（电气工程专业论文）电力变压器绕组变形测试分析判断及仿真技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 电力变压器绕组变形测试分析判断及仿真技术研究 摘要：近区短路是电力变压器主要故障原因，为及时发现近区短路后变压器绕组 的变形情况，常用的检查方法是吊罩检查，受变压器结构的影响，此方法不能发 现内线圈的变形情况。本文分析了短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应分析法对 变压器绕组变形测试的有效性，认为短路试验法能较好地再现评估结果，判断简 单，但对于微弱变形不敏感，只能对绕组整体影响较大的变形有较好的效果；l v i 法灵敏度高，但是在现场使用时，抗干扰能力差，对绕组变形状况的分析仍然需 要丰富的经验才能得出比较正确的结论；f r a 法抗干扰能力强，频域内极点分段 技术的应用，寻找到了分段后的频谱相关系数和均方根距离等新的频域特征量。 本文分析了f r a 法和短路阻抗法测试结果的因素，以最大程度的保持测试结果的 可重复性。应用p s p i c e 软件，计算机仿真分析变压器不同部位的变形情况与频 响曲线的关系，仿真结果表明：电感参数的变化对低频曲线影响比较大：纵向电 容参数增大后，其频响曲线的谐振频率发生变化，纵向电容参数的变化对高频处 的频响曲线影响较大，对低频处影响相对较小，纵向电容参数的变化对频响曲线 的影响具有对称性，即首端纵向电容变化与末端纵向电容变化对频响曲线的影响 是一致的；对地电容增大前后谐振频率未发生明显改变，但在非谐振频率处的频 响幅值发生了改变。本文给出了变压器短路电流计算方法和变压器机械失稳能力 校核方法。在综合考虑以短路电流的大小、变压器本身抗短路能力和几种变形试 验方法相互验证的基础上，提出综合判断的方法。 关键词：变压器绕组变形仿真频率响应短路阻抗 浙江大学硕士学位论文 a n a l y s i so f t h ed e f o r m a t i o nd e t e c t i n gt e s to fp o w e rt r a n s f o r m e r w i n d i n ga n d i t ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t ：t h ef a i l u r eo ft r a n s f o r m e ri so f t e nc a u s e db yn e a r - b ys h o r tp a s s t of u n do u t t h ed e f o r m a t i o ni nt h ew i n d i n ga f t e r n e a r - b ys h o r tp a s s ，f a l lc o v e rc h e c k i n gi s f r e q u e n t l ya p p l i e d b u td u et ot h ei n f l u e n c eo ft h et r a n s f o r m e rs t r u c t u r e ，t h i sm e t h o d c a nn o tf i n do u tt h ed e f o r m a t i o no ft h ei n n e rc o i l i nt h i sp a p e r , f i r s t l ys h o r tc i r c u i t i m p e d a n c em e t h o d ( s c o ，l o wv o l t a g ei m p u l s em e t h o d ( l v i ) a n df r e q u e n c y r e s p o n s ea n a l y s i sm e t h o d ( f r a ) a r ec o m p a r e df o rt h ev a l i d i t yi nd e f o r m a t i o n d e t e c t i n gt e s tf o rt r a n s f o r m e rw i n d i n g s c ii se a s i e ra n db e t t e rt or e p r e s e n tt h et e s t r e s u l t b u ti ti sn o ts e n s i t i v et os m a l ld e f o r m m i o n l v ii sv e r ys e n s i t i v eb u ti sn o t g o o da ta n t i - i n t e r f e r e n c ei nf i e l dt e s t t h ea n a l y s i sb a s e do ni t st e s tr e s u l t ss t i l l d e p e n d so nt h ee x p e r t s a b u n d a n te x p e r i e n c e f r ai sg o o da ta n t i i n t e r f e r e n c e t h e a p p l