变压器绕组变形测试讲义

讲义 变压器绕组变形测试技术及其应用 Transformer Winding Deformation Test Technology & Application 2000 年 5 月 １ 目 录 1 前言 1.1 什么是绕组变形? 1.2 绕组变形的原因 1.3 绕组变形的危害 2 绕组变形的测量方法 2.1 阻抗法 2.2 低压脉冲法 2.3 频率响应法 3 频率响应法的原理 3.1.1 变压器线圈的等值电路 3.1.2 空心电感的电感量计算及变化分析 3.2 绕组变形种类以及变形在等值电路中的等效分析 3.2.1 整体变形 3.2.2 局部变形 4 变压器绕组变形测试仪 4.1 测试仪组成 4.2 主要技术参数 4.3 特点 5 现场测试过程中的注意事项 5.1 对测试环境的要求 5.2 对变压器状态的要求 5.2.1 对引线、周围接地体和金属悬浮物的要求 5.2.2 对分接位置的要求 5.2.3 对接地的要求 5.2 测试接线方式 5.2.1 YN 接线 5.2.2 Y 接线 5.2.3 对于 Δ接线 5.2.4 有平衡绕组的变压器 ２ 5.2.5 套管末屏取信号的问 5.2.6 其它注意事项 6 绕组变形波形分析 6.1 频率响应图谱的特征 6.1.1 差异是绝对的 6.1.2 具有相对的一致性 6.1.3 低压绕组的一致性较好 6.1.4 厂用变压器的一致性较差 6.1.5 三相变压器的一致性较好 6.2 变形测试的判断 6.2.1 低压绕组为主，高、中压绕组为辅 6.2.2 横向比较为主，纵向比较为辅 6.2.3 低频段为主，中、高频段为辅 6.2.4 波形观察为主，相关系数判断为辅 6.2.5 综合判断 6.3 绕组变形程度的分类 6.4 变压器绕组变形判断程序 7 绕组变形测试仪的检验 ３ 1 前言 变压器是电力系统中重要的设备之一，它的正常与否直接影响电力系统的安全运行。 近年来变压器短路故障呈现上升趋势，造成变压器绕组损坏的几率增加，严重威胁变压器 的正常运行。据国家电力公司不完全统计，仅在 1990 年至 1997 年间国内 110kV 及以 上电压等级的变压器，因遭受短路故障电流冲击直接导致的损坏事故约为 145 台次，占同 期总事故台次的 31%，如表 1.1 所示。而对于厂用变压器(包括厂变和备变)，该问题则显 得更加突出。一方面，变压器绕组抗短路能力的设计水平不够，有待变压器生产厂家 的改进和提高；另一方面，迫切希望有一种方法能快速准确地对变压器绕组是否发生有害 变形进行诊断，以便及时应用于变压器绕组故障的判断和决策实践。这种方法就是变压器 绕组变形测试技术。 表 1.1 1990～1997 年变压器短路损坏事故统计表 年份 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 事故总台次 34 56 76 69 57 59 58 55 短路事故台次 2 3 18 22 21 29 29 21 短路事故占总事故比例(%) 6 5 24 32 37 49 50 38 1.1 什么是绕组变形? 电力行业标准 DL/T911－2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》对绕组变 形的定义是：电力变压器绕组在机械力或电动力作用下发生的轴向或径向尺寸变化，通常 表现为绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征。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。 1.2 绕组变形的原因 造成绕组变形的主要原因有： 1.2.1 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 器出口或近区短路故障，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。 短路故障电流冲击是变压器绕组变形的最主要外因。 众所周知，电力变压器线圈是以绝缘垫块隔开的铜或铝线段所构成的。这种系统的动 特性在发生突发短路时是变化的。因为绝缘垫块的弹性与其压紧程度有关，即与作用力有 关。电动力本身也不是恒定不变的，而是按照复杂的规律变化。虽然对短路时作用在变压 器线圈上的电动力的研究始于四十年代，但是由于动态过程分析的复杂性，到目前为止尚 不能用理论计算结果正确反映出变压器承受突发短路电流冲击的能力。 理论分析表明，作用在变压器上的电动力可分为轴向（纵向）和径向（幅向、横向） 力两种。径向力的作用方向取决于线圈相互位置及其电流的方向，对双线圈变压器而言， 径向力拉伸外部线圈，压缩内部线圈，为了提高内部线圈对径向力的刚度。通常是将线圈 绕制在由绝缘筒支撑的撑条上。