（电力系统及其自动化专业论文）变压器运行状态下绕组变形检测的研究.pdf

西华大学硕士论文 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 西华大学硕士论文 d e t e c tt r a n s f o r m e r sw i n d i n gd e f o r m a t i o nw h e nt r a n s f o r m e r w o r k i n g e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t 、sa u t o m a t i o n m a s t e r ：f ud o n g - f e n gt u t o r ：d a iy u - s o n gz h u k a n g e l e c t r i c a lt r a n s f o r m e ri si m p o r t a n ta n dv a l u a b l ee l e c t r i ce q u i m e n ti ne l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m i tp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei n e l e c t r i c p o w e r 、sp r o d u c t i o n a n d t r a n s m i s s i o n i t 、ss a f e l yr u n n i n gr e l a t e dt oe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m 、ss t a b i l i z a t i o n t r a n s f o r m e rw i l lo c c u rk i n d so fa c c i d e n t sw h e ni to p e r a i n gi np o w e rl i n el o n g t i m e i fb r o k e nt h el o s si s v e r yh i g h i no r d e rt of i n dh i d d e n tr o u b l ea n da v o i d u n e x p e c t e da c c i d e n t s ，i m p r o v et h es a f e t yo ft r a n s f o r m e rr u n n i n g ，t h es t u d yo nt h e d e t e c t i o na n dd i a g n o s i so ft r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o ni so fp r a c t i c a la n d i m m i n e n ts i g n i f i c a n c e w i n d i n g sa r et h em o s tf a u ltc o m p o n e n t so ft r a n s f o r m e ra n di t sd a m a g er a t ei s a b o u t6 0 - 一7 0 o fa l lt h et r a n s f o r m e ra c c i d e n t s f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s m e t h o di sae f f e c t i v e n e s sw a y , i ti sw i d e - r a n g i n gu s e di nm a n yc o u n t r i e s ，b u ti ti s m a i n l yo f f - l i n em o n i t o r i n g a c c i d e l l tc a n 、tb ef u n di nt i m e t h ea r t i c l e 、sa i mi st os t u d yh o wt od e t e c t i n gt h et r a n s f o r m e r sw i n d i n g d e f o r m a t i o nw i t hf r e q u e n c y r e s p o n s ea n a l y s e s n a m e l yc u r r e n ts u p p l yi n s t e a do f v o l t a g es o u r c ea st h em o t i v a t i o n b e c a u s et h et r a n s t o r m e r 、sb u sb a ri sb i g ，s oi ti s s h o r to u ti nh i 曲f r e q u e n c y , n e a r l yn ov o l t a g e i ti sd i f f i c u l tt oe x t r a c tv o l t a g es i g n a l o nt h i sc o n d i t i o n ，b u tc o m p a r a t i v e l y , i ti se a s yt oe x t r a c tc u r r e n ts i g n a l ，s od om a n y w o r kf o rt h i si