i c a t i o no ft h ep o l e ss u b s e c t i o nt e c h n o l o g yi nf r e q u e n c yd o m a i nh e l p st of i n dn e w c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e si nf r e q u e n c yd o m a i ns u c ha sr e l a t e dc o e f f i c i e n to ff r e q u e n c y s p e c t r u m a n dr o o t - m e a n - s q u a r ed i s t a n c ea f t e r s u b s e c t i o n s e c o n d l y ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c hc o u l da f f e c tb o t hs c ia n df r a ，a n dt h e nm a k et h et e s t r e s u l tr e p e a t a b l e t h er e l a t i o nb e t w e e nd e f o r m a t i o ni nd i f f e r e n tp a r to ft r a n s f o r m e r a n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c si ss i m u l a t e db yp s p i c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t t h ei n d u c t a n c eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h e l o w f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s t h el e n g t hw i s ed i r e c t i o nc a p a c i t a n c ew o u l dc h a n g et h er e s o n a n c e f r e q u e n c ya n dh a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h eh i 曲- f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s b u ti t w o u l dh a v eas m a l l e ri n f l u e n c eo nt h el o w - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h i si n f l u e n c ei s s y m m e t r i c a lc o m p a r e dt h eh e a de n dc a p a c i t a n c ea n dt h ee n dc a p a c i t a n c e t h e c a p a c i t a n c eo v e rt h eg r o u n dw o u l dn o tc h a n g et h er e s o n a n c ef r e q u e n c yr e m a r k a b l e b u ti tw o u l dc h a n g et h ea m p l i t u d ew h e r ei sn o tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c y t h i r d l y , t h i sp a p e rg a v et h em e t h o dt oc a l c u l a t et h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n dc a l i b r a t et h e m e c h a n i c a ld e s t a b i l i z a t i o na b i l i t yo ft r a n s f o r m e r b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fs h o r t c i r c u i tc u r r e n t ，a n t i - s h o r tp a s sa b i l i t yo ft r a n s f o r m e ra n dt h em u t u a lv e r i f i c a t i o no f 一2 - 浙江大学硕士学位论文 d e f o r m a t i o nd e t e c t i n gt e s tm e t h o d s ，s y n t h e t i cj u d g m e n tm e t h o di sp u tf o r w a r d k e yw o r d ：仃a n s f o r m e r , w m d i n g ，d e f o r m m i o n ，s i m u l a t i o n ，f r e q u e n c yr e s p o n s e ，s h o r t c i r c u i ti m p e d a n c e - 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 国家标准对变压器抗短路能力的要求 电力变压器在电力系统中运行，遭受各种短路是人们竭力避免而又不能绝对 避免的，特别是出口或近区短路对电力变压器危害极大。