（高电压与绝缘技术专业论文）变压器绕组变形仿真与试验研究.pdf

中文摘要 变压器是电力系统中重要的电气设备，担负着变换电压、传递能量的重要任 务，其运行情况影响着电力系统的安全。绕组变形是变压器的常见故障，在众多 检测方法中，频率响应分析法是一种很有效的方法，已在各国得到推广和应用。 虽然频响法的应用已经相当普遍，但是至今仍没有统一的标准和固定的尺度。因 此，对频响法检测变压器绕组变形的深入研究是很必要的。 本文基于频响法，建立变压器绕组等效模型，进行仿真分析；并在实验室条 件下，对一台配电变压器进行实际试验，进而作深入的对比分析。 建立变压器绕组等效模型，进行仿真分析。模型中电阻性因素r 、黜和r g 的变化只改变频率响应特性的幅值，而不造成谐振频率的偏移。通过改变模型中 各级电感l 、对地电容c g 和串联电容c s 的仿真表明，它们对幅频响应幅值的影 响都随着频率的增加而增大；对幅频响应谐振频率的影响却各不相同：l 在低频 段作用较大，c s 在高频段作用较大，c g 在高频段和低频段的作用要比中频段明 显。在不同频段，变压器绕组可以用不同的简化模型来仿真。构建高压套管的“t ” 型等效电路，仿真结果表明套管的有无对f r a 结果有较明显的影响。在配电变压 器上的试验表明，频响法的可重复性和三相一致性良好，测量引线的长短对测试 结果有很大影响。 关键词：变压器绕组变形频率响应分析法等效模型 a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m o n eo ft h em o s th a c k n e y e df a u l t so nt r a n s f o r m e ri sw i n d i n gd e f o r m a t i o n f r e q u e n c y r e s p o n s ea n a l y s i s ( f r a ) i s 觚e f f e c t i v em e t h o df o rd i a g n o s i n gw i n d i n gd e f o r m a t i o n ， w h i c ha r ed i f f i c u l tt od e t e c tb yc o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n t s f r at e s ti san o n - d e s t r u c t i v em e t h o db a s e do nt h ef a c tt h a te v e r yt r a n s f o r m e r w i n d i n gh a sau n i q u ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ct h a t i ss e n s i t i v et oc h a n g e si nt h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ew i n d i n g i fw i n d i n gi sm e c h a n i c a l l yd a m a g e d ，t h e p h y s i c a lp o s i t i o n ，s e c t i o n so rs h a p eo ft h ew i n d i n gw i l lc h a n g e ，w h i c hi nt u ma l t e r s t h ee l e c t r i c p a r a m e t e r s o ft h e w i n d i n g a n dc h a n g e si t s f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c i nt h i st h e s i s ，as i m u l a t i o n - b a s e dm e t h o di sa d o p t e dt op r o d u c ef r ar e s u l t sa n d w i n d i n gd e f o r m a t i o ni sp r e s e n t e db yc h a n g i n ge l e c t r i cp a r a m e t e r so ft h em o d e l i n t h i sm o d e l ，c h a n g e so fp a r a m e t e r srr sa n dr gw i l lc a u s ec h a n g e so ft h ef r e q u e n c y r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sw i t h1 1 0r e s o n a n tf r e q u e n c ys h i f t t h es i m u l a t i o n ，i nw h i c ht h e v a l u e so fi n d u c t a n c el ，s e r i a lc a p a c i t a n c ec sa n dg r o u n dc