nt h ea r t i c l e t h ea r t i c l eh a v ef i v ec h a p t e r t h ef i r s tc h a p t e ri se x o r d i u m i tm a i n l ys h o wt h em e a n i n go ft h em o n i t o r i n g w i n d i n gd e f o r m a t i o n ，t h ea c t u a l i t ya n dt r e n do ff r e q u e n c yr e s p o n da n a l y s e s ，a n d i n t r o d u c em a n y m o n i t o r i n gw a y s t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c et h eb a s i ck n o w l e d g eo f w i n d i n g i tw i l lb e u s e da t n e x ts e v e r a lc h a p t e r s t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c et h ei n f l u e n c ef a c t o ra ts i t ea n df r e q u e n c ys p o t t h ef o r t hc h a p t e ri n t r o d u c et h ec h a n g ep r o c e s so ft r a n s f o r m e rw i n d i n gw i t h f r e q u e n c yr i s i n g a f t e r w a r d s ，a n a l y s e st h ef e a s i b i l i t yo fc u r r e n ts u p p l yi n s t e a do f i i i 西华大学硕士论文 v o l t a g es o u r c ea sa m o t i v a t i o n t h ef i f t hc h a p t e rp u tf o r w a r dt w ot e s tm o d e l ，a n di n t r o d u c es o m ep a r to ft h e m o d e l t h es i x t hc h a p t e rg e n e r a l i z e dt h ef u l lt e x t ，a n db r i n gf o r w a r de x p e c t a t i o n k e yw o r d ：t r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o n d e t e c t f r e q u e n c yr e s p o n s e i v 西华大学硕士论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，论文中不包含其他人已经发 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：彳寸鲫品年丁月们日 剧磁字缕扔二，量z j 西华大学硕士论文 1 绪论 1 1 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、 电能分配和转移的重要责任。其安全可靠运行对于保障电力系统的可靠运行有 着重大意义。但是，变压器在长期运行中不可避免的要发生故障和事故，若发 生故障而导致停电可能会带来巨大的经济损失，并且电力变压器的检修周期比 较长，一般要长达几个月以上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之一。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0 3 5 ，2 0 0 4 年1 1 0 k v 及以上变压器突发性损坏事故2 0 起，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 k v 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 4 9 ，3 3 0 k 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 。 1 2 变压器绕组变形的检测方法 目前，国内外检测变压器绕组变形的方法主要有低压脉冲分析法( l v i ) ，短 路阻抗分析法( s c r ) 和频率响应分析法( f r a ) 。还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，所以只介绍前面几个常 用方法。 1 2 1 低压脉冲法( l o wv o l t a g ei m p u l s e 简称l v i 法) 嘲6 m 1 根据电工理论，一个无源、线性、单端输入、单端输出网络特性，可以用 传递函数日( ，仞) 或单位冲激响应j i l ( f ) 来描述。当频率超过l k h z 时，变压器的 西华大学硕士论文 铁心基本上不起作用，可以认为变压器是一个由线性电阻、电感、电容组成的 无源线性双端口网络。由于绕组的电阻非常小，可以忽略绕组的电阻，则绕组 的等值电路可用图1 1 表示。 工oa工工。