变压器绕组变形的测试技术探讨

山西农业大学工程技术学院毕业论文1 前言1.1研究变压器绕组变形检测的重要性变压器是电力系统中的重要设备之一，其运行的稳定性对系统安全影响极大，它发生事故往往会给电力部门带来巨大的经济损失和不良的社会影响。随着经济的不断发展，用电量越来越大，变压器的容量及运行负荷日益增大。系统间的联系不断加强，系统短路容量也越来越大，系统短路电流对变压器的冲击越来越大，对绕组的危害也随之增大。当变压器外部发生突发短路时，变压器线圈很容易发生变形。如果一台已经发生绕组变形的变压器继续运行下去，就有可能遇到过电压或短路冲击而发生故障，有的甚至在运行中自行烧毁。第31届国际大电网会议指出：变压器绕组变形是变压器发生损坏事故的重要原因之一，变压器故障中,因短路冲击导致变压器故障变形的约占30%。根据统计,我国因外部短路事故烧毁的110kV变压器,占110kV变压器事故的20%35%。所以对于新安装的变压器或遭受短路冲击的变压器,判断其绕组是否发生变形、变形程度是否影响变压器的安全运行,是非常重要的。1.2变压器绕组变形检测在国外的发展目前,世界各国都在积极开展变压器绕组变形诊断工作,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。为了能及时发现绕组变形较严重但却仍在运行的电力变压器，目前，国内外先后提出的用于检测变压器绕组变形的方法主要有短路阻抗法、低压脉冲法和频率响应法等。短路阻抗法最早由苏联提出，是通过测量工频电压下变压器绕组的短路阻抗或漏抗来反映绕组的变形和移位及匝间开路和短路等缺陷。其原理是通过测量变压器绕组在50Hz下的阻抗或漏抗，由阻抗或漏抗值的变化来判断变压器绕组是否发生了危及运行的变形，如匝间短路、开路、线圈位移等。国标和IEC标准都规定了额定电流下漏抗变化的限值，IEC议超过3%为异常，国标认为根据线圈结构的不同取2%4%。美国ANSI标准96年版已将短路阻抗测试作为预试项目之一。虽然可以检测出较严重的绕组变形，但是灵敏度较低，且需动用沉重的试验设备和大容量的试验电源，试验时间较长，因此，难以推广应用。低压脉冲法(Low Voltage Impulse)简称为LVI法，低压脉冲法低压脉冲法是1966年由波兰的Lech和Tyminski提出。此后英国和美国又对其进行了改进，其主要用途是确定变压器是否通过短路试验，现已被列入IEEE电力变压器短路试验导则和测试标准。低压脉冲法克服了阻抗法灵敏度不高的缺点，能检出绕组23mm的弯曲变形。然而，由于LVI法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时抗干扰能力差，双屏蔽电缆和接地线排列方式、周围物体等均对测试结果有影响。另外易受灵敏度校正过程的影响，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的不稳定性问题，故现场使用往往重复性不好。当时由于受电子技术、计算机技术的限制，这一方法的进一步发展受到了限制。进人8O年代以来，由于数字测量技术、计算机技术的大规模使用，为这一方法带来了新的活力，国外象俄罗斯、荷兰等国在这方面都做了若干有益的工作。频率响应法（FRA）诊断变压器绕组变形的思想，最早是由加拿大的E.P.Dick在1978年提出的，随后在世界各国得到了较为广泛的应用，普遍反映使用效果较好，认为能够在变压器不吊罩的情况下快速检测出相当于短路阻抗变化0.2%和轴向尺寸变化0.3%的绕组变形现象。与低压脉冲法（LVI）相比，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容易得到解决，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。低压脉冲法和频率响应法实际上是从时域和频域两个方面对同一事物的两个不同侧面的描述。但是这两个方法从实际实施方法来说，在技术上是有很大差异，从发生波形的稳定性、可记录性及分辨率和目前技术水平来说，低压脉冲法可实施性要远小于频率响应法。