a p a c i t a n c ec ga r ea l s o c h a n g e dt os i m u l a t et h er e a lw i n d i n gd e f o r m a t i o n ，i ts h o w st h a tt h ei n f l u e n c eo n m a g n i t u d eo fa m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s ei n c r e a s e sw i t ht h ef r e q u e n c yi n c r e a s e s ； w h e r e a st h ei n f l u e n c eo nr e s o n a n tf r e q u e n c yi sq u i t ed i f f e r e n t ：t h ei n d u c t a n c elh a s m o r es i g n i f i c a n te f f e c t si nl o w e rf r e q u e n c yb a n d ，t h es e r i a lc a p a c i t a n c ec sh a sm o r e s i g n i f i c a n te f f e c t si nh i g h e rf r e q u e n c yb a n da n dt h eg r o u n dc a p a c i t a n c ec gh a sm o r e s i g n i f i c a n ti m p a c t so nl o w e ra n dh i g h e rf r e q u e n c yb a n d st h a nm i d d l ef r e q u e n c yb a n d s i m p l i f i e ds i m u l a t i o nm o d e lc a l lb eu s e di nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d s t h eh v b u s h i n gm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eh v b u s h i n gh a s as i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ef r ar e s u l t s m e a n w h i l e ，ad i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ri su s e d t os t u d yt h ee f f e c to fw i n d i n gd e f o r m a t i o n i ti sf o u n dt h a tt h er e p e a t a b i l i t ya n d c o n s i s t e n c yo ft h r e ep h a s e sa r ee x c e l l e n ta n dt h ee f f e c to ft h et e s tl e a d sl e n g t ho l lt h e f r ar e s u l t si ss i g n i f i c a n t k e y w o r d s - t r a n s f o r m e r , w i n d i n gd e f o r m a t i o n ，f r a ，s i m u l a t i o nm o d e l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毛童专毛 签字日期：占年6 月口日 学位论文作者签名：朔专毛 签字日期：占年6月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 撇一躲蚕勇苏 签字日期：础年6月o 日 导师签名： 签字日期：mj 年石月oe t 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 变压器绕组变形的研究背景及意义 变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其安全运行对于保证电网安全意 义重大。如果一台大型电力变压器在系统运行时发生事故，则可能导致大面积停 电。变压器的检修期一般要达到半年以上，不但花费大，而且影响面广u j 。因此 有必要对变压器进行故障分析、增强故障检测手段、降低故障率，以保证电网的 安全运行。 近些年来，我国的电力事业发展很快。据最新资料统计，截至2 0 0 6 年底，全 国发电装机容量达至1 j 6 2 2 0 0 万千瓦，发电量达至u 2 8 3 4 4 亿千瓦，两项指标均居世界 第二位【2 1 。随着电网容量的不断增大，超高压与特高压电力系统的逐步建立，大 容量、大区域互联和西电东送等复杂系统的即将形成，对电力系统的安全运行和 供电可靠性都提出了更高的要求。特别是随着超高压输电系统全国联网、紧凑型 输电线路的建成、带有串补或静补的交流柔性超高压输电系统的采用，输电系统 的短路电流将达到较高水平。