厶工工oa工 f i g 1 - l t h e e q u i v a l e n tg r a p ho fw i n d i n g 图卜l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，a x 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 、c 0 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之改变。在被试变压器的一端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t y m i n s l 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l v i 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中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 ) = v 。( t ) v 。( t ) 样 v ； k )v 。k ) f f 丁处理|i f f t 处理 v ，蠢) h ( n ) = v 。( n ) ，v 。( n ) v 。：n ) 1 2 2 阻抗法( s h o r t c i r c u i tr e a c t a n c e 简称s c r 法) 旧儿9 】【l 们 短路电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。 由变压器的理论分析可知，变压器绕组的漏电抗由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，几何尺寸和相对 位置发生变化时，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 果变化较大，则可认为绕组有显著变形。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，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。 f i 9 1 3 t h ep r i n c i p l eg r a p ho f s c r 3 西华大学硕士论文 图1 3 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 ( gb l0 94 5 或i e c 7 6 5 ) 中。多年来，意大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( f r e q u e n c y r e s p o n s e a n a l y s i sm e t h o d 简称f r a 法) n 1 】【1 2 儿埘 频率响应分析法最早是由加拿大的e p d i c k 和c c e r v e n 提出并应用的。 其工作原理为，在频率较高的情况下( 大于l k h z ) ，变压器绕组可以等值为一 个由电容、电感等分布参数所组成的两端口网络( 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f r a 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1 m h z 的正弦波信 号，便于用数字处理技术消除干扰信号的影响，具有较强的抗干扰能力，可以 保证测量结果的重复性。变压器结构一定时，变压器绕组的分布参数和频响曲 线也就随之确定，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 ( 聍) ，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) ： 日( 聆) = 2 0 1 9 ( v o ( 以) k ( 玎) ) 电力变压器绕组的传递函数日( j a o 主要取决于其内部电感、电容等分布参 数，大量试验研究结果表明，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( 1 k h z - l o o k h z ) 的谐振峰发生明显变化时，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，如果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( 5 0 k h z 一6 0 0 k h z ) 的谐振峰发生明显变化时，通常 预示着绕组发生扭曲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，故而根据其各 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 有较大变化，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( 大于5 0 0 k h 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，绕组的感抗增大，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，基本以电容的影响为 主。