此时，该线圈不但要承受到压缩力作用，还会同时受到撑 条所产生的弯曲力作用。如果所受到的合应力超过线圈刚度的屈服点，必将导致线圈发生 永久变形，出现经常见到的梅花状或鼓包状绕组变形现象。 变压器线圈遭受到的轴向力可使线段和线匝在竖直方向弯曲，压缩线段间的垫块，并 部分地传递到铁轭，力求使其离开心柱。通常，最大的弯曲力产生在位于线圈端部的线段 中，而最大的压缩力则出现在位于线圈高度中心的垫块上。当线圈不等高时（主要由于调 压分接头所致）或磁势分布不均匀时，轴向力较之径向力更能引起变压器事故。 ４ 由此可见，当变压器在运行过程中遭受突发性短路故障电流冲击时，每个线圈都将受 到强大的径向力和轴向力的共同作用。变压器绕组初始故障的表现形式大多表现为内绕组 出现变形（尤其是对自耦变压器），发生鼓包、扭曲、移位等不可恢复的变形现象，其发展 的典型形式是绝缘破坏，随后出现饼间击穿、匝间短路、主绝缘放电或完全击穿。 1.2.2 在运输、安装或者吊罩大修过程中受到意外冲撞 电力变压器在长途运输、安装或者吊罩过程中，可能会受到意外的冲撞、颠簸和振动 等，导致绕组变形。 1.2.3 保护系统有死区，动作失灵 保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受稳定短路电流作用的时间长，也是 造成变压器绕组变形故障的原因之一。粗略统计结果表明，在遭受外部短路时，因不能及 时跳闸而发生损坏的变压器约占短路损坏事故的 30%。 1.2.4 绕组承受短路能力不够 当变压器绕组出现短路时，会因其承受不了短路电流冲击力而发生变形。近几年来， 对全国 110kV 及以上的电力变压器事故统计分析表明，因绕组承受短路能力不够已成为电 力变压器事故的首要内部原因，严重影响电力变压器的安全、可靠运行。 ５ ６ 1.3 绕组变形的危害 绕组变形是电力变压器安全运行的一大隐患。多台变压器的实际试验经验表明，绕组 变形后，绝缘试验和油的试验都难于发现，所以表现为潜伏性故障。 按照第 12 届国际大电网会议委员会的评估，变压器绕组的许多绝缘故障均是由于绝 缘的最初机械损伤造成的。变压器在遭受短路故障电流冲击，绕组发生局部变形后，即使 没有立即损坏，也有可能留下严重的故障隐患，例如： a. 绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生，当遇到雷电过电压作 用时有可能发生匝间、饼间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部 放电的长期作用而发生绝缘击穿事故。 b. 绕组机械性能下降，当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力作用而发生 损坏。 既然变压器绕组变形不可避免，怎样检测变压器绕组是否发生了变形？变形的程度如 何？能否继续运行？如果有严重变形，变形的位置? 怎样处理？ 因此，积极开展变压器绕组变形诊断工作，及时发现那些有绕组变形的变压器，并有 计划地进行吊罩检查和检修，不但可节省大量的人力、物力，对防止变压器事故的发生也 有及其重要的作用。 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。 国家电力公司在国电发[2000]589 号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要 求》中，已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。相 关部分条款摘录如下： (1)第 15.2.5 条：对 110kV 及以上电压等级变压器在出厂和投产前应做低电压短路 阻抗或用频响法测试绕组变形，以留原始记录； (2)第 15.6 条：变压器在遭受近区突发短路后，应做低电压短路阻抗或用频响法测试 绕组变形，并与原始记录比较，判断变压器无故障后，方可投运； (3)第 20.2.9 条：订购变压器时，应要求厂家提供变压器绕组频率响应特性曲线、做 过突发短路试验变压器的试验报告和抗短路能力动态计算报告；安装调试应增做频率响应 特性试验；运行中发生变压器出口短路故障后应进行频率响应特性试验，绕组变形情况的 测试结果，作为变压器能否继续运行的判据之一。 2004 年 12 月 14 日，国家发改委发布了电力行业标准 DL/T911－2004《电力变压 ７ 器绕组变形的频率响应分析法》，该标准适用于 6kV 及以上电压等级电力变压器及其他特 殊用途的变压器。 2 绕组变形的测量方法 变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的电感、电容分布参数必然发生相对变化。 这是开展变压器变形测试的依据和基础。 