这就要求各变压器产品都能承受较高短路电流所产 生的较大电动力和机械力。 据有关变压器的各种统计资料表明，变压器绕组是发生故障的主要部位。变 压器绕组变形是指在电动力和机械力的作用下，绕组的尺寸或形状发生不可逆的 变化。它包括轴向和径向尺寸的变化、器身移位、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。 此外，绕组变形还有累积效应，也就是说已有绕组变形的变压器是一种事故隐患， 在运行时，若再次遇到较大的过电流作用，则可能导致变压器损坏等重大事故。 根据历年对变压器的事故统计分析可以看出，由于变压器结构设计、制造工 艺和材质方面的因素，造成变压器出现事故的比例很大，根据统计，大约占8 0 左右。除了变压器绕组本身结构的因素外，随着电网容量的日益增大，短路故障 造成的变压器损坏事故呈上升趋势。而因外部短路造成变压器绕组变形，又是变 压器运行过程中的常见故障，严重威胁着系统的安全运行。当变压器在运行中遭 受短路故障电流冲击时，绕组内将流过很大的短路电流，并与漏磁场互相作用产 生很大的电动力。这时绕组将承受巨大的、不均匀的径向电动力和轴向电动力。 另外，变压器在运输、安装等过程中也可能受到意外的碰撞冲击、颠簸和振动等。 在这些力( 电动力或机械力) 的作用下，绕组可能产生机械位移和变形，并可能引 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 发绝缘损伤、绕组短路和烧毁等严重的变压器事故p 】。 由以上分析可以看出，研究变压器绕组发生变形的原因、诊断方法和防治措 施，对减少变压器事故的发生具有重要意义。目前进行变压器绕组变形检测深受 国内外关注，已经成为变压器安全运行的重大研究课题。我国国家电力公司在国 电发 2 0 0 0 】1 5 8 9 号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中，明确把 绕组变形试验列入变压器出厂、交接和发生短路事故后的必试项目，有些国家( 如 意大利) 甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置【4 】。 1 2 变压器绕组变形的检测方法 变压器绕组变形后，通常会表现出各种异常现象，许多特征量如电气参数、 物理尺寸、几何形状以及温度等与正常状态相比有较大差异，以此为基础形成了 多种绕组变形检测方法。目前，各种绕组变形检测方法均没有通用的状态量对绕 组的状态进行描述和判断，也没有通用指标去量化绕组变形程度，都是依据自己 的测量理论基础，采用相应经验和判断标准而进行最后的绕组变形程度和变形位 置判断。 变压器承受短路冲击以后，运行单位一般都用常规电气试验项目和绝缘油分 析来检查变压器的绝缘状况。检查结果表明，有的变压器电气试验和绝缘油分析 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或绝缘 垫块严重松动，说明常规电气、油化试验项目不能有效地发现变压器绕组变形性 缺陷。而吊罩检查虽很直观，但需花费大量的人力、物力、财力，而且对判断内 侧绕组有无变形仍有困难。为了满足电力系统要求，弥补常规电气方法和吊罩检 查方法所存在的不足，国内外对变压器绕组变形的检测均进行了大量研究，现分 别对以下几种方法及新技术的研究进行简要的介绍。 1 2 1 低压脉冲法 低压脉冲法1 9 6 6 年由波兰的l e c h 和t y m m s k i 提出，现已被列入i e c 及许多 国家i e e e 电力变压器短路试验导则和测试标准中【5 j 。其原理如下：当频率超过 l k h z 时，变压器的铁芯基本上不起作用，绕组本身可视为一个由电阻、电感及电 容等分布参数构成的无源线性双端口网络，绕组发生变形后，必然会引起网络分 布参数的变化，从而使绕组对低压脉冲的响应发生变化。这样，就可以通过比较绕 组对低压脉冲的响应波形来判断绕组是否发生了变形。 传统的低压脉冲法采用模拟示波器记录绕组的低压脉冲响应，并从时域响应 波形的变化来判断变压器绕组有无变形。随着计算机技术及数字存储技术的发 天津大学硕士学何论文 第一章绪论 展，将时域信号以数字形式记录并传输给计算机做各种分析处理越来越显示出其 优越性。随着计算机技术的发展得以改进，时域响应信号以数字形式记录，并用 计算机进行各种分析处理。低压脉冲法的主要用途是确定变压器是否通过短路试 验，但在现场试验中，尚受测试过程中各种电磁干扰的影响，可重复性较差【6 1 ， 且对绕组首端位置的故障响应不灵敏，较难判断绕组变形位置【刀。 1 2 2 频率响应分析法 频响分析法是由加拿大的e p d i c k 和c c e r v e n 提出的，随后在世界各地得到 广泛的应用，被认为可以检测相当于短路阻抗变化0 2 的绕组变形或轴向尺寸变 化0 3 的绕组变形 6 10 0 。在频率高于l k h z 时，变压器绕组可以等效为一个无源、 线形、单端输入、单端输出的网络，其等效电路如图1 1 所。图中，l 为绕组每饼 的电感，k 为纵向电容，c 为对地电容。 z z 图1 1 变压器绕组等效电路 这种网络可以用频率特性来描述，而且一个网络对应着唯一的一条频响特 性曲线。当绕组发生变形时，网络参数如电感或电容发生变化，该网络的频响特 性曲线也随之变化。