因此，在等效采用i e c 6 0 0 7 6 5 ：2 0 0 0 标准的国家标准g b l 0 9 4 5 - 2 0 0 3 电力变压器第5 部分：承受 短路的能力中明确规定：变压器及其组件和附件应设计制造成能在外部短路引 起的过电流作用下应能承受外部短路的热稳定和动稳定效应而无损伤。也就是 说，变压器在运行过程中，当外部发生三相短路、相间短路、两相对地和相对地 故障时，应有承受短路的耐热能力和承受短路的动稳定能力，而不至于由于短路 所引起的过电流，导致变压器内部载流部件的温度在短时间内升温过高，将各种 部件及其绝缘损坏；或使变压器绕组的压紧结构件、载流的绕组、引线、分接开 关等部件受到很大的电磁力作用而损坏。 1 1 2 变压器抗短路能力的实际运行情况 近年来，对国家电网公司系统1 1 0 k v 及以上电压等级电力变压器事故统计分 析表明，电力变压器短路强度不够是引起变压器损坏的主要原因之一，从而严重 地影响着电力系统的安全、可靠运行。 据不完全统计，2 0 0 2 年 2 0 0 6 年国家电网公司系统1 1 0 k v 及以上电压等级 变压器共发生事故1 6 2 台次，事故总容量为1 2 6 9 8 2 m v a ；其中因外部短路导致 损坏事故5 9 台次，短路损坏事故容量为4 9 1 1 0 m v a ，详见表i - i 。 表卜l 11 0 k v 及以上电压等级变压器短路事故概况 短路事故总事故 占总事故短路事故总事故占总事故 年度台次比率容量容量容量比率 口i 八日t ，八 | 硼kf 埘k 2 0 0 292 83 2 19 5 4 52 5 3 6 53 7 6 2 0 0 3 1 2 3 23 7 55 7 3 51 6 5 1 03 4 7 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 42 l5 33 9 6 1 9 0 1 04 2 2 1 5 4 5 0 2 0 0 581 84 4 4 7 2 6 01 8 8 4 2 3 8 5 2 0 0 69 3 12 9 07 5 6 02 4 0 5 03 1 4 总计5 91 6 23 6 44 9 1 1 01 2 6 9 8 23 8 7 由表卜l 可以看出，自2 0 0 2 年以来，国家电网公司系统1 l o k v 及以上电压 等级变压器的短路事故较多。到2 0 0 5 年，其变压器的短路事故台次已经占总事 故台次的4 4 4 。因外部短路引起变压器损坏的事故是电力变压器事故的首要 原因，已引起运行部门和变压器制造厂的高度重视。 1 1 3 抗短路能力不足的制造原因分析 变压器之所以动稳定性能差，在运行中经受不住各种短路，追其原因大致有 以下几点： ( 1 )变压器结构设计中，对作用在变压器绕组上的电动力，仅用静态力学的 理论计算，是不能正确、准确的反映变压器承受突发短路电流冲击能力的。因为 绕组各部分的作用力和变形的关系是很复杂的，也是随时间在变化的，因此只有 对动态过程进行分析，才能使电动力的计算结果正确的反映绕组的实际受力状 态。国内外的试验研究结果均表明，变压器绕组短路的动态效应对绕组的径向稳 定性具有一定的影响，而按静态方法只考虑与非对称短路电流第一个峰值相对应 的短路电磁力的作用，在某些情况下是不准确的。因线饼的径向最大弯曲变形， 有时是在短路电流第一峰值冲击之后还要经过几个周期才出现。 理论分析与实践经验均表明，变压器绕组线饼耐受径向短路电动力的能力主 要通过设计计算来保证，其绕组短路时所产生的线饼平均视在压缩应力值，不应 超过线饼径向失稳的平均临界应力值( 该值与绕组导体材料的名誉屈服极限0 呲 之间没有一个直接的关系，而与导体材料和绝缘材料的力学特性以及绕组结构参 数有关) ，并应考虑绕组绕制过程中可能存在“导线绕制倾斜”、“紧密程度不够”、 “径向垫块排列不整齐 等缺陷，适当的留有设计安全裕度。 ( 2 )绕组轴向压紧力不够，这不仅使绕组最终未能达到设计和工艺要求的高 度，不能使其始终保持紧固状态，而且在短路轴向力的作用下，绕组有可能出现 松动或变形现象。发生这一问题是与一些变压器厂没有很好的针对国内材料和工 艺现状，而盲目的采用同一绝缘压板结构有关。采用这种结构虽然可节省端部绝 浙江大学硕士学位论文 缘距离，降低附加损耗，但是采用这种结构通常需要对垫块进行密化处理；在绕 组加工好后，还应对单个绕组进行恒压干燥，并测量出绕组压缩后的高度。把同 一压板下的各个绕组调整到同一高度，然后在总装时用油压装置对绕组施加规定 的压力，最终达到设计和工艺要求的高度。