《一种基于传递函数的变压器绕组变形在线监测技术分析》7200字（论文）

一种基于传递函数的变压器绕组变形在线监测技术分析目录TOC\o"1-2"\h\u198771绪论 1221951.1选题背景及其意义 1201401.2国内外研究现状 2197161.3主要研究内容 5352变压器绕组变形分析 5311082.1电力变压器的结构 5293902.2变压器绕组变形 7145132.3本章小结 9156073变压器绕组的传递函数法分析 10325803.1传递函数法 1010793.2辐向力变形 1197903.3轴向力变形 11123403.4本章小结 13312594绕组变形分析 14166835结论与展望 18312425.1结论 1841575.2展望 181绪论1.1选题背景及其意义1.1.1选题背景随着时代的进步，“特高压输电网络”成为一种需求。自我国首条500kV特高压输电线竣工投产以来，中国形成了500kV骨干输电网架[1]，但在后续发展中已经不能满足需要的大容量、远距离的输电需求。因此电力系统需要建立大容量、远距离、高电压的输电网络，即“特高压输电”，主干网由1000kV特高压交流输电网络构成，然后按照不同等级的电压传输网络，其基本特征是：具有明确的网络结构和强大的网络性能。[2]。变压器是电网中的关键设备，它的安全和稳定是影响电网整体安全的关键因素，对其故障的原因进行了深入的研究。变压器内部故障、本体受损严重时，其电气量和非电气量的特点比较明显，故障诊断相对简单，而变压器内部故障的诊断主要是针对变压器故障后的电气量和非电气量[3-4]，而对变压器内部潜在的潜在故障的探测尚处于初期，对绕组的小故障没有足够的响应。有关研究发现，在运行中的变压器发生了多次的外部故障，也就是区外故障，其最直接的后果是变压器自身绕组的变形，最终导致变压器匝间故障。而匝间故障是变压器故障的重要因素[5]。1.1.2绕组变形在线监测的意义通过实时监测电力设备的工作状态，评估其工作状态，可以显著地提高其运行安全，延长其使用寿命，并显著提高其利用率。所以，在变电所内，设计一种能够实时监控变压器绕组的监控系统，具有十分重要的实际应用价值。变电所的工作状态和电力设备是否安全、可靠，能够及时地发现各种异常和危险，并根据具体的情况，采取相应的预防措施，防止事故继续扩大，造成更大的经济损失。确保设备的正常工作，是保障整个系统安全运行的关键。通过实时监控的数据，对设备检修周期进行科学的规划，可以降低常规检修模式下的工作量，降低检修操作造成的断电事故。所以，对大容量变压器的绕组进行监控，检测其内在的隐含故障，并对其进行预知检修具有重要的实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1检修制度的发展改善电气设备的运行可靠性主要有两个方面：一是改善电设备的品质；二是进行合理的检修与维护。18世纪，电力设备的维修方法以“事后维修”/“故障维修”为主，是最早的维修方法。它的基本原则是，当要维修的设备发生了故障，影响到了系统的正常工作，那么它就必须进行维修。这种维修方法最大的问题就是设备有问题后再进行维修，只适合设备少、影响小的系统，但对现实中的系统来说，却会造成断电，影响到人身、电网和设备的安全。19世纪的电力设备维修方式以预防性维修为主，其维修方式大致可分为五大类型：定期维修(2)基于可靠性的维修(3)故障查找模式(4)使用直至受损的重新修理(5)主动维护虽然，预防性维护的出现为设备维护带来了一定的经济利益，而且可以使电器的工作保持在一定的可靠度，从而延长设备的使用寿命，但也存在缺点：要停电进行，周期性进行，而状态量在设备处于停电时和运行时检测到的值不一样，定期维修时间间隔难确定。20世纪70年代，美国第一次采用了状态检修模型。状态维护模式能够实时、高效地判断被监测设备的运行状态，从而决定最佳维护时间。随着电网的发展，预防性维修的缺陷日益突出，而我国实行状态检修制度，更加注重设备的使用情况，应将故障诊断与在线监测相结合。设备状态良好，绝缘性能稳定，检验周期将大大延长。因此，要加强对设备的实时监控，及时地反映出设备的状态。