变压器绕组频响试验，实际上就是通过比较变压器事故前后 绕组频响特性曲线的变化来判断绕组是否存在变形。 频响分析法的实施过程为：将一正弦扫频信号输入被测变压器，记录输入端 和输出端的电压幅值和相位，通过处理得到被测绕组的频响特性曲线，再通过比 较当前曲线和历史曲线、不同相的曲线、同型号变压器曲线等，判断绕组是否存 在变形。实践证明，频响法能够为变压器绕组变形提供较准确的诊断依据。其测 量原理图如图1 ：- 2 所示。 频响分析法降低了电磁干扰的影响，具有测量灵敏度高、测试重复性较好、 仪器操作简单方便的优点。它可在变压器不放油、不吊罩的情况下确定变压器绕 组有无形变，指导变压器的抢修工作，缩短抢修时间。该方法已在国内外变压器 运行和生产部门得到推广应用，效果较好。但测试结果容易受到各种不确定性因 天津大学硕士学位论文第一章绪论 素的干扰，诊断结果具有某种不稳定性【1 l 】。 1 2 3 短路阻抗法 图l - 2 频响分析法原理接线图 阻抗法是通过测量工频电压下，变压器绕组的短路阻抗或漏抗来诊断绕组变 形的。短路阻抗是指负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗。漏抗是绕组和绕 组之间、绕组内部、绕组与油箱之间的漏磁通形成的感应磁势的反映【1 2 1 。短路阻 抗包括漏抗和绕组的电阻分量，对于1 l o k v 及以上的大型变压器，电阻分量在短 路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗主要是漏抗的数值，因此阻抗可以反映漏 抗的变化，并且测量阻抗比测量漏抗更容易实现。 变压器的漏抗值由绕组的几何尺寸决定，变压器绕组结构的改变必然会引 起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗的改变【1 3 】。因此可用短路阻抗 的变化来判断变压器绕组是否变形，只要将测得的短路阻抗与变压器正常时的测 量值( 如出厂数据) 相比即可。其原理接线如图1 - 3 所示【1 4 】。 工 频 交 流 电 源 高压侧低压侧 图1 3 短路阻抗法接线图 天津大学硕士学位论文第一章绪论 其中a 为电流表，v 为电压表，被测变压器高压侧接工频交流电源，低压侧短路。 利用测得的电压和电流值即可计算出绕组的短路阻抗值。 阻抗法的灵敏度较低，且需要动用很多的试验设备，试验时间较长，误诊率 较高，一般与其他方法配合使用。 1 2 4 在线监测漏抗法 上述前三种方法均需变压器退出运行即离线法，不能在线监测变压器绕组状 况以便及时发现故障【1 5 】。由于变压器短路阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相 对位置有关，因此可以通过在线检测变压器短路电抗的变化，分析绕组状况。理论 和实践都说明，在线测量短路电抗，不需要停运变压器就能随时监视绕组状况， 比离线方法更具时效性和经济性【1 6 】【1 7 1 。其原理接线如图1 4 所示【18 1 。 l 阜兰 如、，蘸 _ j p tl - 一p t 妙劬 i l ：!i 执，i l 1 2 iu 2 | ， r ， 带交流电压、电流输入插件的微机后备保护装置 图1 4 单相变压器绕组在线监测漏抗法的等效电路图 在线监测漏抗法无需额外施加激励，它既可研制独立的装置，也可作为微机 型变压器后备保护装置或在变电所综合自动化系统中实现，具有实时、不受干扰、 判据明确等特点，能够为绕组状况提供实时准确的指示，必要时使变压器退出运 行。该方法除了能够监测绕组变形外，也可以结合其他的一些检测方法作为判别 变压器内部故障的一种手段。 1 2 5 内窥镜法 内窥镜法称为视频窥视技术，它是将一个配有高强光源及高清晰数字摄像机 的探头深入变压器的绕组之间或绕组与铁芯之间进行实物拍照，对绕组情况可做 到一目了然，很直观的得出变压器绕组是否变形、内部是否有异物、放电点位置、 绕组排列是否整齐等【19 1 ，这是一个全新方法。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 利用此技术，只需现场吊罩，不需将变压器返厂拆铁扼、拔线圈检查绕组状 况，大大缩短变压器停电时间。但是该方法很难对变压器绕组进行全面检查，而 且探头及其配套光缆要进入变压器内部，易带入杂质，所以该方法在工程应用上 需进一步的研究。 1 2 6 振动法 振动法是通过贴在变压器器身上( 油箱) 的振动传感器，在线监测绕组及铁芯 的状况，良好状态变压器的振动特征向量( 包括绕组和铁芯振动信号的频谱、功 率谱、能量谱等) 作为指纹留用，一旦变压器绕组发生故障，当前振动特征向量 的变化就会快速地反映出来【2 0 】 2 h 。这种方法最早是在电抗器上使用，对于在电 力变压器上使用振动测试，加拿大、俄罗斯及美国等已进行了多方面的研究。 这种方法的优点是测试系统与整个电力系统没有电气连接，可安全、可靠地 实现在线监测的目的【2 。其缺点在于，电力变压器在运行过程中随时可能发生短 路故障，如果在突然短路的变压器内部绕组发生故障，将导致带电绕组与油箱接 触，油箱可能带有很高电压：另外，暂态感应也会在变压器器身上产生高电位， 对测试仪器和人身安全都有影响1 2 引。 综上所述，低压脉冲法在间隔较长时间时重复性差，且对变压器绕组的首端 故障不灵敏。