所以，目前变形检测技术主要采用频率响应法。频响法的实际应用是随着微机技术的发展而逐渐成熟的。从目前的技术成熟程度看，频响法用于现场要比低压脉冲法易于实施，测得的图谱较稳定，重复性好，不易受试验接线、外界干扰的影响。因此，频响法的应用比较普遍。1.3变压器绕组变形检测在国内的发展我国在变压器绕组变形诊断技术方面的研究起步较晚，自1990年以来，由北京电力科学研究院、武汉高压研究所、西安交通大学对频率响应法进行了尝试，取得了一定的成效。对于低压脉冲法，我国尚没有开展过这方面的研究工作。随着电子技术领域的日新月异数据采集技术及数字信号处理技术的发展，很有必要在新的技术条件下对这种方法进行研究和探索，将新技术引人到低压脉冲法诊断变压器绕组变形的领域中组建低压脉冲法变压器绕组变形测试系统，开展利用这种方法进行绕组变形测试的理论和实验研究是非常必要的。2. 变压器绕组变形定义电力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,器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等，绕组变形是电力系统安全运行的一大隐患。因此.研究变压器绕组变形的原因,诊断方法和防止措施,对减少变压器事故的发生具有重要意义。3.变压器绕组变形的特点变压器的出口短路故障有三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路等几种类型。据资料统计表明，在中性点接地系统中，单相接地短路约占全部短路故障的65%，两相短路约占1O%15%，两相接地短路约占15%2O%，三相短路约占5%。其中以三相短路时的短路电流值最大，GB10945-1985中的有关规定就是以三相短路电流为依据的。通过检查和事后分析，发生短路故障的变压器绕组变形是诱发多种故障和事故的直接原因。一旦变压器绕组已严重变形而未被确诊，仍继续运行，则极有可能导致事故的发生，轻者造成停电，重者将可能烧毁变压器。4.变压器绕组变形的原因分析4.1.电动力因素绕组变形主要是受电动力而造成的，当变压器绕组因长时间运行其元件老化或者本身设计的问题而经受不了电动 I了的作用而产生变形。电流流过导体就会产生磁场。变压器绕组中流过电流时，将在线圈周围产生漏磁场，而绕组中的电流与该磁场相互作用，在绕组内产生电动力。在额定电流下，电动力并不大，但在短路时电动力将剧增，若超过了绕组的承受能力，将使变压器绕组形状发生改变甚至损坏或者绕组发生绝缘破损，发生放电接地故障。其电动力为： （4-1）式中：dF 作用在导线单元上的力(N)I 导线中电流(A)B 磁感应强度(T)dL 导线长度(m)4.2缺陷因素绕组变形除了上述的电动力因素造成的客观因素外。还有部分因为人为的失误造成的本可避免的原因。设计选材未能达到所规定的强度要求，这种缺陷在早期不容易被发现，随着时间的推移，在经过几次系统冲击，缺陷被放大，导致事故发生。制造过程不能严格按照工艺要求操作，关键工序达不到设计要求。变压器施工工艺要求非常严格。这种施工工艺缺陷可能发生在变压器从生产到投入运行的各个阶段，如变压器绕组绕制不紧，撑条不直等。还有变压器内部安装过程中固定不紧，有异物遗留等都是很大的潜在隐患，最终导致事故发生。5 变压器绕组变形的测试方法5.1常规试验方法常规试验方法有变压器变压比和绕组直流电阻法、电容量变化法，这些方法都具有测量简单，测试仪器便宜、测量精度高，在现场容易实现，同时国标和规程都有明确的量化标准，它对变压器绕组显著变形、匝间短路、绕组断股等情况是一种简便有效的判断手段。但其不能反应其他的绕组变形情况，对绕组变形检测不灵敏，在绕组变形测试中有比较大的局限性。52视频窥视检测法视频窥视技术就是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。由于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。