1.2.2绕组变形监测方法通常采用低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法来监控绕组的变形。(1)低压脉冲法低压脉冲法是利用一种传递函数对变压器绕组变形进行分析的方法。“低压”是在变压器的一端绕组上施加100V的电压信号，然后测量初级和次级的接地电压。(t)和(t)，从而得到如下图1-1所示的“二端口”网络的传递函数h(t)或H(jω)，即：h(t)=Vo(t)/Vi(t)(1-1)h(jω)=Vo(jω)/Vi(jω)(1-2)根据上列式（1-1）和（1-2）所示数学表达式来判断变压器绕组的变形状况。图1.1低压脉冲法原理示意图目前，对变压器绕组能否通过出厂短路试验的检测，多采用低压脉冲方法。而在实际运行中，由于受多种因素的影响，检测结果的重复性较差，测量结果不能比较，而且对线圈头部分的变形也不敏感，很难准确地判断出线圈的变形位置[6]。(2)短路阻抗法用电阻法对变压器绕组的变形进行测试是领域内首次使用的方法。在实际工作中，变压器的工作电流很难达到额定工作电流，而且在变压器绕组变形的早期，所需的数据变化非常小，尤其是在测量设备中，这种细微的变化是很难被测量设备检测到的。因而，该方法更适用于某些变压器绕组已发生明显或十分严重的变形。(3)频率响应法频率响应法是在1978年由加拿大的C.C.Erven和E.P.Dick最先提出的，随后在国内外得到了广泛应用[7]。变压器绕组是一种双端网络，它可以用一条频率响应曲线来表示，由式(1-3)来确定输入信号与输出响应的函数关系，然后依次画出一个频率响应曲线，以反映变压器绕组的运行情况。(1-3)利用频率响应曲线法，对绕组的变形进行了详细的分析，即在绕组的一端输入端上加一个稳定的扫描信号，通过对各绕组的输入、输出进行信号处理，得到各绕组的频率特性曲线，并将其与已有的频率特性曲线进行对比，以确定绕组的变形。结果表明，采用频率响应法可以较精确地判断绕组的变形。1.2.3传递函数法变压器绕组本身可看作一个无源四端元件，对于线性电路网络，它的传递特性是由其自身的特性决定的，它与网络的拓扑结构和器件的参数有关。在实际的变压器绕组中，该电路的结构和各个元件的参数都已经被确定。当变压器绕组发生变形时，其等值电路的参数及传递函数也随之改变。因此，传递函数的改变可以反映变压器绕组的变形[8-9]。理论上，传递函数不依赖于所加激励信号，但在实际应用中，其频带宽度、采样速率、采样时间等因素都会对其传输函数有一定的影响。低电压脉冲一般采用冲击截波，其灵敏性与脉冲的陡度、幅值等相关，因此对波形和幅值的重现性要求更高。从传递函数法上判定绕组有无变形，依据的是传递函数谱图的不同，按照不同的对比目标，可以将其划分为纵向和横向两类。纵向比较的目标是同一变压器在不同时刻测量的传输函数谱图。目前，许多电力部门都对变压器绕组的变形进行了全面的测试，将各绕组在投入使用之前的传递函数曲线进行了详细的分析，以便在今后的工作中根据新测量到的数据和原始数据进行对比，从而判断出绕组的变形情况。采用横向比较法，可以在无初始频谱记录的情况下，对变压器三相绕组的传递函数频谱图进行横向对比，从而诊断出线圈的变形情况。1.3主要研究内容本文对变压器的基本结构进行了详细的分析，并对绕组变形产生的原因、危害进行了分析，掌握了变压器绕组变形在线监测的方法，特别是传递函数法的基本原理。2变压器绕组变形分析2.1电力变压器的结构变压器是电网中最昂贵的设备，如果出现故障，将会给电网带来巨大的经济损失[10-11]。轻微的绕组变形是绕组仍然能够正常工作而不发生明显的变形，但是随着失效的严重程度的增大，它会造成绕组绝缘的损伤或机械强度的下降，而变压器的正常工作条件将会受到损害[12]。因此，能够及时、准确地监测和预警绕组发生轻微变形的情况，可以有效地防止绕组的进一步损伤。随着智能电网技术的飞速发展，对电力设备进行在线故障诊断的深入研究和开发已经成为一种必然。传统的离线诊断变压器绕组变形故障，已不适应智能化电网发展的需要。为了对变压器绕组的变形进行在线诊断，已有许多学者进行了大量的工作[13-14]。1.铁芯铁芯是变压器中的一种关键部件，它能构成一套完整的磁回路。绕组以铁芯为缠绕轴，需要满足电磁、机械强度等方面的高要求。