频响分析法的测试重复性比较好，还可用于系统中运行变压器变形 的检测。超声波检测法受油温以及有油无油状态影响严重。内窥镜检测法在现场 有很大的局限性，而振动法对测试仪器以及人身安全都有影响。总之，频响分析 法与以上各种方法相比，具有试验设备简单轻巧，测试灵敏度高，实验图谱分析 直观，数据量值分析具有可比性等优越性。 1 3 国内外频晌法检测变压器绕组变形的研究现状与发展趋势 1 3 1 国内外频晌法的研究现状 作为一种有效的变压器绕组变形检测方法，频响分析法自提出以来，就得到 各国科技工作者的广泛关注和应用。但目前还处于经验积累阶段，相关的测量和 判断方法尚无标准可依1 2 。以往的研究通常是根据经验，或者在绕组上并联电容 等方法来模拟变形，缺乏一定的量化标准。 目前，频响法在欧洲各国和美国都得到了广泛的应用，成为检测变压器绕组 变形的主要技术1 2 2 。如荷兰的v a e s s e n 用数字化仪记录时域信号，提高了频响在 幅值和相位上的分辨率【2 3 】。澳大利亚的i s l a m 博士在大量试验的基础上总结了绕 天津大学硕士学位论文第一章绪论 组参数和绕组故障类型的对应关系，见表1 1t 矧。 表1 1 变压器绕组参数与故障类型的对应关系 名称电感对地电容纵向电容 线饼变形、局部线饼移位、机械扭曲、 故障类型绝缘老化 击穿、绕组短路受潮、夹件压力丧失 1 9 9 0 年以来国内一些高校、电科院也开展了f r a 法的应用研究工作，并取得 了一定的成效。电力系统单位和变压器制造部门也用频响分析法对变压器进行了 普测，积累了大量数据和经验，并及时检测出了绕组变形，避免了重大事故的发 生。据国内的统计数据，2 0 0 0 年以前全国已测量了 2 0 0 0 台次的变压器绕组频率 响应【2 5 1 。2 0 0 4 年江苏省用频率响应分析法检测新投运的2 2 0 k v 及以上电压等级的 变压器7 6 台陋j 。 就频响分析法所使用的测试设备而言，国外主要是网络分析仪和扫频响应分 析仪【27 1 。国内，武汉高压研究所、电力科学研究院和华北电科院都白行开发研制 了变压器绕组变形测试设备，并在电力系统得到了广泛应用。 在诊断技术方面，目前对频率响应的分析方法主要是基于幅频特性曲线的分 析，即是对绕组的幅频特性曲线进行纵、横向比较，通过观察曲线上的谐振频率 的偏移、消失或产生来判断绕组变形故障。纵向比较法是对同一台变压器、同一 绕组、同一分接开关位置在不同时期的幅频特性曲线进行比较，根据曲线的变化 判断变压器绕组是否变形。横向比较法是比较变压器同一电压等级的三相绕组幅 频特性曲线，或与同型号变压器的幅频特性曲线进行比较，判断变压器绕组是否 变形。这两种比较法用的是幅频特性曲线，而相频特性曲线几乎没有利用。 频响分析法是通过测量变压器绕组传递函数特性曲线( 频响特性曲线) 来对 变压器特性进行描述的，传递函数为 、 日= 2 0 1 0 9 婴_ l 刎 ( 1 1 ) 其中，巧( 忉为某一频率下输入电压的幅值，圪( 呐为同一频率下输出电压的幅值。 可以采用差值计算公式来描述频响曲线的变化。这种计算公式的优点是能够 反映变压器绕组的各种变形，既灵敏又全面，不会遗漏特殊变形类型。其计算公 式为： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 - 2 ) 式中，互，为两条频响曲线之间的差值，刀为采样总点数，k 。为第一条频响曲线 第刀点处的幅值，k 。为第二条频响曲线第力点的频响幅值【2 引。 频响分析法中，变压器绕组变形是通过两次测试的频响特性曲线的比较来判 断的。用相关系数描述两条曲线的相似程度，用均方差来描述它们的绝对差值 2 9 】， 并将二者作为描述两条频响曲线差异的特征值。设两次测量的数据序列分别为 r1 r1 【而_ ，t y , l 瑚打，其中为测量总点数，则相关系数、均方差分别为 n in n 如2 i = 1 乃i = 1 # 1 = 1 订y k = ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 西安交通大学的王钰博士等人提出：将测量频段分为高、中、低三段，将三 频段和全频域上幅频特性曲线的相关系数和均方差作为绕组变形判断基础，更能 详细地反映出绕组的变形情况。相关系数以，越接近于1 ，则两曲线的相似程度越 高；均方差e ，越小，说明两条曲线越接近。 电力科学研究院提出了归一相对系数的概念，定义两组测试数据各自的序列 方差【3 】为 = 专姜 五一专善薯 ，嘭= 专善 乃一专善乃 ( 1 5 ， 两组测量数据的协方差是 归一化结果为 = 专喜 五一专善誓 乃一专善奶 cl 一6 ， e - - 1 一南 ( 1 - 7 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 当 o 5 时，认为“特性不一致 ，绕组明显变形；当o 5 岛 1 o 时，认为“一致性较好”，绕组 正常。 1 3 2 频晌法的发展趋势 通过国内外高校、科研院所和电力部门的共同努力，频响分析法检测变压器 绕组变形呈现出以下发展趋势和特点。 1 、1 m h z 以上频段的应用 通常将扫描频率范围选为l k h z 1 m h z ，这是因为在此范围内，绕组的分布电容 和电感均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振点，能灵敏地反映出绕组分 布电感、电容的变化。