视频窥视技术操作简易，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。5.3短路阻抗法5.3.1短路阻抗法的测试原理 变压器的短路阻抗是指该变压器的负荷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110kV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两部分，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的，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1。图1 双绕组变压器绕组示意图 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： （5-1）式中Zk短路阻抗 Xk漏感抗 0=407 绕组匝数 Q1罗果夫系数 h绕组高度 DCP主泄汛通道的平均直径主泄汛通道的有效宽度；由于Dcpb1、b2，故C(b1b2)/3由式(1)可知，ZK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。假如变压器内部线圈在挤压力的作用下，其直径减少2X(见图1)，在式(1)中用：代替DCP，代替即可求出。因此，绕组变形引起短路阻抗的变化量为： （5-2）式中，由式(2)可知，短路阻抗的变化量ZK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与变压器正常时的测量值(如出厂数据)相比即可。5.3.2短路阻抗法测试连接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。测试前将变压器的一侧出线短接，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。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10A，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0.50.1的数量级上或210A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。5.3.3短路阻抗法的测试结果影响因素现场的干扰主要来自于以下几个方面：(1)试验电源谐波的影响；(2)试验电源电压的不稳定性；(3)试验现场的50Hz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。（1） 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时，流过变压器的电流为： （5-3）考虑谐波以后的变压器短路阻抗有效值为: （5-4） 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。（2）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。（3）试验现场的50Hz同频干扰试验现场的50Hz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220V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50Hz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220V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。5.4 低压脉冲法5.4.1低压脉冲法的测试原理当频率超过1kHz时，变压器的铁心基本上不起作用，每个绕组均可视为一个由线性的电阻、电感及电容等分布参数构成的无源线性双端口网络。