由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回路对地杂散电容的影响，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 一7 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绕组变形的研究现状 1 3 1 研究现状 目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 年才有研究院所、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，积累了大量数 据和经验，并及时检测出绕组变形故障，避免了重大事故的发生。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t d 2 0 0 2 变压器绕组变形测试仪，用此仪器做 了几台变压器的频响曲线，图1 - 4 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大，是两台运行正常的变压器。 5 西华大学硕士论文 f i 9 1 4 t h ef r t u e n c yr e s p o n s ec u r v oo f t r a n s f o r m o 图1 - 4变压器频率响应曲线图 f i g 1 5 t h e f r e l u e n e yr e s p o n s ec u r v eo ff a u l tt r a n s f o r m 9 1 图卜5 故障变压器频率响应曲线图 从频响曲线图( 图1 - 5 ) 中可以看出，三相间的曲线拟合性非常差，并且 测量的相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， 经过吊罩检查确实如此t d 2 0 0 2 型变压器绕组变形测试系统除采用高性能的进 口硬件电路来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畸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 和输出信号圪，并以7 形来表征绕组的频响特性， 彻底消除由于扫描电压信号幅度不稳定性造成的测量误差。 ( 3 ) 采用f f t 等数字滤波技术对测量信号k 和输出信号圪进行预处理，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 )采用先进的曲线拟合处理技术，能够对测得的频响特性曲线进行高精度 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，并且实现了相同扫频范围、不同扫描频点数目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 值大小直观地进行判断。 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 ) ，k - - - 0 、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。 皿= 专篓j v - i x c 七，一专篓x c 后， 2皿2 丙篇ix ( 七) 一专荟x ( 后i b = 专l 篓i v - l y c 动一专篓y c 动 2 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， y c 后，一毒i 篓y c 后， l r 黟2 c 9 d x d y 1 f1 一地 如1 o 或o 6 r u t 0 6 或 0 6 ；严重变形如 0 6 ，其中如 为低频段的相关系数，r 砸为中频段的相关系数，r 胛为高频段的相关系数。 在诊断技术方面，频响分析法一直都是建立在比较频域幅度的基础之上， 即同一台变压器的目前记录和历史记录的幅频比较、相同型号的变压器与同厂 同期生产的变压器之间幅频的比较、同一台变压器不同相之间的频响比较。如 果绕组的频率响应不同，就可初步断定绕组发生了变形故障。 1 3 2 绕组测试的接线方式 为便于对测试数据进行横向或纵向的相关性比较，正确诊断出被测变压器 绕组变形的变形情况，通常应按照下图所示的方法选定输入端和测量端，否则 不利于对测试结果进行标准化管理。多次测量时要选用相同的接线方式。 o 端输入a 端测量 。端输入b 端测量 。端输入c 端测量i | | | | 蓁妻；囊剿耋；囊蓁奎i | | | | | 裂萋 f i 9 1 4 t h ec o n n e c t i o nw a y s 图1 - 4 接线方式图 输 输 输 1 3 3 测试实例 对由特种变压器厂同一批生产即将在某变电站投入使用的1 # 和2 # 两台 s f p i o 一1 6 0 0 0 0 2 2 0 w 3 型变压器高压侧绕组进行了测试。接线方式是o a 、o b 、o c ， 扫频范围是1 k h z - l m h z ，扫频点为1 0 0 0 个。测试工具是t d 2 0 0 2 变压器绕组变 形测试仪。 表1 - 11 # 变压器高压绕组相关系数分析结果 c h a r tl l a n a l y s i sr e s u l to f1 撑t r a n s f o r m e rw i n d i n gh i g hv o l t a g er e l a t e dc o e f f i c i e n t s 低频段中频段高频段 相关系数 r l f ( 卜l o o k h z )r m f ( 10 0 6 0 0 k h z )r h f ( 6 0 0 - 10 0 0 k h z ) r 2 11 8 1 l3 0 1 72 3 7 5 r 3 1 2 1 6 32 5 0 72 1 2 9 r 3 21 8 5 2 2 6 6 01 6 9 3 8 ，了iii_1 。