变压器铁芯是用硅钢片制成的，它的磁导率高，运行损失低。对铁芯材质的需求：①厚度应均匀，允许厚度偏差较小；②卷材必须平滑，不得有波纹；③外保温涂料必须坚固，不得脱落；④应具有较高的导磁性能，且损失要尽可能少。2.绕组绕组是变压器中的关键部分，是整个变压器内部线路的主体。绕组是变压器的“心脏”，因为变压器是通过它与外部电网连接的。变压器的原理是通过电磁感应实现，可分为升压和降压。变压器分为初级和次级，通过初级和次级的不同配合实现的升压和降压两种功能。三相绕组之间的连接方式也可以分为三角接线和星形接线，这样，变压器的绕组接线方式便可以有多种形式，如Y/Y，Y/△，Y/Y/△等形式。在变压器中，绕组和铁芯组成了它的电磁感应系统，它起着主要作用。绕组是通过导线绕制而成，导线的材质有铜材质和铝材质。因为导线是用绝缘材料包住的，所以绕制变压器铁芯的每个线圈都是彼此隔离的，绝缘材料的主要功能是使绕组的匝间绝缘。（1）绕组构造型式按绕组的结构和缠绕特性，可以分为：圆柱形（或层状）绕组和饼形绕组。主要是饼形绕组，又分为连续绕组、纠结式绕组和螺旋绕组。（2）生产绕组必须遵循的基本原理变压器的工作可靠与否，直接关系到绕组的结构设计与生产的质量。通常，不同的绕组，根据不同的电压等级、容量和工作环境，可以选择不同的结构型式，但是，不管是什么绕组，其生产工艺必须符合一定的工艺要求。3.油箱及附件变压器有干式和油浸两种类型。油浸式和干式不一样，它的绕组和铁芯都是装在一个装有绝缘冷却油的油箱中，油箱是用钢板焊接的，起到机械支撑、冷却、散热、绝缘保护的作用。(1)油箱结构形式根据变压器容量、电压等级、使用地点和用户需求的不同，设计出各种形状的油箱。(2)油箱的主要附件贮油柜、套管升高座、磁屏蔽、压力释放阀、散热器或冷却器等都是油箱的主要附件。2.2变压器绕组变形电力工业标准DL/T911-2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》指出，变压器绕组在运行过程中，由于受到机械或电动力的作用，绕组在轴向或横向上都会产生变形，其原因是绕组的局部变形和位移的扩大。2.2.1绕组变形发生的原因已有变压器事故统计表明,绕组发生故障的比例较高[15]。变压器绕组在受到短路电流冲击或传输过程中的机械碰撞而发生变形，但实际上，除上述原因外，还存在其它因素，下面对主要原因进行分析。1.短路电流冲击对变压器绕组变形的影响最大的是电网内的短路电流对绕组的冲击，由于电网的运行状况比较复杂，而导致这种冲击无法避免。变压器上施加的电动力按其与线圈轴的方向，竖直或水平方向来划分，即径向和轴向也称横向纵向，示意图可见图2.1所示。而根据电动力的影响，也就是压缩或扩张，径向力可以分为压缩径向力和扩张径向力如下图2.2所示。在工作中，变压器所承受的压力与其线圈及电流的方向有关。在采用双绕组绕制变压器时，如果在一定的绕组位置和电流方向上，所受的径向力不仅使外线圈产生拉力，而且内线圈也会受到外线圈的压力。所以，要想增加线圈对这种拉力和压力的抗性，就需要一个绝缘圆筒来提供支持。虽然有了绝缘圆筒，但内部的线圈不仅要承受外部的压力，还要承受外部的压力。如果变压器上的短路电流够大，很有可能会造成线圈的负荷超过临界值，造成永久的变形，无法修复，久而久之就会发生故障。图2.1轴向力和径向力示意图图2.2径向力示意图变压器绕组变形和故障是一个日积月累的过程。对于变压器来说，当系统发生短路时，一定会产生纵向或横向的作用力，当作用力达到一定程度，超出了线圈和绝缘支撑的承受能力，就会发生变形。在初始阶段，绕组的变形主要是局部的，如鼓包、扭曲等，这种轻微变形，次数增多后其强度也会增加，逐渐出现匝间故障和绝缘击穿等。2.意外冲撞众所周知，因为变压器体积笨重，在运输、安装时会产生碰撞和振动，所以就使得变压器的绕组受到机械力的影响，也会使线圈和绝缘支撑承受更大的压力，从而产生变压器绕组的变形。继电保护是保证电网安全、稳定运行的关键，但其保护死区和动作失灵是不可避免的，从系统故障开始到故障被切断，如果不能及时切断，将会在系统中持续很长一段时间，从而加大短路电流的作用力，最后引起绕组的变形。4.