绕组发生机械变形后势必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。这样就有可能由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。这就是传统的低压脉冲法诊断变压器绕组变形的基本原理。 低压脉冲法的测试原理如图所示。在变压器绕组的一端对地加入标准脉冲电压信号(100V)，利用数字化记录设备同时测量绕组两端的对地电压信号和，并进行相应的处理，最终得到该变压器绕组的传递函数或，即： （5-5） （5-6）然后根据波形变化来判断变压器绕组变形。5.4.2低压脉冲法的测试系统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展，将时域信号以数字形式记录并传输绐计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。例如对数字形式的信号可进行平滑、滤波、频谱分析、相关分析及传递函数分析等。这些分析手段的引入较之单纯的时域分析能更有效地提取信号特征更准确地对信号畸变的原因给出判断。基于以上想法，组成了以计算机为中心的低压脉冲法绕组变形测试系统，如图2所示。其中低压脉冲源产生幅值800V、前沿0.25 、半幅宽2.5的单极性脉冲电压信号；数据采集单元为两通道、8位、20MSS采样率的数据采集板，直接插在PC机扩展槽内 对施加在变压器绕组上的低压脉冲信号及响应信号进行记录，并将数据传输绐计算机。计算机软件对采集到的输人、输出信号进行处理、分析并将信号曲线进行显示或以硬拷贝形式输出。图2.LVI法测试原理框图5.4.3 低压脉冲法的测试连接方式由于变压器绕组发生变形后其饼间电容对地电容及电感均将发生相应的改变因而可以在变压器绕组不同部位的饼间及不同部位线饼对地之间并接电容来模拟绕组变形。由于所施加的信号包含频率成份很高的脉冲信号因而引线及接地线的长短及排列位置周围接地体的变化都可能会给测试结果带来影响 另外施加于变压器绕组上的脉冲信号的分散性对测试结果的影响也必须考虑围绕这些方面。5.4.4低压脉冲法的测试结果影响因素（1）采用不同的接地方式。地电位的高低决定于地电流的大小、频率高低和接地阻抗的数值。在含有高次谐渡的电流流经接地体时，接地阻抗中的电感和电容分量将起明显作用，可在接地极上出现很高的衰减振荡电位，此时与接地极相连的测试装置将受此衰减振荡电位的影响，形成接地干扰。（2）测量电缆外皮电流是产生干扰的又一个重要原因。作为电缆外皮电流的电动势来源主要有：地线上杂散电位升高，电磁耦台电动势等测量电缆外皮电流的产生和电流值的大小是与接地方式有关的。对于高频时的信号、应采取电缆屏蔽两端接地方式。（3）低压脉冲源的分散性导致输出脉冲波形参数发生变化，这种变化导致变压器绕组的响应和传递函数的频谱发生变化。如果这种变化导致变压器绕组的响应和传递函数的频谱的变化与变压器绕组变形导致的变压器绕组的响应和传递函数的频谱的变化可比那么就不能由此测试系统来判断变压器绕组是否发生变形，因而必须保证脉冲源的分散性尽量小。5.5频率响应法5.5.1频响分析法的测试原理频率响应分析法的原理是基于变压器的等值电路可以看成是无源线性二端口网络，如图3所示。该二端口网络的频率特性可以用传递函数来描述。由于每台变压器都对应有自己的响应特性，所以绕组变形后，其内部参数变化将导致传递函数的变化，从而可以判断变压器绕组的变形情况。图3.单相变压器绕组的简化等效电路由于电阻值很小，在网络分析中可以忽略不计。在1KHz-1MHz宽的频段内对该网络进行分析，频率响应曲线所反映的信息是不同的。试验研究结果表明，变压器的频率响应特性通常在频率低于lOkHz时，绕组的电感起主要作用，谐振点通常较少，对分布电容的变化较不敏感；而当频率超过1MHz时，绕组的电感又被分布电容所旁路，谐振点也会相应减少，对电感的变化较不敏感，而随着频率的提高，测试回路的杂散电容也会对测试结果造成明显影响。