大量的试验和现场测试结果表明，此范围内的频率响应能 有效地反映绕组变形。 加拿大的m w a n g 等人发现，在减小测量系统影响的条件下，1 m h z 以上频段的 测量结果更能反映绕组微小的变化【3 0 】。基于上述研究，m w a n g 等人于2 0 0 5 年提 出了h i f r a 法，将最高频率扩展到1 0 m h z ，提高了频率响应分析法的灵敏度，能 及时发现变压器绕组的变形【3 1 】。目前该法在实验室做到了1 0 m h z ，但在现场只 做到了3 m h z 。 2 、绕组变形的定位及变形类型的确定 在不同的频段，绕组等效模型中电感和电容所占的主导作用不同，所以绕组 的某些变形往往只涉及到频响特性曲线部分频段上的变化，这对于采用频响分析 法判断绕组变形的类型是有利的。可以通过分析幅频特性曲线上不同频段波峰波 谷的位移、谐振频率的产生或消失，来辨识绕组等效模型参数，从而诊断出绕组 的变形类型。 澳大利亚的i s l a m 博士在这方面做出了非常重要的贡献。上海交通大学的朱 明林博士把这一思路进一步发展，估计了绕组故障的大致部位。但是，对变压器 及其绕组建立等效模型是非常复杂的过程。由于在变压器中，变形轻微的绕组的 幅频特性曲线受相邻损坏严重的绕组影响而畸变【3 2 】，所以有一定的误差，绕组变 形的定位有待深入研究。 1 4 论文所做的主要工作 频率响应分析法以其测量灵敏度高、测试重复性较好、仪器操作简单方便等 优点得到了广泛的应用，并呈现出一些新的特点和发展趋势。本文所做的主要工 作如下： 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 l 、建立适于频响法仿真的变压器绕组等效模型。 2 、利用m u l t i s i m 软件对变压器绕组变形进行仿真，通过改变模型中电阻、 电感、电容等参数来模拟各种绕组变形，并通过m a t l a b 软件分析绕组模型中参数 的变化对f r a 结果的影响。分频段建立变压器绕组的简化等效模型。 3 、建立高压套管的等效模型，并通过仿真研究其对f r a 结果的影响。 4 、对一台配电变压器进行f r a 试验，得到高、低压侧绕组l k - 2 m h z 频段上 的幅频响应特性，并进行对比和分析。 1 5 本章小结 本章简要介绍本课题的背景、目的和意义。首先分析变压器绕组变形检测的 重要性，然后介绍国内外几种变压器绕组变形的检测方法，并指出它们的优点和 不足。介绍国内外本课题的研究现状，并总结其发展趋势。最后，总结本课题所 做的主要工作。 天津大学硕十学位论文第二章变压器绕组变形分析 2 1 变压器结构 第二章变压器绕组变形分析 变压器是利用电磁感应原理，以交变磁场为媒介，把线圈从电源吸收的某一 种电压的交流电能变成频率相同的另一种电压的交流电能，由另一线圈向负载提 供。除自耦变压器外，一般的变压器原、副绕组之间只有磁的耦合，而没有电路 上的直接联系。 根据铁心或绕组的结构，变压器可分为两种类型，壳式变压器和心式变压器； 按绕组数目来分类，有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压 器等；按相数来分类，有单相变压器和三相变压器。按冷却介质分类，有空气冷 却的干式变压器和用油冷却的油浸式变压器。 变压器最主要的两个部件是铁心和绕组，下面对其进行简要介绍。 2 1 1 铁心 变压器铁心的作用是为穿过一次和二次绕组的磁通提供低磁阻磁路，交变磁 通从铁心中经过形成闭合回路。由于在提供磁路的情况下，铁心磁滞现象和在内 部流动的涡流会引起铁心损耗，为了降低铁心损耗，铁心通常采用0 3 5 m m 厚且 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压制成。铁心又分为铁心柱和铁轭两部分。下面给出 几种典型的心式变压器铁心结构，如图2 1 ： 仅在中柱套绕组的单相铁心三相三柱铁心 三相五柱铁心两柱均套绕组的单相铁心 图2 1 单相和三相变压器典型铁心结构 天津大学硕士学位论文第二章变压器绕组变形分析 2 1 2 绕组 变压器每个绕组都为圆筒形，它与套装绕组的铁心柱同心。绕组由线圈组成， 是变压器的电路部分，一般用纸包的铜线或铝线绕成。对于同一台变压器，通常 低压绕组中有较少的匝数和较大的导线截面，而在高压绕组中则有较多的匝数和 较小的导线截面。绕组有多种绕线方式，如圆筒式、饼式、连续式、螺旋式等。 圆筒式绕组通常由一根或几根并在一起的绝缘导线沿铁心柱高度方向连续 绕制，一般用于1 0 6 3 0 k v a 的三相变压器。饼式绕组是由一根或几根并联的绝缘 扁线沿铁心柱的径向一匝接一匝的串联绕制而成，数匝组成一饼。连续式绕组是 由很多个线饼沿轴向串联绕成，一般用于6 3 0 k v a 及以上、电压等级为3 1 1 0 k v 的变压器。螺旋式绕组是由多根扁线沿径向并联排列，然后沿铁心柱轴向像螺纹 一样，一匝跟着一匝绕制而成，这种绕组一般用于三相容量为8 0 0 k v a 及以上、 电压等级为3 5 k v 及以下的大电流变压器。 2 2 造成变压器绕组变形的因素 造成变压器绕组变形的因素很多，归结起来可以分为以下几个主要原因【3 2 】： 1 、短路故障电流冲击 电力变压器在运行过程中，不可避免地要遭受各种短路故障电流的冲击，特 别是变压器出口或近距离短路故障，巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很 大的电动力( 是正常运行时的数十倍，甚至数百倍) ，并使绕组急剧发热。