只有经过只有的严格工艺处理，才能 保证总装时同一压板下的各绕组都能够被压紧，而且能够在运行过程中保持稳 定。否则就可能带来质量上的重大隐患。 为了防止变压器绕组在短路过程中的轴向失稳，变压器绕组轴向压紧力值的 选取是至关重要的。其轴向压紧力的最小值，应该保证变压器在短路过程中绕组 的任何部位不出现松动和“空隙 ，并且在变压器的长期运行过程中保持有足够 大的轴向压紧力。根据国外的实践经验，变压器绕组轴向压紧力在线饼与径向垫 块接触面积上的接触压力值通常应保持在3 5 - 5 o m p a 之间，而对特大容量变压 器为i 0 o m p a 左右。在长期运行过程中，也不应低于5 o m p a ，至少不应低于 3 5 m p a 。 再有压板的材质和线圈导线，特别是换位导线的硬度和宽厚比同样也是需 要密切注意的问题。钢压板的刚度较大，压板的支撑力到线圈端部的压力传递比 较简单。但如果采用层压木( 纸) 板，情况要复杂得多，应特别注意压板本身的 机械强度和刚度。在所统计的短路事故中发现层压板被折断( 有的断裂成几块) 情况有多起，其中有的层压板采用的是半圆层压板，而不是加强的整圆层压板。 对于线圈导线和换位导线的硬度及宽厚比也是绕组轴向能否稳定的重要参数，如 某发电厂一台s f p 一3 6 0 0 0 0 2 2 0 变压器在短路事故后，吊心检查发现这台变压器 的低压绕组采用的是机械强度很差的换位导线。由此看来，选用绕组导线时，尤 其是采用换位导线时，应适当控制其宽厚比。对轴向力较大的绕组，宜采用自粘 性导线、硬度较坚的导线，以提高绕组自身强度。 ( 3 )内绕组与铁心柱间支撑不够，部分变压器内绕组内衬的是软纸筒，在径 向力的作用下，往往使内绕组向铁心方向挤压，铁心烧损的情况屡有发生。除此， 绕组某些内撑条经过干燥处理后，由于收缩而处于完全的无效支撑状态。类似这 种情况较多，因此为了加强内绕组与铁心柱间的支撑，一般通过增加内径支撑的 数目，提高绕组径向支撑的可靠性，或者将内绕组直接绕制在高强度的硬纸筒上， 或是将台阶状铁心柱用圆木棒垫成圆柱形等措施来提高绕组的径向动稳定性能。 浙江大学硕士学位论文 从上述分析看来，变压器能否承受各种短路主要取决于结构设计和制造工 艺，当然与运行管理和运行条件也有一定的关系。如在短路事故中，有一些短路 事故就是因保护失灵、开关拒动、失去直流电源或容量不足等，致使短路故障切 除时间过长，在电、热的共同作用下导致变压器绕组损坏。 1 1 4 变压器绕组异常受力后的运行维护现状 投入系统运行的电力变压器难免要承受各种短路冲击，短路在变压器绕组中 产生巨大的过电流，此时变压器承受的机械应力比正常运行时增大许多倍，对变 压器的动稳定能力是一个严重的考验，易引起变压器绕组的几何变形。 变压器绕组变形是指绕组受力( 主要有短路冲击电动力和运输过程中的机械 冲击力) 后，发生的轴向、幅向尺寸变化，器身位移，匝间短路以及绕组扭曲、 鼓包等造成变压器绕组变形的主要原因有以下几种： ( 1 ) 各种短路故障而产生的巨大电动力超过变压器的承受能力； ( 2 )运输中发生的意外碰撞而产生的器身相对位移及绝缘件松动等； ( 3 )绕组变形的变压器，有的立即发生损坏性事故，有的仍可安全运行较长 时间。绕组变形的变压器即使不马上损坏，但也留下一定的隐患： ( 4 )由于绝缘距离发生改变或绝缘纸产生破损，当再次遇到雷电过电压时， 由于变压器的绝缘强度不够，变压器将产生匝间、饼间绝缘击穿，变压器发生突 发性损坏； ( 5 )变压器机械强度下降，当再次遭受短路事故时，变压器因承受不了巨大 的短路冲击力而损坏； ( 6 ) 正常运行时，自行烧毁。 变压器绕组变形性缺陷，具有相当大的隐蔽性，一般不易发现，但其又具有 很大的破坏性，严重地危协着变压器的安全运行。因此，变压器绕组变形测试、 诊断技术已成为国内外研究单位的热门科题之一。 变压器承受短路电流冲击以后，检查绕组变形和垫块松动的惯用办法是吊罩 检查，但此方法存在明显的缺点，有时往往难以实施： ( 1 )停电时间长，必须动用大量的人力、物力： ( 2 )受变压器绕组布置方式的限制，一般只能看到高压绕组的情况，而位于 高压绕组内部的中、低压绕组的变形情况无法目测确定。 浙江大学硕士学位论文 从变压器运行的实际情况来看，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。由此说明常规电气、油化试验项 目不能有效地发现变压器绕组变形性缺陷。 为了变压器的安全、经济运行，很有必要寻求一种新的试验方法、建立一套 完整的判断方法，来判定承受过短路冲击的变压器绕组是否变形。 1 2 课题的主要研究内容 1 2 1 变压器绕组变形测试方法的比较： 国内用于变压器变形测试的方法主要有：频响法、短路阻抗法、低压脉冲法 和部分电容法，比较不同方法对不同变压器变形情况的有效性及特点。 1 2 2 影响测试结果的因素分析 对影响频响法和短路阻抗法测试结果的因素( 如分接开关档位、对地电容等) 进行详尽分析，以最大程度的保持测试结果的可重复性。 1 2 3 计算机仿真分析变压器不同部位的变形情况与频响曲线的关系。 部位主要考虑以下几个方面： ( 1 )变压器绕组纵向电容的变化； ( 2 ) 变压器纵向电感的变化； ( 3 ) 变压器对地电容的变化； ( 4 ) 变压器绕组电阻的变化。 