在不同频率下电感、电容谐振点的分布所反映的信息是不同的，绕组由于整体或局部的拉伸和压缩造成匝间距离改变时，反映的是绕组的感性变化，此时频响曲线在较低频段有比较明显的变化；当绕组发生整体位移时，主要的是对地电容发生改变，频响曲线在较高频段会有明显的变化当某一频率的脉冲信号注入时，且，即，电路处于谐振状态，那么 ， 是电路的谐振频率，这个谐振频率对应频谱曲线的峰值点或谷值点，当发生串联谐振时是峰值点，当发生并联谐振时是谷值点。在某一段频率的频谱曲线，可能有若干个谐振点。一般将频谱曲线分为3个区域，即低频段、中频段和高频段，分别对3个频段的相关性进行计算，可以反映绕组相对变形的信息量，同时也可以充分反映出频响曲线由于不同程度变形而导致的在不同频率区间的变化。频率响应分析法判断变压器绕组变形的主要原理是建立在比较绕组频率响应特性变化的基础上的，如果在变压器遭受突发短路冲击后测得的各个绕组的频率响应特性与原始记录结果(短路前测量结果)相同，则表明短路故障没有导致绕组变形；反之，可判断绕组变形及其变形程度。目前在频率响应分析的测量中，采用的信号幅度一般为510伏，所有试验仪器及附件总重为15kg。而在阻抗电压测量中，为了保证测量的准确性，要求输入的电流不低于额定电流的1530，这就需要较大容量的试验电源。在采用低压脉冲法的测量试验中，实际施加的试验电压一般高达90450伏，试验设备庞大而且脉冲试验波形的重复性差，难以控制。图4.FAR试验接线及变压器线圈的“L-C”分布参数示意图S-信号源 C1-线圈端口电容 CJ-对地电容 L-匝间电感 R-匹配电阻如图4所示，在小信号响应的“频响分析法(FRA)”中，当变压器线圈的电阻与测试回路的匹配电阻相比可以忽略不计时(rR)，电力变压器线圈可以看作“纯粹的L-C”n型网络。在正确匹配信号的输入和输出电阻的情况下，由这样的L-C网络的一端注入一定的电压激励，在线圈网络的另一端就可以得到对应的响应，如果将激励电压的输入和输出的量值比作为对应电压频率的函数，并逐点描绘，就得到了该网络的响应频谱。 (5-7)试验证明，在选定的频率范围内和试验数值的测量精度范围内，响应幅度比值的变化在0000113之间，为便于进行量值对比分析，上式通常以对数的形式表示为： (K=20) （5-8）其中K为对数函数的加权系数。加权系数K的取值大小，决定于显示和分析图谱变化的最小分辨率的要求。根据现场实际测量的结果，在小信号频域的测试分析中，当响应幅度的分辨率优于110000时，加权系数K=20即可以满足全频域分析的需要，即响应频谱可以精确描述一80dB的测量值。为了便于测量分析，除了对响应函数表示方式的约定外，对测量频率的分辨率和测量频域范围也有相应的规定和要求。在测量频域范围的确定中，考虑到工频仅为50Hz，如果高端频率设定为500kHz，则高于工频约10000倍，对应的电抗(容抗)和响应的变化可以充分满足响应频谱的分析要求。因此，对频响分析法(FRA)测量仪表系统技术参数的要求为：测量频率范围0500(1000)kHz；标称测量频率的偏移应小于0.2%：测量幅度的分辨率优于0.2%。变压器线圈的频谱响应峰值对应的线圈各段对地电位分布是非线性的。这一试验分析表明：在不同的频率下，各线圈间的信号耦合(如图5所示)也是非线性的，因此采用过高的测量频率，除了试验回路中的信号能量散失较大外，对于线圈变形的定量分析也无益处。图5.高频下被试线圈与相邻线圈信号耦合示意图S-信号源 R-匹配电阻 C1-线圈端口电容 L-匝间电感 C14-对地电容现有的测试仪器和分析方法仍然略显繁琐，还可以进一步地简化。如果在测量频域的选择上使测量信号的旁路分量降至最小(如图5所示)，数据采样精度足可以使线圈变形测量的判据具有“唯一性”。但是采用高于工频的单一频率(如1000Hz)电源测量感抗的变化，对于不同容量和不同型号变压器的试验结果是不具有可比性的。这是因为：一些变压器线圈的变形，虽然感抗变化微小，但是变形已经影响到变压器的安全运行。图6. 