在较高 的温度下，导线的机械强度变小，电动力更容易使绕组破坏或变形。 2 、在运输或安装过程中受到碰撞 电力变压器在长途运输或安装过程中，可能会受到意外的碰撞、颠簸和振动 等，导致绕组发生变形。有的电力变压器投入时间不长就发生突发性事故，很可 能与上述情况有关。 3 、保护系统有死区，动作失灵 目前，电网的继电保护配置中，电力变压器的主保护有气体保护、差动保护， 它们都满足快速切除( 小于0 2 s ) 的要求。但是，由于变电所设备布置上的原因， 在变压器出口总断路器间隔的断路器与电流互感器之间发生的故障，是在变压器 差动保护区外，母线差动保护区内，在断路器的电源侧。当母线差动保护动作， 断路器跳闸后却不能切除故障，由变压器供给的短路电流依然存在。这个区域只 有两个电力设备( 断路器、电流互感器) 、数米导线和几只瓷瓶，往往以为故障概 率小而被忽视成为死区。但是，在这个区域内一旦发生事故，后果是相当严重的。 天津大学硕士学位论文 第二章变压器绕组变形分析 保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受短路电流作用的时间长，也是 造成绕组变形事故的原因之一。 2 3 变压器绕组变形的形式 变压器绕组所受的电动力分为辐向电动力和轴向电动力。绕组变形事故一般 都是辐向电动力和轴向电动力共同作用的结果。变压器绕组在过电流作用下受到 的电动力( 特别是在出口短路情况下) 如果超过其可以耐受的机械强度，将会发生 永久性变形，一般可能并不导致立即损坏。变压器遭受短路电流冲击的次数越多， 承受最大短路峰值电流的概率也就越高，越可能导致绕组变形。 变压器绕组变形的主要形式有以下几种，详见图2 3 所示【3 3 】。 台，口 1 ) 悔花状 幼局都鼓售 毋绕缎位擎 c ) 绕组中部撑开 磅轴向力孳l 起的绕组表久变形 图2 3 变压器绕组变形的主要形式 圆 曲线饼傅塌 1 、正常运行时电动力引起的损坏 正常运行时电动力虽小，若绕组制造过程中存在线段松动、导线不平或有毛 刺、换位的弯折处进入垫块、换位处绝缘破损或卡破、垫块不正等缺陷，电动力 引起的振动会使这些缺陷扩大，导线间或导线与垫块之问长期互相摩擦，最终导 致绝缘损坏而放电，这就出现正常运行中绕组突然损坏。 2 、横向电动力引起的永久弯曲变形与局部曲翘变形 对于外绕组，横向电动力使导线受拉应力。拉应力过大，导线被拉长，绕组 直径扩大，发生永久变形，导线间的匝绝缘也同时被拉长以至匝间绝缘破裂，形 辫b引k甘髓孝 玲 天津大学硕士学位论文第二章变压器绕组变形分析 成匝间短路，引起弧光将绕组烧毁。对于内绕组，横向电动力使导线受压应力。 内绕组内壁是由撑条支撑的，压应力过大，两撑条间导线作为受压力的梁因弯矩 过大而发生永久弯曲变形。这种损坏绕组在整个圆周上的永久变形是基本对称的 ( 图2 3 a ) ，整个绕组并未失去稳定性，这种损坏比较少见。内绕组由于压缩力而 损坏的常见一种形式，是结构失去稳定的局部曲翘变形( 图2 3 b ) ，这是由于内绕 组在压缩力的作用下，局部首先变形并扩大而形成的。 3 、突然短路时主要由纵向电动力引起的损坏 饼式绕组沿圆周由鸽尾垫块支撑，纵向电动力过大时，两垫块间导线因弯矩 过大而发生永久变形( 图2 3 e ) ，这种变形通常是圆周对称的。纵向电动力还可以 使绕组纵向发生位移，如一个绕组整个向上提升，或一个绕组中部某处撑开( 图 2 - 3 d ，e ) 。这种损坏，往往是绕组制造或装配不良、高低压绕组间原始状态有位 移，从而产生安匝不平衡所致。 4 、突然短路时由纵向及横向电动力同时作用引起的损坏 在绕组端部主要是由纵向漏磁的纵向和横向分量产生的横向和纵向电动力 综合作用所引起。在绕组中部主要是由纵向磁场的纵向分量所产生的横向电动力 和横向磁场所产生的纵向电动力所引起。主要损坏现象为绕组发生扭转，端部出 头沿圆周位移，绕组导线歪斜甚至倒塌( 图2 3 f ，蓟。 2 4 变压器绕组变形的危害 变压器绕组变形后，有时会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一 段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度和部件本身性能【3 2 】【3 4 1 。显然， 这种变压器是带“病 运行，具有故障隐患。 l 、绕组变形导致匝间绝缘破裂而引起匝间短路 在短路电动力作用下绕组变形导致匝绝缘破裂而引起匝间短路，从而产生更 为严重的短路事故，这是直径较小的小型配电变压器受辐向拉伸电动力作用的绕 组损坏的主要形式。在辐向电动力的作用下，如果绕组的最大相对变形( 包括由 于变形积累而产生的永久变形) 大于1 5 时，也即绕组直径的增大超过1 5 时， 匝间绝缘极易出现破裂而引起匝间短路。对于运行时间较长、绝缘老化较为严重 的变压器，即使较小的绕组变形也可能引起匝绝缘的破裂而导致匝间短路 3 5 】。 2 、绕组变形导致主绝缘强度降低而造成主绝缘击穿 绕组变形导致主绝缘强度降低，从而造成主绝缘的击穿事故，这是受辐向拉 伸短路力作用的中型以上电力变压器绕组的主要损坏模式【3 5 1 。