1 2 4 变压器短路电流计算： ( 1 )稳态短路电流的计算； ( 2 ) 暂态短路电流的计算。 1 2 5 变压器机械失稳能力校核 1 2 6 频响法变压器绕组变形测试结果的判断原则及方法。 在综合考虑以下各因素的基础上，提出综合判断的方法。 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 短路电流的大小问题； ( 2 ) 变压器本身抗短路能力问题； ( 3 )几种试验方法相互验证的问题。 1 3 课题研究过程 主要研究过程如下： ( 1 ) 技术调研，了解变压器绕组变形测试的主要方法，确定开展基于频响分 析法的变压器绕组变形测试研究； ( 2 )现场实测不同工况下的变压器频响曲线，以确定影响测试结果的因素； ( 3 )计算机仿真在不同变形情况下的频响曲线变化趋势； ( 4 )研究变压器机械失稳能力的校核方法； 提出基于变压器绕组变形测试结果、变压器抗短路能力、变压器短路电流大 小等因素的变压器变形测试判断原则。 浙江大学硕士学位论文 第2 章测试方法分析 2 1 变压器绕组变形测试方法的有效性分析 变压器绕组变形测试方法选取的基本原则是有效、方便、准确。下面对几种 变压器绕组变形测试方法进行对比、分析。 2 1 1 短路阻抗法 ( 1 )短路阻抗法的基本原理 此方法由前苏联首先提出。 变压器的短路阻抗是指该变压器的负载阻抗为零时变压器输入端的等效阻 抗。短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量，对于ll 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，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压 器的短路电抗分量，就是变压器绕组的漏电抗。变压器的漏电抗可分为纵向漏电 抗和横向漏电抗二部分，通常情况下，横向漏电抗所占的比例较小。变压器的漏电 抗值由绕组的几何尺寸所决定，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电 抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变。 以圆筒型双绕组变压器为例，绕组布置示意图见图2 1 。 浙江大学硕士学位论文 、叱、6 1 、6 2 、c 一几何距离，x 一线圈直径减小量 图2 1双绕组变压器绕组布置示意图 假设：绕组高度等于其轴向配置的高度；安匝数均匀分布；忽略铁芯的临近 效应和绕组的直流电阻。则短路阻抗可用下式表示： 磊a r k ：2 a f o s _ c 0 2 q 一1 d c e ( 2 - 1 )，z 式中： z k 一短路阻抗：x k 一漏感抗： = 4 z 1 0 _ 7 ： ( ) 一绕组匝数： q l 一罗果夫系数：h 一绕组高度： 一主泄漏通道的平均直径： 6 一主泄漏通道的有效宽度：由于 b l 、6 2 ， 故：6 c + ( 包+ 6 2 ) 3 。 由式( 1 ) 可知，乙的变化实际上仅取决于绕组的变形，也就是绕组几何 尺寸的变化。 浙江大学硕士学位论文 假如变压器内部线圈在挤压力的作用下，其直径减小2 x ( 见图1 ) ，在 式( 1 ) 中用：必= d c ，一x 代替，秒= 6 + x 代替6 即可求出磁。 因此，绕组变形引起短路阻抗乙的变化量为： z 二= 砟一乙( m n ) x ( 2 2 ) 式中： 搠2 曩1 五炉去 由式( 2 ) 可知，短路阻抗的变化量乙与变形量x 直接相关。 根据短路阻抗的变化量来判断绕组是否变形，只要将测得的短路阻抗值与变 压器正常时的测量值( 如出厂数据) 相比即可。 ( 2 )基于短路阻抗的变压器绕组变形测试需解决的问题 用于现场变压器绕组变形测试的短路阻抗测试仪除必须具备携带方便、操作 简单、具有良好的测试精度及优秀的测试重复性外，必须具有良好的抗干扰能力。 现场的干扰主要来自于以下几个方面： 试验电源谐波的影响； 试验电源电压的不稳定性； 试验现场的5 0 h z 同频干扰。 现就以上三方面因素对短路阻抗测试值的影响及消除措施简述如下： ( a )消除试验电源谐波对测试结果的影响 试验用的电源，难免有各种各样的谐波存在，而且谐波分量的幅值是不稳定 的。高次谐波对变压器短路阻抗的测试值有较大的影响。设被试变压器在无谐波 情况下的短路阻抗值为z ，当施加具有谐波分量的测试电压为： 甜= 口1s i n ( a ) t + g ) + a 2s i n ( 3 c o t + g 1 ) 时，流过变压器的电流为： f：3aasin(cot+弘t)+a2s i n ( 3 c o t + g 1 ) 3 z ，考虑谐波以后的变压器短路阻抗有效 值为： 铲臻 1 j 口l + 虿啦z 浙江大学硕士学位论文 由上式可知，由于测试电源谐波的存在，实测短路阻抗值与无谐波情况下的 短路阻抗值之间具有一定的差异。 欲消除测试电源谐波对短路阻抗测试结果的影响，短路阻抗测试仪必须具有 优良的滤波性能。通常用硬、软件相结合的方法，可以基本消除测试电源谐波对 短路阻抗测试结果的影响，满足变压器绕组变形测试分析、判断的需要。 ( b )试验电源电压的不稳定性对测试结果的影响 试验电源电压的基波分量在测量周期内的不稳定性对测试结果有直接的的 影响。