tilt量量量测测浏 7。j 一哺一蛹一师 ，nt灸 西华大学硕士论文 表1 - 22 # 变压器高压绕组相关系数分析结果 c h a r t1 - 2 a n a l y s i sr e s u l to f 2 # w a n s f o r m e rw i n d i n gh i 曲v o l t a g er e l a t e dc o e f f i c i e n t s 低频段中频段高频段 相关系数 r l f ( 卜l o o k l - l z )r m f ( 10 0 - 6 0 0 k h z )r h f ( 6 0 0 - 10 0 0 k h z ) r 2 1 1 8 1 12 8 0 80 8 1 6 r 3 12 5 112 7 4 10 8 5 5 r 3 22 1 0 82 6 5 53 0 7 2 从两台变压器的分析结果上看，两台变压器高压绕组的相关系数合乎要求， 是合格的变压器。从频谱图上看，两台变压器的频率响应曲线的一致性较好。 由于同型号变压器线圈的绕制和引线的布置等均相同，其各相线圈的两端口参 数是相同的，测试数据具有可比性。而且生产日期越接近的变压器，其频率响 应曲线的一致性越好。 1 4 本课题做的主要工作及创新点 变压器绕组的变形检测是一个比较复杂的过程，本文在对目前使用比较广 泛的频率响应法做了大量研究的前提下，提出了用电流源激励代替目前普遍使 用的电压源激励，从而达到实现用频率响应法在变压器运行时检测变压器绕组 的目的。主要的研究工作如下： ( 1 ) 对目前电力变压器绕组变形现象做了大量的调查和分析，收集了丰富的变压 器绕组频响曲线及数据。根据电力变压器的结构，对变压器绕组变形的原因进 行了比较深入的研究，指出变压器绕组变形是非常常见的故障现象。 ( 2 ) 做了大量的电流源代替电压源的可行性分析工作，建立了一个比较简单的电 路，推导出电压源和电流源两种情况下各自的表达公式，看形式上是否可行； 又建立了一个变压器绕组的物理仿真模型，来验证它的可行性。 ( 3 ) 利用m a t l a b 软件建立了变压器绕组的模型，首先绘制出它的原始频响曲 线，然后改变不同位置的参数，寻找他们的规律，来分析电感和电容的位置和 大小对频响曲线的影响。然后再对变压器绕组物理模型进行仿真，首先建立它 的原始频响曲线，然后通过在绕组的不同位置改变电感和电容的大小来模拟变 压器绕组的变形，再绘制变形后的频响曲线，比较变形前和变形后的频响曲线， 9 西华大学硕士论文 与用软件仿真加以对比，寻找规律。 ( 4 ) 提出两个变压器绕组检测的方案，并且对方案的部分做了说明，第一个方案 中包括我们用过的t d 2 0 0 2 变压器绕组变形测试仪，以及电压变电流的转换电 路、电压变电流的转换电路、滤波电路。第二个方案主要是由滤波电路、数据 采集电路组成。 该课题的创新在于：运用电流源激励代替电压源激励，实现在变压器运行状态 时对绕组进行检测的任务。 目前，国内外在运用频响法检测电力变压器变形方面，所用的扫频电源都 是电压源，并且都是在停运状态下进行的，这对于要及时检测处在运行状态的 变压器绕组是否变形是不利的，并且会造成一定的经济损失。因此运用频率响 应法在线检测变压器绕组变形已成为一种趋势。由于检测变压器绕组时，变压 器处在运行状态，变压器绕组的出线端是与高压母线相连的，又由于频响法的 电源扫频范围是1 k h z 一1 m h z ，把绕组联接母线看成一个大电容，在这样较高 的频率范围下，母线对高频相当于短路，这样在绕组一端加高频电压源激励时， 在绕组的另一端无法提取到相对应的高频响应电压信号，无法绘制频响曲线。 因此，用高频电流源代替高频电压源作为激励是本课题的最大创新，可以使变 压器在不停运的状态下检测变压器绕组发生变形情况。 1 5 本章小结 本章首先介绍了开展本课题的背景、目的和意义。分析了变压器绕组事故 现状，由此得出变压器绕组变形检测的必要性和紧迫性。然后对目前国内外所 使用的几种变压器绕组变形检测方法进行了介绍，并就这些检测方法的优缺点 进行了说明，最后重点介绍了频响分析法。本章结尾处，对本课题所做的主要 工作和创新点进行了概括。 1 0 西华大学硕士论文 2 变压器绕组的基本知识 变压器绕组变形是指在机械力或电动力的作用下，绕组的尺寸或形状发生 了不可逆转的变化，如轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组扭曲、鼓包、 匝间短路等。变压器在遭受短路电流冲击或在运输过程中遭受冲撞时，均有可 能发生绕组变形现象，它将直接影响变压器的安全运行n 引。造成变压器绕组变 形的主要原因有：( 1 ) 变压器在运输和安装过程中发生的意外碰撞；( 2 ) 变压 器绕组承受不住其运行中遭受的各种短路故障的冲击，尤其是变压器出口或近 距离短路故障引起的巨大冲击；( 3 ) 保护系统存在死区或动作失灵导致变压器 绕组承受短路电流的时间过长。 西华大学硕士论文 当变压器受到机械力或者电动力的冲击后。绕组是否发生变形以及变形程 度如何，主要受以下两个因素的影响：( 1 ) 变压器绕组承受冲击力的能力，这主 要取决于绕组的材料、结构、制造工艺和应力均匀性等。( 2 ) 绕组所受冲击力的 特性，即冲击力的大小、作用时间、作用频率以及作用方式和范围。 2 1 变压器绕组绕制形式【1 4 1 1 耶6 1 2 1 1 层式绕组： 包括单层圆筒式，双层及多层圆筒式，两段圆筒式，分段圆筒式，铝箔圆 筒式，宝塔圆筒绕组。其特点绕组绕制简单，工艺性好，但端部稳定性差。 ( 1 ) 单层圆筒式由于单层圆筒式绕组机械稳定性较差，所以很少采用。