高频下被试线圈与相邻线圈信号耦合示意图S-信号源 C1线圈端口电容 C匝间电容 L匝间电感 R匹配电阻在这一计算中，并没有考虑测量过程中信号旁路的情况，但是检查发现线圈变形已经严重危及运行安全。而在上述计算中：线圈的感抗变化十分微小。这也说明：频响分析法(FRA)的检测灵敏度很高，而且故障判断的准确性可以不取决于感抗变化。5.5.2频响分析法的测试接线方式由于频谱测量的灵敏度较高，测量引线的长短和布置方式也会对测量结果造成影响，在频响分析试验中，试验的接线是影响试验分析结果的关键所在。因此有必要对测试引线的布置方式和测试信号的注入和采样方式进行约定。对于测量信号引线的布置方式：一般要求信号线距离油箱的距离应大于被试线圈电气联结线间的最小油中距离，通常为不小于lO厘米。测量信号电缆在测量过程中不宜盘绕。应将其完全放开，使测量引线的“电感”与线圈相比可以忽略不计。由于线圈的变形以端部的几率为大，因此对于线圈以星型方式联结中性点引出的接线，应从中性点注入信号，由线圈的线端接取样信号。对于线圈以星型方式联结，但是没有中性点引出的试验接线，由线圈的首端注入信号，将其余两相线圈的首端短接并接取样信号端。对于以联结的线圈，则应由线圈的首端注入信号，该相线圈的末端接取样信号端。对于频谱异常的测试结果，可以考虑颠倒信号端注入端和取样信号端的顺序，重新测量以便判断故障的大致部位。因为当故障部位靠近线圈的某一端时，两次测量的结果会有区别；而当线圈没有故障时，两次测量结果的“一致性”就很好。5.5.3响应频谱分析和线圈变形分析的一般特征在图6的L-C网络中，对应于网络节点的电感和电容，其感抗和容抗为： （5-9）由于被测的线圈与测量取样(匹配)电阻相串联，在响应频谱中，为便于区分和判断，我们将响应频谱中随频率增大而幅度降低的区域称之为“电抗作用区”；而将响应频谱中随频率增大而幅度随之增大的区域称之为“容抗作用区”。虽然实际上在整个测试频域内，除了在起始的低频段内的测试系统为“感性”的外，其余绝大部分都是呈“容性”的。为了分析响应频谱中的“峰值”的偏移情况，同时也是为了便于比较不同的线圈在频域中的变化，将“对应的”进行比较的频谱中的的最低频率作为“归一化频率”的基准。只要将其他的峰值频率与其相除，就可以判断其他“峰值频率”与最低频率下的“峰值频率”的偏移程度P。由此也可以对被测的线圈的等值电感和电容的变化情况进行粗略的判断。 （5-10）对于已经发生线圈变形或位移的变压器线圈的特征图谱具有以下普遍的特征：（1)线圈的特征峰值向高频方向偏移。(2)发生线圈内凹变形、扭转移动、线匝移位、匝间短路的响应图谱的幅度增大。（3）发生线圈段间垫块脱落，线圈高度降低的响应图谱的幅度降低。(4) 变形轻微的线圈的响应图谱也会受到相邻损坏严重的线圈影响，图谱产生歧变。5.5.4影响测量图谱一致性的相关因素由于采用高频测试线圈响应图谱，即使线圈有轻微的变化，都会影响测量图谱的“一致性”。以下几种情况对测量结果会产生影响。(1)无励磁开关分装在变压器器身的两侧；开关引线的长短不同；布线方式(工人的操作习惯)和绑扎方式的不同。（2)因制造过程中的绝缘损伤或缺陷，进行过局部绝缘包扎处理。(3)因制造过程中或运行过程中发生的线圈匝问故障，所进行的更换线匝(如换位导线更换为普通电磁线)；绝缘包扎处理，但是存在残留的原有故障的污染。（4)浸油的变压器线圈，在吊离油箱后因漓油时间长短的不同，造成线圈响应图谱测量的不一致。当漓油时间足够长，浸在油中的线圈和漓油线圈的响应图谱峰值偏差P可以达到约125倍。(5)不同的油温或者测量时的油温处在变化之中，对测量的变压器响应图谱会造成一定的影响。值得注意的是：某些高压为有载调压开关的变压器(尤其是联络变)，当测量时油箱内的温度接近运行温度(70)时的测量图谱，在430470kttz附近有一峰值，甚至超过0dB而达到3dB；而当油箱内的温度降低并接近环境温度时，测量图谱峰值移向高频方向，并渐渐平缓。而根据响应峰值频率下的匝间电位分布，在中部调压的分接区域内的电位梯度较高。这一现象很值得变压器设计制造和运行单位认真加以考虑。因为在较高温度下，某些频率成分的电压，在线圈匝问的电位可能达到相当的比率。