (b)图9 非被试线圈是否短路的影响7、  变压器内部线圈整体位移的影响袁花变#1主变（型式：SFSZ731500/110，接线：YN yn0 d11，生产厂：济南变压器厂）于1994年投运，分别在2001年8月、2003年6月和2004年3月对其进行变形试验，图10为三次测的A相绕组频响曲线，低频重合较好，中高频略有发散。在2004年3月大修发现，该变压器底座略有倾斜，在实际运行中的振动及在2003年发生一次低压侧短路等因素，导致变压器的线圈整体位移。图11不难看出，底座与线圈之间绝缘撑垫位移较大，使变压器内的对地电容量发生变化

22、，出现中高频发散这种情况的发生。2004年2003年2001年 图12整体位移频响曲线 图13 现场拍摄实况8、 其他因素的影响影响变压器频响法变形试验的其他因素还有：变压器频响试验仪的位置、频响试验引线的分布情况、试验线的接地点等影响因素，要求每次试验尽可能做到仪器位置、试验引线的分布情况一致，试验线的接地应接在变压器铁芯处，因为试验仪器及引线的位置与分布情况决定了每次的电感电容的分布不同，会造成试验频响曲线结果的差异。七、结论及注意事项变压器套管相连母线的对地杂散电容往往是不固定的，三相间也不可能完全平衡，为保证测试工作人员的人身安全和测试结果的重复性，便于进行相间测试结果的相互比较，测试应在变压器完全与电网隔离的状态下进行。变压器的出口引线对变压器绕组的频率响应特性影响很大，一般应在不带任何出线的情况下进行绕组变形测试。尽管频率相应分析法是一种高灵敏度的变压器绕组变形诊断方法，能够检测出较小的绕组变形现象，且基本不受外界杂散干扰信号的影响。但由于测试回路中任何电气参数的改变都会直接影响被测绕组