常规方法(如测量变比、直阻和电容)诊断变压器绕组是否发生变形是困难的，因其灵 敏度太低。吊罩检查除了需花费大量人力、物力、财力外，对判断内侧绕组有无变形也是 困难的。 作为绕组变形测试方法，主要有阻抗法、低压脉冲法及频率响应法三种。 2.1 阻抗法 最早使用的绕组变形测试方法是阻抗法。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 建议超过 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。 多年来的现场使用经验表明该方法由于受条件所限，现场很难达到额定电流(尤其对大 型变压器)，且对测试仪表的检测精度要求很高，往往难以获得必要的检测灵敏度，有时仅 对那些绕组变形严重的变压器有效。 但阻抗法实施简单，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。 根据电工原理，一个无源、线性、单端输入、单端输出网络的特性，可以用传递函数 H(jω)或 H(t)来描述。变压器绕组是一个分布参数的电路网络，是一个电阻、电感和电容 链，对不同频率的信号源有不同的响应，如在低频下呈现为电感特性而在高频下为电容特 性。因此，可将绕组看作一个两端网络，其中的网络参数反映了绕组结构的固有特性，既 可通过测试其传输比参量随频率的变化(即频率响应)，也可通过测试其对低压脉冲的时域 响应，反映网络参数的变化，反映绕组结构本身特性的变化。这就是频率响应法（简称 FRA-Frequency Respond Analysis）和低压脉冲法（简称 LVI-Low Voltage Impulse） 的测试原理。 2.2 低压脉冲法 低压脉冲法的测试原理如图 2.1 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 Vo(t)和 Vi(t)，并进 行相应的处理，最终得到该变压器绕组的传递函数 h(t)或 H(jω)，即： h(t)=Vo(t)/Vi(t) h(jω)=Vo(jω)/Vi(jω) 然后根据波形变化来判断变压器绕组变形。 图 2.1 低压脉冲法的测试原理图 最早提出并使用低压脉冲法的国家是波兰（1966 年），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 2～3mm 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。 2.3 频率响应法 频率响应法的测试原理如图 2.2 所示。在绕组的一端输入扫频电压信号 Vs（依次输入 不同频率的正弦波电压信号），通过数字化记录设备同时检测不同扫描频率下绕组两端的对 地电压信号 Vi(n)和 Vo(n)，并进行相应的处理，最终得到被测变压器绕组的传递函数 H(n): H(n)=20log[Vo(n)/Vi(n)] 并将频率响应根据频率描绘成曲线来判断变压器绕组变形。 ８ 图 2.2 频率响应法的测试原理图 传统的高压测试技术一般讲究定量分析，并在确定量的基础上作出判断，这对单一参 量的测试非常有效。然而，在技术发展到能测试多种参量的复合信息时，确定量的分析变 得困难。频响测量技术的出现代表了这样的方向。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。从数学上讲，这两个方法是有联系的、是等价的。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。 3 频率响应法的原理 3.1.1 变压器线圈的等值电路 变压器线圈一般都设计为饼式结构，其目的是为了绝缘和耐压考虑的，同时各饼之间 都有间隙，便于散热，各线圈饼对地及对其它相、其它电压等级线圈都有一个临近电容， 线圈自然也有电感。另外套管还有对地电容，引线及接头对地也有电容，所有这些按其所 在结构的位置，都有其所代表的结构参数，所以按其结构，可以构成一个变压器的线圈在 进行测试时的一个等值电路。当频率超过 1kHz 时，变压器的铁心基本不起作用。每个绕 组均可视为一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端口网络，并且忽略绕 组的电阻（通常很小），则绕组的等效网络如图 3.1 表示， ９ Vo Ls Ls Ls Ls Rs Cb CbCg Cg Cs Cs Ls Ls Cs Cs Cs Cs Cg CgCg RVi 图 3.1 变压器绕组的等值电路图 其中： Cg 为绕组对地电容 Cb 为套管对地电容 Ls 为线圈电感 Rs 为扫频信号输出电阻 R 为匹配电阻 Vi 为扫频输入信号，Vo 为响应输出信号，它实际上代表流经 Ro 的电流，则 Vo/Vi 的比值就代表了一种电抗的变化。