因此，在分析变压器操作故障中的快速暂态传输过电压FFT0(Very fast transmit overvoltage)时，应当排除这些低频范围内线圈“内部电位的异常分布”的因素。具有上述情况在变压器的制造检修和运行中一般也能符合相关出厂标准的要求，但是在变压器_线圈的响应图谱的测量分析中，会造成局部频谱在“一致性”方面的差异。这说明：“频响法”不宜作为变压器制作工艺是否完善的评定标准。因此要求测试人员对变压器的结构状况和以往的处置情况有充分的了解，在图谱分析中能够加以区分和判断。5.6 超声检测法目前借助超声波对电力变压器绕组变形进行检测已经作为电力变压器绕组变形检测的新方法。 5.6.1 超声传感技术 超声测试技术涉及到超声波的发射和接受，主要是由传感器外壳、压电晶片、前置电路、吸附用磁铁以及输出端子等组成。传感器的核心元件是压电晶片，一般采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT一5)。这种压电晶片具有较高的机电耦合常数，能有效地发射和接收超声波。超声传感器的原理是基于压电晶片的逆压电效应(承受电场时产生应力和应变)和压电效应(受到应力在材料中产生电场)。用适当的发射电路可以将电能施加到压电晶片上使其作机械振动而发射超声波(逆压电效应)；反之，超声波作用于传感器的压电晶片，由压电晶片将其转换成电信号(压电效应)，再经前置电路中的带通滤波器滤波和放大器放大，对压电晶片输出的微弱电信号就近进行放大处理，以提高超声传感器的信噪比，同时有效地解决超声传感器与检测仪器信号匹配的问题。5.6.2超声检测的基本原理超声波在两种不同声阻抗的媒质中传播，从一种媒质进入另一媒质时，由于两种媒质的声阻抗相异，则在两种媒质的界面会产生反射变压器绕组变形超声波检测正是基于这一基本原理实现的。如图7所示将超声探头置于变压器油箱外表面，超声探头在高压电脉冲激励下，发射脉冲超声波，超声波穿透变压器箱体钢板进人变压器油中传播，在油与绕组界面，由于声阻抗相异而产生反射渡，反射回的超声波为超声探头接收并被转换成电脉冲信号。显然若能测出超声渡在箱体表面与绕组之间的传播时间(发射渡与反射渡间的时间)，根据超声渡在油中的传播速度(超声波在媒质中的传播速度为已知量)，即可计算出箱体表面距绕组表面的距离。图7.基本原理示意图设超声波在变压器油中的传播速度为c(已知量)超声波在箱体表面与绕组表面之间传播往返所须时间为t，则有 （5-11）式中，L为超声波探头至绕组表面的距离。若能测出超声波在箱体表面与绕组表面之间往返的传播时间t，根据上式即可计算出超声探头至绕组之间的距离。如果考虑变压器箱体钢板的厚度，则上式可改写为 （5-12）式中L为变压器箱体钢板厚度5.6.3 绕组变形超声检测装置的工作原理变压器绕组变形超声检测装置电路原理框图如图8所示。其工作原理如下：发射电路产生高压电脉冲激励超声探头发射脉冲超声波，超声波在变压器箱体钢板和变压器油中传播，在绕组表面产生反射回渡，反射回的脉冲超声波为超声探头接收并转换为电脉冲信号。电脉冲信号经前置放大和高频放大电路放大，由检波电路检波之后进人视频放大电路，视频放大电路输出信号加至示波器y偏转板，配合水平扫描电路，即可在示波器荧屏上显示发射超声波和反射超声波随时问变化的波形，供操作人员观察并监视测量状态。检波电路输出的另一路信号经放大整形电路整形，经与门送至脉冲一方波变换电路，将脉冲信号变换成方波信号，方波信号的上升沿对应脉冲发射波前沿，其下降沿则对应反射脉冲波前沿，即该方波的宽度对应超声波由发射到接收的时间(超声波在箱体表面与绕组之间往返所用时间)。方波信号经接口电路送人单片机，下跳沿启动计数器，上跳沿关闭计数器，由此测量出超声波往返所需时间，运用式(5-10)或式(5-11)即可计算出绕组表面至变压器油箱壳体表面的距离。显然，变压器绕组发生凸凹变形时，这个距离是变化的。反应绕组表面至变压器油箱体距离的全部测量数据送人计算机，由计算机处理并且绘出绕组表面展开图形，从该图形上清楚反映出绕组变形程度及部位。