在短路电动力的作 用下，当导线总的拉伸应力超过导体材料的名誉屈服极限oo 2 时，导线的永久变 天津大学硕士学位论文第二章变压器绕组变形分析 形将导致绕组的相间距离和绕组对油箱壁之间的绝缘距离减小，从而导致变压器 的主绝缘强度降低。在此情况下，当某种形式的过电压发生时，有可能引起变压 器绕组击穿。 3 、累积效应 运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性 循环。因此，对于绕组己有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着 会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或 过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以， 在所有的所谓“雷击或“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形故障因素。 2 5 本章小结 本章首先对变压器的结构和种类进行了简要的介绍，包括绕组和铁心所使用 的材料和包装工艺，以及每种铁心和绕组的使用场合。接着对变压器绕组的变形 原因、形式及其危害进行了分析。 天津大学硕士学位论文第二章变压器绕组等效模型 第三章变压器绕组等效模型 在构建变压器绕组模型时，变压器中有两个主要的部分要考虑：铁心和绕组。 铁心的作用包括磁化电感、由磁化电感产生的寄生电容和铁心损耗，在频率响应 中它的作用在低频较为明显；绕组的作用包括铜耗、漏电感和杂散损耗，随着频 率的升高，绕组的作用越来越明显。下面将对三种常见的模型进行比较分析。 3 1 经典模型 该模型将铁心和绕组的作用都表现出来，如图3 1 所示。在模型中，参数r n 、 l n 和c 1 代表了铁心的作用，而r 1 、r 2 、l 1 、l 2 和c 1 2 代表了绕组的作用。从工 程学的角度说这是一个很好的模型，因为它很好的体现了变压器中主要的电磁作 用，但是该模型可以应用的频带并不是很宽【3 6 】。 图3 一l 变压器绕组的经典模型 通过分析式( 3 。1 ) 、( 3 2 ) 这两个表达式，可以得到表3 1 的结论。 z l = j 0 2 l 乙= 壶 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 在低频情况下，l 1 、r l 、l 2 、i 匕相对于l m ( l m 为l n 和r n 并联) 来说相当 于短路，因此模型可以等效为l m 。当频率升高，c 1 必须要考虑进来，等效阻抗 变为一个电容。如果频率继续增加，通过式( 3 2 ) 可以看出，电容支路变为短 天津大学硕士学位论文第三章变压器绕组等效模型 表3 一l 高、低频率下的等效阻抗 低频率高频率 较大l 值 k l 一( 相当于开路) 较小l 值0 ( 相当于短路)k 2 较人c 值 k 3 0 ( 相当于短路) 较小c 值一( 相当于开路)k 路，因此只有代表绕组作用的r l 和l 1 出现在等效阻抗中。从上面可以看出， 低频时铁心起主要作用，频率较高时绕组起主要作用。 3 2 由经典模型改进的模型 由于经典模型适应的频带较窄，所以通过改进得到一种能够适应较宽频带的 单元式等效模型，它是由一系列的基本单元组成，其原理图如图3 2 所示【3 6 1 。 理 想 变 压 器 n l ：n 2 图3 - 2 改进模型示意图 每一个基本单元都是由三个元件组成： 元件r ：代表能量损失 元件l ：代表磁场能量的储存 元件c ：代表电场能量的储存 该模型的构建原理是：每一个基本单元都应在其相应的频段起作用，而在其 他频段不起作用。这就要求基本单元要有不同的形式，同时可以在不同频率起到 不同的作用。因此需要有三种形式的基本单元： 第一种：在低频段起主要作用 第二种：在中频段起主要作用 第三种：在高频段起主要作用 图3 3 列出的四种基本单元可以达到该模型的要求。 天津大学硕士学位论文 第三章变压器绕组等效模型 3 3r l c 电路模型 图3 3 基本单元拓扑结构 该模型是应用最广泛的一种，本文后面采用的仿真模型也将使用这种模型。 其基本原理如图1 2 ，它适合于各种频段的仿真研究。该模型的分析将在下章详 细介绍，这里主要介绍三种求取该模型分布参数的方法。 3 3 1 矩阵方程求取参数 对该模型应用基尔霍夫电流和基尔霍夫电压定律【3 7 】【3 8 1 ，取对地的节点电压 为变量，列写矩阵方程( 3 3 ) ： e + 兄】u = 3 ( 3 3 ) u 为节点电压向量；艺+ 乓为导纳矩阵；j 为节点恒流源向量。各个电感之间 存在互感，互感矩阵mn - - l 以按照式( 3 - 4 ) y u 写： 坞= 广+ j c o l j o ) m 耋7 i i 茹凳蓁豢黧量戮互感 4 ， ” i当，时，为第缎和第，级之间的互感 7 导线的电阻也包含在m 内。砭和m 之间的关系如式( 3 5 ) 所示： 艺= a m 一a r ( 3 5 ) 天津大学硕士学位论文 第三章变压器绕组等效模型 a 矩阵为关联矩阵，其元素组成如式( 3 6 ) ： f + 1 4 = 一1 【0 支路内节点f 正向关联 支路，与节点f 反向关联 支蹰与节点f 无关联 ( 3 6 ) 配包括网络中节点间的电容和电阻元素。r e 中元素的确定如式( 3 7 ) ： e ：j 岛一吗如果