绕组自身属性在设计制造变压器是一定要选择合适的绕组，才能让它经受住短路冲击电流产生的合应力，从而降低绕组的变形几率。但实际情况是，由于故障具有不确定性，很难预测出短路电流的大小，所以在设计和生产过程中，变压器的短路电流不能得到充分的考虑，从而导致了变压器绕组的变形。2.2.2绕组变形的危害绕组变形是变压器中常见的一种隐患。通过对多个变压器的实际测试，可以看出，绕组发生变形后，很难检测到绝缘测试和油压测试，因此有潜在的故障。根据第十二次国际电力系统大会的评估，变压器线圈的很多绝缘失效都是由初始的机械损坏引起的。当变压器受到短路电流的冲击而产生局部变形时，虽然不会立刻造成直接的破坏，但也会造成很大的安全隐患。绝缘距离的改变导致了固体绝缘的损伤，并产生了局部放电，在出现闪电过电压时，匝间和饼间会产生击穿，进而导致绝缘失效。线圈的力学性能降低，在再次出现短路事故时，线圈将无法经受较大的电气动作而损坏。因此，应主动检查变压器的变形，及时发现故障并进行全面的维修，既能节省大量的人力和财力，又能防止其发生事故。2.3本章小结本章主要介绍了电力变压器的结构有铁芯、绕组、油箱及附件，熟悉了变压器绕组变形是因为什么原因而产生的，还有绕组变形会带来怎样的危害。

3变压器绕组的传递函数法分析3.1传递函数法3.1.1传递函数法的原理传递函数法是由加拿大的R.Malewski和B.Poulin于1988年首先提出的[16]，该方法最初是为了研究变压器的绕组绝缘性能而进行的。一种获取变压器绕组传输函数的方法是采用低电压脉冲[17]，将绕组两端分别作为输入和输出端，通过对变压器绕组的一端加激励信号，测另一端的激励响应并通过快速傅里叶（FFT）将其转换为频域函数，由此得到一种传递函数[18-19]。定义电力变压器的转移电压传递函数、转移电流传递函数为：或(3-1)式中，、为两端的电压频域特性；、为两端的电流频域特性。在实际的变压器线圈中，其等值电路的拓扑和各部件的参数均已确定。变压器绕组变形后，其等值线路参数和传递函数都会发生变化。所以，传递函数的变化能够表征变压器绕组的变形情况。3.1.2传递函数法对绕组变形程度的分析与判断采用传递函数法，对绕组在不同时刻的传递函数曲线进行比较，以确定绕组的变形程度。对样板模式和待检模式的两条传递函数曲线，若两条传递函数曲线的采样点序列分别为、(k=1,2,...,N)可以使用两条曲线的相关系数和差值的均方根来反映传递函数曲线差异的大小：(3-2)(3-3)相关系数是用来描述两条曲线相似度的，而平均方根差是用来描述两者间的绝对差值[20-21]。当两条曲线的相似性愈大时，其相似性愈大，而平均方根差愈小，则表示两条曲线愈趋相近。在运用传递函数进行绕组变形诊断时，一般都是将各阶段绕组的传递函数曲线进行对比，从而得出了一种纵向、横向对比的结论。3.2辐向力变形在双绕组变压器中，线圈的电流方向相反，使得外绕组辐射电功率向外，从而引起内绕组向内的张力。一般情况下，内绕组绕在绝缘圆筒上，其内壁由撑条支承，由于辐向力的存在，使其产生弯曲应力[22]。在承受一定强度的情况下，拉条之间的金属丝会由于较大的弯矩而产生挠曲变形。比较常用的辐向变形方式是绕组局部凸起，形成鼓包状，如图3.1所示。图3.1辐向电动力引起的绕组局部突出变形3.3轴向力变形在一定的轴向电动作用力下，垫片之间的导线会由于过度的扭矩而产生永久性的变形，这些变形往往是在圆周上对称的。如图3.2所示。图3.2轴向力引起的绕组纵向对称变形轴向电动力还可能使绕组产生轴向位移，或者造成绕组中部撑开，如图3.3所示，更为严重的情况造成一些线饼的倒塌，如图3.4所示。图3.3绕组中部撑开变形图3.4线饼倒塌当绕组轴向位移时，一般是多个线饼沿轴向运动，这时，仅对绕组的整体位置进行分析，而对内线电阻的变化则不予考虑。对于等值电路，它可以忽略单元内的参数变化，而仅考虑邻近单元之间的参数变化。当绕组中部撑开或线饼倒塌时，因线饼的倾角，使变形区域内的线饼之间的几何电容及相应元件的对地电容发生改变。3.4本章小结本章介绍了传递函数法，利用其分析并判断绕组变形程度，介绍了两种变压器绕组变形，一种是辐向力变形，另一种是轴向力变形。

4绕组变形分析4.1不同类型不同程度的变形分析近年来，基于传输函数曲线的