近年 来有载调压变压器产量增多，有载调压变压器的绕组并联根数多、匝数少，所 以常采用这种填充系数高的单层圆筒式，可减少有载调压变压器的重量和成本。 ( 2 ) 双层及多层圆筒式双层及多层圆筒式绕组结构简单，生产效率高常用于 中小型油浸式变压器。 ( 3 ) 两段圆筒式主要用于6 0 k v 级，容量一般为2 0 0 0 k v h 及以下的两段圆筒式 绕组。 ( 4 ) 分段圆筒式常用于试验变压器的高压绕组和电压互感器等高小容量产 品。 ( 5 ) 铝箔圆筒式与多层圆筒式相近，但每层为1 匝，层间绝缘就是匝间绝缘。 这种绕组的空间利用率好，生产效率高，可用于中小型变压器和干式变压器。 ( 6 ) 宝塔式筒式这种绕组主要用于高电压变压器和高电压工频试验变压器。 1 2 1，r，-乞，rr，p卜cl=-，r，p_-t_1，l，-，-= _j=r，pp卜卜卜，= _ ，、，-卜-l= 啵隧一 l 够电m目日目园一点姐 缘绝 西华大学硕士论文 f i g2 1 t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 - 1 单层圆筒式绕组 f i g2 3t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 - 3 宝塔式绕组 f i g 2 2t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 2 两段圆筒式 f i g2 4t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 4 连续式及半连续式 纸 2 1 2 饼式绕组 其特点为沿轴向高度绕组由一个个的水平与垂直油道的线饼组成。饼式绕 组是目前大中型变压器中应用最广的绕组形式。它包括了连续式、螺旋式、纠 结式、内屏蔽式等 ( 1 ) 连续式绕组的纵向电容较小，雷电冲击电压的电压起始分布不均匀，耐受 雷电冲击电压的绝缘强度较低，适用于电压1 1 0 k v 及以下，容量6 3 0k v a 及以 上的高压绕组。 ( 2 ) 螺旋式绕组用于低电压、大电流变压器低压绕组上，虽然其本质上是多根 导线并绕的单层圆筒式绕组，但由于匝间有辐向油道形成的线饼，所以属于饼 式绕组。 ( 3 ) 纠结式绕组的绕制方法与连续式相同，但电气上的单根导线必须用双数根 导线并绕。在线饼之间的联线处采用特殊的纠结换位方法，使得线饼内任何相 邻线匝之间的电压等于一个线饼的电压，由此来提高线饼的纵向电容，从而改 善绕组内雷电冲击电压的起始分布。这一特点能满足绕组具有较高绝缘强度的 要求。适用于容量6 3 0 0k v a 及以上、电压1 1 0k v 及以上的高压绕组。 ( 4 ) 内屏蔽式绕组又称电容耦合式绕组，适用于大容量变压器因绕组采用的换 位导线或组合导线而无法绕制成纠结式绕组时采用。这种绕组能增大线饼纵向 电容的原理基本上同纠结式绕组。在线饼中的屏蔽线匝只起电容耦合作用而没 西华大学硕士论文 有工作电流通过。适用于电压1 1 0k v 及以上的大容量变压器的高压绕组。 2 1 3 交错式绕组 其特点是高压绕组与低压绕组沿轴向相互交错排列而成，交错排列组合可 以是一组也可以是多组。交错式绕组能够减小漏磁，因而可以减小电磁力和附 加损耗。这种绕组主要适用于壳式变压器。 f i g2 5 t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 5 单饼连续式绕组 2 2 绕组受力分析【1 7 1 1 8 】 f i g2 6 t r a n s f o r m e rw i n d i n g 图2 石各种内屏蔽式绕组 2 2 1 机械冲击力 变压器在运输、安装、维修等过程中，不可避免的会遭受到外部偶然的机 械冲击力作用。例如变压器在运输过程中，由于变压器与运输卡车做同向的运 动，当加速或减速运动时，由于惯性作用，处于内部的绕组位将继续保持原来 的状态，此时外壳和绕组发生了相对运动，这将成为绕组变形的起因。视变压 器绕组与外壳连接状态的不同，绕组就将产生不同类型的变形或位移，如果其 机械强度不足以承受如此强大的冲击时，绕组将会产生各种类型的变形和位移 等故障。 2 2 2 电动力分析 变压器绕组载流以后，在它们所在空间及其所包络的空间介质中建立漏磁 场( 图2 - 7 ) ，包括轴向和辐向的，处于这个磁场的绕组电流和漏磁场相互作用， 会受到力的作用，这个力就叫电动力。电动力在变压器绕组材料中产生机械应 1 4 西华大学硕士论文 力，并部分地传到变压器其他元件上。绕组的短路应力和温升均与短路电流的 平方成正比引，在额定电流作用下，电动力不大，但短路时，电动力将会突然 增大，电动力为正常运行时的数十至数百倍。虽然短路时间很短，但强大的冲 击电流将使变压器绕组承受巨大而不均匀的电动力，尤其在变压器出口及附近 处短路时，巨大的短路电流和较小的短路阻抗使电动力更大，这种强大的电动 力将引发绕组产生各种类型的变形，这是变压器绕组变形的主要原因，严重时可 以导致变压器烧毁。漏磁场的轴向分量使绕组产生辐向电动力，漏磁场的辐向 分量使绕组产生轴向电动力。由于两个绕向相同的绕组电流方向相反，因此在 轴向漏磁场使内绕组受到向内的压缩力，使外绕组受到向外的拉伸力，即绕组 受到的辐向力试图使绕组间主绝缘距离拉大。在绕组端部，漏磁场发生畸变， 辐向漏磁场分量增大，辐向漏磁场使内外绕组均受到轴向压缩力。内外绕组在 上下对称结构及安匝平衡时，绕组上半部和下半部轴向力平衡。 图2 - 7 漏磁场分布 f i 9 2 8s t r e s so fa m p e r et u r n w h e nb a l a n c e 图2 - 8 安匝平衡时受力情况 除绕组端部因漏磁场畸变产生辐向漏磁场分量外，两个绕组高度不同或沿 轴向高度安匝分布不平衡，也会产生辐向漏磁分量。