由于短路阻抗为一感性阻抗，电流与电压之间具有一定的相位差，当测试周 期内的电压基波分量发生变化时，电流不可能同步发生变化，从而会产生测量误 差。 为减小试验电源电压不稳定性带来的短路阻抗测试误差，通常的方法是通过 多次测量求平均值的方法来解决，但效果并不很理想，同时还会延长测试时间。欲 有效解决上述问题，短路阻抗测试仪必须对测量周期内所采集到的信号进行分析 与运算，较大程度地减小测试误差，同时也不延长测试时间。 ( c )试验现场的5 0 h z 同频干扰 试验现场的5 0 h z 同频干扰主要来自变电所运行设备的电晕干扰和试验仪器 用的2 2 0 v 交流电源耦合到测量回路所产生的干扰。 欲减小试验现场的5 0 h z 同频干扰对短路阻抗测试结果的影响，测试仪器必 须从硬件上最大限度地抑制由于2 2 0 v 交流电源耦合引起的同频干扰，当测试现 场电晕干扰较大时可采用测试仪器换极性的方法，并适当提高被试变压器的试验 电压、电流。 ( 3 ) 短路阻抗法测试接线方式 变压器短路阻抗测量采用伏安法。该方法适用于单相和三相变压器。测试前 将变压器的侧出线短接，短接用的导线须有足够的截面积，并保持各出线端子 接触良好，以减小引线的回路电阻。变压器的另一侧施加试验电压，从而产生流经 阻抗的电流，同时测量加在阻抗上的电流和电压，此电压、电流的基波分量的比值 就是被试变压器的短路阻抗。 变压器短路阻抗测试时，通常在变压器的高压绕组侧加压，在低压绕组侧短 路。必要时可采用低压加压、高压短路的方式。 浙江大学硕士学位论文 为保证测试精度，电压测量回路应直接接在被试变压器的出线端子上，以免 引入电流引线上的电压降。试验用调压器的额定电流不能小于i o a ，试验时流经 被试变压器绕组的试验电流以在其额定电流的0 5 1 0 的数量级上或不小于 i o a 为宜，试验电流不能太大，否则由于电源的过载使试验电压波形严重畸变，影 响测试精度。过小的测试电流易引起测试误差。 变压器短路阻抗测试采用三相等效测试法，三相等效测试计算出被测绕组对 的短路阻抗值，可直接与铭牌值进行比较。对不同连接方式的变压器采取不同的 接线及换算方式。 ( a )单相变压器 图2 - 2 单相变压器的低压短路阻抗测试接线 进行电压、电流和阻抗测量，则等效阻抗为短路测量值。 ( b ) 星型三角对三相变压器 星型三角对三相变压器的三相等效测试法试验接线见图2 3 。其中性点应 处悬空状态。电压分别从两相线端施加，另一侧绕组三相端子短接。 图2 3 星型三角对三相变压器的低压短路阻抗测试接线 调整加压端子，分三次进行电压、电流和阻抗测量，则等效阻抗为短路测量 值的压2 倍。 ( c ) 星型星星对三相变压器 浙江大学硕士学位论文 试验接线见图2 4 ，试验方法和计算公式同星型三角的三相等效测试法。 图2 4 星型星型对三相变压器的低压短路阻抗测试接线 ( d )三角星型对三相变压器 三角星型对三相变压器的三相等效测试法试验接线见图2 5 。轮流在每个 双相上加电压，依次短路一相线圈( 如a b 端供电，b c 端短路) ，另一侧绕组三 相短路，分别从两相线端施加，另一侧绕组三相端子短接。调整加压端子，分 三次进行电压、电流和阻抗测量，则等效阻抗为短路测量值。 图2 5 三角星型三相对变压器的等效低压短路阻抗测试接线 ( e )三角三角对三相变压器 试验接线见图2 6 ，试验方法和计算公式同三角星型对的短路阻抗测试。 图2 6 星型星型对三相变压器的低压短路阻抗测试接线 ( 4 )基于短路阻抗的变压器绕组变形测试有效性分析。 浙江大学硕士学位论文 短路试验法在实测中有比较统一的接线方式，并具有一定的灵敏度。该方法 能较好地再现评估结果，判断简单，在i e c 和国标中均有明确的规定，在参数偏 离规定数值时，能可靠地暴露故障，评价故障的危险程度，避免不必要的报废， 其测试和判断过程相对简单。但短路试验法对于微弱变形不敏感，只能对绕组整 体影响较大的变形有较好的效果。 2 1 2 低压脉冲( l v i ) 法 变压器绕组在较高频率的电压作用下，其铁芯的磁导率几乎与空气的一样， 绕组本身可以看作一个由线性电阻、电感、电容等组成的无源线性分布参数网络。 低压脉冲法是1 9 6 6 年由波兰的l e c h 和t y m i n s k i 提出。其基本原理是在变 压器绕组的一端施加稳定的低压脉冲信号，并且同时记录该端子和其它端子的电 压波形，通过将时域中的激励与响应做比较，可对绕组的状态做出比较正确的判 断。当变压器的绕组发生变形时，相应部分的电感、电容等参数都会发生变化， 当在输入端施加脉冲电压激励时，将引起输出端响应的变化。 低压脉冲法现己被列入i e c 及i e e e 电力变压器短路试验导则和测试标准。 但该方法应用于现场试验中，尚受测试过程中各种电磁干扰的影响，可重复性较 差，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。 2 1 3 频响分析( f r a ) 法 利用频率响应分析法测量变压器绕组的变形情况，最早由加拿大e p d i c k 等人于1 9 7 8 年提出，随后在世界各地得到较为广泛的使用，普遍反映良好。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。 