图8.检测电路原理框图5.7在线监测变压器绕组变形现有的关于变压器线圈变形的频谱响应故障分析方法，是在离线方式下进行的。而目前一些文章报道的在线测量技术。5.7.1变压器在线检测的经济意义 随着变压器现代维护技术的发展，产生了状态监测。它打破了以往收集变压器信息收集的局限性。现代科技进步使微电子技术、传感技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压设备的状态监测成为现实。国内外应用的各种在线检测装置和方法相继投入到电网和变电站，从而积累了许多在线监测的经验，促使在线监测技术上不断完善。变压器在线监测技术的优越性是以微处理技术为核心，具有标准程序软件，可将传感器、数据收集硬件、通信系统和分析功能组装成一体，弥补了室内常规检测方法和装置的不足。5.7.2变压器在线监测的条件和特点 变压器在线监测的先决条件是与计算机联网，利用IT技术通过标准化软件或浏览器获得变压器状态信息。通过系统的分析，计算测到的数据，并结合专家系统做综合职能分析，其技术监测的技术优越性主要体现于它具有自身自检的功能和专家系统结合后具有综合判断故障的能力。由于在线监测的最终目的是延长变压器设备的寿命，提高电力部门的供电质量和经济效益。所以在线监测装置的造价不能太高。根据国内电力部门的统计分析如果将变压器的事故率定位0.5%-1%,那么在线监测的费用不应超出这一范围，变压器在线监测的主要特点是通过连续检测变压器一段时间内的参数的变化趋势来判断变压器的运行情况5.7.3变压器在线监测的原理和程序虽然变压器在线监测的内容和目标不同，但基本原理是相同的，它通过安装在变压器上的各种各样高性能传感器，连续获取变压器的状态信息，在线监测远侧上不允许出现误报警和漏报。在线监测装置通过智能软件系统和软件规则程序实现自动检测。 在线监测系统的判定并非根据所测量的参数绝对值，而是根据测量参数随时间的变化趋势进行判定，它的工作程序是通过与计算机联网，在很高的自动化条件下收集、存贮状态分析故障分析根据职能专家系统的经验判定故障位置提出维护方案。5.7.4变压器绕组变形的在线监测变压器绕组变形是由于绕组经受了轴向、幅向力的作用以及强大的短路里作用。常规的检查只能看到高压绕组的状况，而在高压绕组内部中，低压绕组所发生的形变根本无法看到。变压器绕组在线监测的基本原理是根据变压器绕组的短路电抗值的变化进行变形与否的监测和判断。因为绕组的短路电抗值与绕组的变形程度几何尺寸以及位置变化密切相关，即短路电抗直接取决于绕组的几何结构。在工频变压不变的情况下，短路阻抗及阻抗中的电感分量与变压器绕组的几何形状和位移相关，通过理论研究和实际测试，实时监测绕组短裤电抗的变化对在线监测变压器绕组变形具有很好的实效性。6 结语1.常规的试验方法对变压器变形都不灵敏，所以常规方法智能用于一般测试。2.视频窥视探测法需要先对变压器进行吊罩，因此这种方法是用电气试验法分析后对有怀疑的变压器进行定性定量检查的方法。3.短路阻抗值的变化直接与变压器绕组的结构相关，但是常规的电流表、电压表不能满足以变压器绕组变形测试为目的的变压器短路阻抗测量。以变形测试为目的的变压器绕组短路阻抗测试仪，除应具有良好的测试精度外，尚要有良好的抗干扰能力。变压器绕组三相间的短路阻抗值的差异一般皆小于2，三相间短路阻抗值3的差异应认为是变压器短路阻抗的明显变化，必须引起足够的重视。阻抗法实施简单，又有标准可循，仍不失为一种互补的手段，尤其是对大量的中、低压等级的变压器。4.利用低压脉冲法测试系统对变压器绕组进行变形的测试时，可根据时域响应波形是否发生畸变，并辅以传递函数极点是否频移及极点幅值是否变化来判断变压器绕组是否发生变形。使用低压脉冲法进行变压器绕组变形的测试时应充分注意脉冲源的稳定性、接地方式及周围环境。5.关于变压器线圈变形的频谱响应故障分析方法，是以线圈的响应为“指纹”，判断线圈图谱有无变化。虽然测量灵敏度高，但是测量分析工作量大，测量时间约需1至2小时。要求测试人员具有广泛的变压器结构和图谱分析经验。现有的关于变压器线圈