这些辐向分量的漏磁场与 绕组中的电流相互作用，均使绕组产生轴向力。 图2 - 9 和图2 1 0 为高、低压绕组高度不同和高压绕组具有具有分接区时 的受力情况。当高、低压绕组高度不同时，高度较高的绕组受到的轴向力有使 绕组高度增加的趋势，高度较低的绕组所受轴向力试图使其高度减小，即轴向力 1 5 西华大学硕士论文 试图使两绕组高度差距拉大，具有分接区的高压绕组受到的轴向力试图使分接 区扩大，而低压绕组受到轴向压缩力。 f i 9 2 9t w ow i n d i n g sh e i g h td i f f e r e n t 图2 - 9 两个绕组高度不同 2 3 短路过渡过程1 8 】 f i 9 2 1 0h i g hv o l t a g ew i n d i n gh a v e t a p p i n g 图2 1 0 高压绕组具有分接区 变压器发生短路时，绕组中的短路电流将达到其额定电流的几十倍甚至几百 倍。变压器突发短路的简化等效电路可由图2 - 1 1 表示 岛 乞 f i 9 2 1 1 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h et r a n s f o r m e rw h e ns h o r to u t 图2 1 l 变压器短路简化等效电路 图中 。为一次侧电压，i 为短路电流，心、厶分别为表示短路等值电阻和 1 6 誓爷 西华大学硕士论文 电感。二次侧短路时，一次侧电压为电阻岛和电感厶的压降之和。即 “。= u l m s 眦硝+ ) = 厶罢+ 玛f 其中 u i m - - - - 一次侧电压峰值 一突发短路时电源电压的初相角 方程( 2 - 1 ) 的通解为 i ：i + i ” 求解方程( 2 1 ) 得 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) z = 牛c 一m c 一产 协3 ， 其中乙短路阻抗，乙：币孑了丽； 伤短路阻抗相位角仍= 们辔等 浩等咖( 斛训 f ”= 一孕s i n ( 一纺) 芦 z d 。v “。 i 为周期短路电流，其大小决定于变压器和系统的短路阻抗。 f “为非周期 短路电流，其大小除与变压器和系统的短路阻抗有关外，还与短路瞬间一次电 压的相位角有关。 f 为稳态分量，呈正弦规律变化。f “为自由分量，随时间很快衰减趋近于 零，最终电路达到稳定状态，短路电流f 衰减至周期短路电流f 。 由于心 叱，所以纺= 詈， 则式( 2 3 ) 可写为 1 7 西华大学硕士论文 ，= 牛舭t c o s c 叫 浯4 ， 由式( 2 4 ) 可知，短路电流f 达到最大的情况为：= 0 ， 电压过零时 发生突然短路。此时，短路电流的稳态分量i 和自由分量i ”均达到最大值但 方向相反。经过半个周期，即甜= 7 时短路电流f 达到最大值乙 t1k 一 = 挚 枷一c o s 万) = 压矗( 2 - 5 ) - d 式中，一周期短路电流有效值 k 一短路电流最大值与周期短路电流幅值之比。 由式( 2 5 ) 得 迦 k = l + e 幻缈 k 与衰减系数等有关。 2 4 变压器绕组分布参数计算9 1 1 2 0 变压器的绕组分析是以网络计算为基础的，本节讨论如何按照变压器的实 际结构来计算等值网络的电感和电容参数。 2 4 1 电感计算 因为在频率较高时，铁芯的影响可以忽略不计，此时绕组可以看成是空心 绕组。而绕组电阻只参与了频率响应的衰减过程，并不影响曲线的零极点分布， 故不予考虑。其电感的计算可以根据空心绕组的电感公式进行计算，即为 三= k o 产d x l 0 6 ( 日) ( 2 6 ) w 绕组匝数； d 绕组平均直径； 1 8 西华大学硕士论文 k 电感系数，k = f ( b ，d ) ，且与b ，1 成反比； 卜一绕组的高度； b 一绕组的厚度。本章的公式各元素的单位皆为标准单位。 变压器绕组中，在径向，有绕组与铁芯之间的电容，绕组与绕组之间的电 容，绕组与油箱之间的电容；在轴向，有线匝之间的匝间电容，线饼之间的饼 间电容。计算径向电容，应用同轴圆柱电容公式；计算轴向电容，应用平板电 容公式。绕组对铁芯和对油箱的电容又称为绕组的对地电容。 2 4 2 纵向电容( 轴向电容) 的计算 变压器绕组的纵向电容是指线匝之间的匝间电容和线饼之间的饼间电容， 它们都是分布参数。匝问电容和饼间电容的计算公式都是按能量相等原理推导 出来的。纵向电容有匝间电容和饼间电容两种，分别用c 和c ，表示。由平板 电容计算公式得 c ，= f _ , o e p , r 趋d h ：8 8 5 e 棚h ：1 0 2 ( p f ) (2-7x) 【，= 一= 一 l i -n | 1jizj 。 q p n p q ：8 8 5 e d z z d b 1 0 2 ( p f ) ( 2 8 ) 。 式中：e o 为空气的介电常数； p 、g ，为匝绝缘的介电常数和两边厚度5 岛、嘞为饼间绝缘的介电常数和绝缘厚度； h 一为导线的净金属高度； d 一绕组平均直径； b 一绕组的厚度。 由于绝缘的相对介电常数主要是取决于绝缘材料本身，因此绕组变形前后 均可认为绝缘的相对介电常数不变，即为特定的常数。从式( 2 - 7 ) ，( 2 - 8 ) 看出， 当d 或b 增大，口。或锄减小时，即绕组的平均直径或厚度增大、匝间或饼间距 离减小，绕组的纵向电容将增大。 2 4 3 径向电容的计算 对地电容指绕组对铁芯的电容和绕组对油箱的电容。绕组对铁芯的几何电 1 9 西华大学硕士论文 容巳：可按同轴圆柱电容公式计算，即 c