当频率超过1 k h z 时，变压器的铁芯基本上不起作用，可以认为变压器是一 个由电阻、电容和电感组成的线性网络。单相变压器电气原理图见图4 7 。 浙江大学硕士学位论文 l 一单位长度电感量k 一单位长度电容量 c 一单位长度对地电容量 图2 7 单相变压器电气原理图 由图2 7 可知，变压器的等效电路实际为一无源线性、单端输入、单端输 出的网络。当变压器绕组发生相对位移等变形情况时，变压器等效电路中单位长 度分布参数l 、c 、k 将发生变化，其频率响应特性也相应发生改变。因此，变压 器绕组的变形可以通过变压器绕组的频率响应特性来判断。 频率响应分析法抗干扰能力强、测量重复性好，具有较高的检测灵敏度，试 验时仅需解开变压器出线连接线，测试方便、时间较短。 2 1 4 几种主要检测方法的比较 短路试验法在实测中有比较统一的接线方式，并具有一定的灵敏度。该方法 能较好地再现评估结果，判断简单，在i e c 和国标中均有明确的规定，在参数偏 离规定数值时，能可靠地暴露故障，评价故障的危险程度，避免不必要的报废， 其测试和判断过程相对简单。但是同低压脉冲法和频率响应法相比，短路试验法 对于微弱变形不敏感，只能对绕组整体影响较大的变形有较好的效果。 l v i 法灵敏度高，但是在现场使用时，抗干扰能力差，任何外来因素的十扰 及所施加的激励脉冲源的变化都会反映到时域响应波形上，引起畸变，增加了故 障判断的难度，而且电缆线及接地线排列方式、周围物体等均对测试结果有影响， 需做校正，同时需要特殊布置的测量电路和精心选用的设备来保证测试重复性 等。小波分析技术的应用，寻找到了小波分解的模极大值，全局距离、尺度距离 及平滑信号的相关系数等新的特征量，增大了对变形程度作出判断的可能性。但 是，对绕组变形状况的分析仍然需要丰富的经验才能得出比较正确的结论。 f r a 法与l v i 法相比，就灵敏度和所体现的信息( 如变形的位置) 而言，不如 l v i 法，但稳定性方面比l v i 法高，抗干扰能力强，在现场使用时对环境因素的 要求不高，影响不大，而且其测试仪体积小、重量轻、携带方便。频域内极点分 段技术的应用，寻找到了分段后的频谱相关系数和均方根距离等新的频域特征 量。但f r a 法和l v i 法类似，对于特征量值缺乏有机的组合，没有形成简明的、 可量化的判据，对现场操作人员的专业水平要求较高。 由上述三种诊断变压器绕组是否变形方法的技术性能比较可知，为经济、方 浙江大学硕士学位论文 便、精确地诊断变压器绕组的变形情况，频响分析法不失为一种较为理想的试验 方法。 2 2 变压器绕组视频窥视技术的研究与应用 随着电网容量的不断增长，由于变压器绕组变形直接或间接引起的变压器 损坏事故居高不下，成为影响电网安全可靠运行的主要隐患之一。为了能及时发 现变压器事故隐患，避免突发事故发生，确保电网安全可靠运行，全国各地普遍 开展了变压器绕组变形试验，主要方法是频率响应分析法和低电压阻抗法。多年 的实践证明，变压器绕组变形试验简单有效，查出了大量有问题的变压器，为电 网安全稳定运行做出了巨大贡献，但也存在下列问题： ( 1 ) 如果没有历史数据，试验结论准确性不高，容易误判断，即把正常的变压 器误认为存在绕组变形，结果返厂解体，造成很大经济损失。 ( 2 ) 变形部位难以准确定位，即通过变形试验很难知道是局部变形还是整体变 形，是轴向窜动还是幅向挤压变形，甚至哪一相有变形，而这些信息对改造方案 是非常重要的。 ( 3 ) 往往需要返回厂家或车间进行解体，才能最终判定变压器是否有变形，因 为现场吊罩检查也因围屏包裹无法看清，造成变形试验结论确认周期长，费用 高，正因为如此，部分变形试验认为有问题的变压器不能及时确诊，给运行单位 带来很大难题。 为此，提出了变压器绕组视频窥视技术，并在现场进行了实际应用，将视频 内窥镜的探头伸入变压器的绕组之间或绕组与铁心之间进行实物观察、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，这是一个全新思路。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。下面将变压器绕组变形视频窥视技术的研究和应用情况作一介绍。 2 2 1 变压器绕组变形视频窥视技术研究 有的变压器油道只有7 衄，而且深入内部需要转直角，探头太粗进不去， 如果无法转弯也看不到绕组全貌，难以判断绕组是否发生变形。为此在应用内窥 镜检查变压器绕组状态方面开展了研究工作。 浙江大学硕士学位论文 内窥镜的选取内窥镜可分为四大类：直杆式内窥镜、光纤内窥镜、视频内 窥镜、航空发动机特殊用途内窥镜。检查变压器绕组需要内窥镜通过油道转直角， 因此直杆式内窥镜不适合，只能在光纤内窥镜和视频内窥镜之间选取。 在现场2 台1 1 0k v 变压器上对两种内窥镜技术进行了实际比较：光纤内窥 镜探头规格较多，从0 5 - 8m i l l ，但弯曲半径较大，难以深入绕组内部，只能看 到绕组的上部几个饼，不能看到绕组全貌，另外，图像清晰度较差。视频内窥镜 探头直径从5 1 2m i l l ，虽然直径大，但弯曲半径比光纤内窥镜小，较容易操作， 可以进入绕组内部看到全貌，另外，图像清晰度较好。 2 2 2 视频窥视技术性能 探头外径为6 0m i l l ，探头有效工作长度为3m 。采用全封闭性设计，抗变压 器油。探头端部可更换的光学物镜转接头选配了侧视镜和直视镜，满足测量绕组 不同部位的需要。像素不小于4 4 万；动态图像有不小于3 倍的可调放大成像功 能、不小于1 6 s 的延时曝光功能。具有图像处理系统和图像存储系统。视频探头 端部导向方式为操作手柄内置导向电机驱动。导向方向度为3 6 0 。全方位连续 导向，其导向弯曲度大于1 5 0 。，导向弯曲半径小于3 0 姗。具有5i n 数字液晶 显示器，可由任意角度观看，亮度可调，有防划保护屏和遮阳罩。 2 2 3 用视频窥视技术检查变压器绕组变形的方法 常见的1 l ok v 及以上变压器有双绕组和三绕组、有载和无载、降压变压器 和升压变压器等之分。其绕组的排列方式也有低一中一高、低一高、高一低一高等之 分。随着电压等级的不同，变压器的绝缘尺寸、油隙纸筒个数等也不同。尽管如 此，其基本结构却是相似的，绕组间绝缘均由油隙、纸筒组成，每台变压器均有 油道，顺着油道视频内窥镜便可以进入绕组内部进行拍照观察。1 1 0k v 变压器 油道最小，在7 , - 一1 0m i l l 之间，2 2 0 、5 0 0k v 变压器油道稍大。如2 2 0k v变压 器高压一中压间主绝缘距离约为8 0m m ，5 个纸筒，油道为1 1 衄左右；中压一低 压间主绝缘距离约为4 8m m ，3 个纸筒，油道为1 0m m 左右：低压一铁心柱间油道 约为1 2 姗。 用视频窥视技术开展变压器绕组变形工作，需要熟悉变压器内部结构。探头 一般通过油道进入变压器绕组内部，也可顺着引线、压板缝隙等。对于重要缺陷 浙江大学硕士学位论文 可以拍照，数字照片可以储存、处理。 2 2 4 现场试验情况 目前，利用视频窥视技术，在现场和变压器制造厂已对1 5 台变压器做了检 查。其中，有9 台是在变电站现场做的，另外6 台是在变压器制造厂做的，这6 台变压器中有新生产出来的，也有返厂检修的。这1 5 台变压器有主变压器、厂 用变压器和启备变压器，有国内厂家的也有国外的。 ( 1 )确认变压器绕组是否变形 例1 ：某1l o k v 、5 0 m v a 变压器出口短路后，用视频窥视技术进行了观测， 发现低压绕组严重变形，绕组绝缘破损并漏出铜线。 例2 ：某1 l o k v 变压器出口短路，通过变形试验判断低压绕组三相一致性差 别较大，发生了中度变形，但因无原始图谱较难判断。为了尽快得出结论，进行 了吊罩检查，由于围屏包裹，很难判断低压绕组是否存在问题，采用视频窥视技 术进行了全面检查，发现各个绕组未变形，内部也没有异物存在，但绕组绕制工 艺较差，有的排列不齐，个别垫块错位，见图3 。最后得出变压器没有发生绕组 变形，可以继续使用的结论。该变压器及时投运后解决了该地区大负荷用电问题， 如果像以前那样，返厂解体检查，费用至少需5 0 万元，停电时间2 5 天。由此看 来，视频窥视技术在及时、准确判断变压器是否存在问题的同时，还能带来巨 大的经济效益和社会效益。 例3 ：某热电厂某启备变压器也是通过绕组变形试验判断三相一致性较差， 较难判断是否变形。通过内窥镜检查发现绕组正常，但有的地方较脏，处理后 正常投运。 ( 2 )帮助查找变压器缺陷 例4 ：某国外公司生产的变压器因存在缺陷返厂检修，吊罩后通过视频窥视 技术检查发现该变压器确实存在围屏绑扎带断裂、铁心上有异物等问题。 例5 ：某变压器由于油色谱超标，故返厂检修。内窥镜探头从c 相顶部伸入 发现绝缘件有断裂，见图6 。 例6 ：在变压器出厂时通过内窥镜也能发现一些问题。某一发电厂厂用变 压器，型号s f p 3 1 5 0 0 1 1 0 ，出厂前通过内窥镜发现包扎高压绕组的绝缘层有破 损，在出厂前及时发现并解决问题，最大程度上减小了经济上的损失。 浙江大学硕士学位论文 2 2 5 变压器绕组视频窥视技术的应用前景 ( 1 )该技术可查出变压器绕组是否有变形，对变压器绕组变形可定量测量， 准确得知哪一相和哪一侧绕组有变形，绕组变形的形状、严重程度和具体部位。 以前靠变压器绕组变形电气试验难以对变压器绕组绑带断裂、垫块错位等这些 轻微的状态变化做出判断，现在用视频窥视技术很容易做到，检测结果的灵敏度 和全面性是以前任何试验方法所不能比拟的。 ( 2 )该技术具有广泛的用途，除了可判断变压器绕组是否有变形以外，还可 以检测变压器内部是否有异物、绕组局部放电烧伤点、围屏爬电、铁心柱过热点、 接地屏情况等。 ( 3 )采用的视频内窥镜可任意弯曲拍照探头的方向及角度，方便于伸入变压 器内部检查绕组情况。操作简易，可单人完成工作，检查迅速、快捷，数小时便 可以完成一台变压器的检查工作，比传统的拆铁扼、拔线圈解体检查方法工作效 率提高几十倍。 ( 4 )该技术对于预防变压器事故、节省检修费用以及指导变压器检修具有重 要意义。由于变压器不需要返厂解体检查，检查时间大大缩短，使得用户停电时 间也大为缩短，同时节省大量检修、运输费用。因此，该技术具有巨大的经济效 益和社会效益，具有很高的推广价值。 2 3 变压器绕组变形的典型案例 2 3 1 国家电网公司2 0 0 6 年2 2 0 k y 变压器短路损坏情况 从国家电网公司2 0 0 6 年的变压器事故统计情况看，变压器绕组抗短路强度 不够是造成2 2 0 k v 变压器损坏事故的主要原因，共有5 台变压器短路损坏，占总 事故台次的5 0 ，事故容量