如果绕组发生了轴向、径向尺寸变化等变形现象，势必 会改变网络的 Ls、Cs、Cg 等分布参数，导致其传递函数 H(jω)的零点和极点分布发生变 化。因此，变压器绕组的变形是可以通过比较变压器绕组的频率响应来诊断的。 变压器设计时，是不会允许在 50Hz 以及附近频率处产生谐振的，所以在低频段，线 圈是感性的。 由于变压器油的介电常数 ε 与油温有一定的关系，所以用三相绕组之间在同一油温下 图谱的比较，更容易判断，以免由于温度改变而产生判断上的失误。 电力变压器绕组的传递函数 H(jω)主要取决于其内部电感、电容分布等参数，大量试验研 究结果表明，变压器绕组的频率相应特性通常具有如下特征： a 当频率低于 100kHz 时，其频率响应特性主要由线圈的电感所决定，谐振点通常很 少，对分布电容的变化较不敏感； b 当频率超过 1MHz 时，绕组的电感又被分布电路所旁路，谐振点也会相应减少，对 电感的变化较不敏感，而且随著频率的提高，测试回路（引线）的杂散电容也会对测试结 果造成明显影响； c 在 100kHz～1MHz 的范围内，绕组的分布电感和电容均发挥作用，其频率响应特 性具有较多的谐振点，能够灵敏的反映出绕组电感、电容的变化情况。 １０ 3.1.2 空心电感的电感量计算及变化分析 从工程计算及电感设计手册可以计算空心电感 L L=KL×N×Dcp×10e-6 (H) Dcp H b 其中： Dcp 为线圈的平均直径，N 为线圈圈数，H 为线圈高度，b 为线圈厚度 KL 为电感系数 KL=f(b,H,Dcp) Dcp 增加，电感量增加。 b 增加，电感量减小。 H 增加，电感量减小。 在单位高度内，线圈圈数 N 增加，则电感量增加；即线圈在单位高度内压缩，则电感 量增加。如果线圈在单位高度内被拉开，线圈等效匝数减小，电感量减小。 对于线圈的等效直径看，一般线圈的导线长度不会变化。如果线圈失圆，则会使等效 直径变小。变形时，电感量则会减小。 线圈厚度一般变形后会发生改变，线圈在受力后压缩成波浪状，厚度减小，电感量会 略有增加。 3.1.3 电容量简化公式 １１ 平板电容模型 假设两板之间的电场为均匀静电场，平行板边长 a，b 与板间距 d 的比值无限大，忽 略的边缘效应，则电容量的简化公式为： d abC ε= ，ε为介质的介电常数 电容量大小与板间距 d 成反比。 3.1.4 谐振条件 简化等值网络 频域传递函数： ( ) go 2 i s 2 g s ss s 1 j CV (j ) 1 H j 1 1V(j ) L C 11j C 1 L Cj C j L ωωω = = =ω ω+ −ω − ω+ ωω g 谐振条件： １２ 2 s g 2 s s 2 s s g s s g s s g L C 1 0 1 L C L (C C ) 1 1 2 f L (C C ) 1 f 2 L (C C ) ω− =− ω ω + = ω = π = + = π + 3.2 绕组变形种类以及变形在等值电路中的等效分析 3.2.1 整体变形 整体变形：这种变形最常见是在运输过程中震动冲击力造成的，这种变形一般整体情 况良好，只是线圈之间相对移动。这种变形一般不改变线圈的电感量和饼间电容，只改变 线圈对地电容。所以其频谱图上各谐振点都存在，只是都向高频方向平移。另外在受电动 力时，如有几根撑条受力移动位置或脱落，在受力消失后，则在原来的压紧力的作用下向 一边偏心，同时由于电动力造成内线圈收缩或外线圈扩张，高低压线圈之间的距离改变， 对地电容减小，使谐振频率均向高频方向移动。谐振频率的改变量在较小的变化时与变形 量成正比。其频谱图上的最大特征是，各谐振峰都对应存在，只是平移。这种变形一般引 线都分别牵动，300kHz 以上将有一定的改变。 整体压缩：线圈在电磁力或制造工艺的原因，会出现高度尺寸上的压缩。线圈在高度 上的减小，将使线圈的总电感增加；同时使线圈饼间的电容增加。在对应的频谱图上，变 形相曲线将出现第一个谐振峰向低频方向移动；同时第一谐振峰还将伴随着幅值升高；中 高频部分的曲线与正常相的频谱曲线相同。 整体拉伸：线圈在出现固定压板松动、垫块失落等情况时，会出现高度尺寸上的拉伸。 线圈在高度上的增加，将使线圈的总电感减小；同时使线圈饼间的电容下降。在对应的频 谱图上，变形相曲线将出现第一个谐振峰向高频方向移动；同时第一谐振峰还将伴随着幅 值下降；中高频部分的曲线与正常相的频率曲线相同。 3.2.2 局部变形 局部变形是指线圈的总高度未发生改变，或等效直径和线圈厚度尚未出向大面积的改 变；只是部分线圈的尺寸分布均匀度改变，或部分线饼出现小程度等效直径的改变，线圈 的总电感基本不变，所以故障相和非故障相的频谱曲线在低频段的第一个谐振峰点处将重 合，随着部分变形面积的大小，对应的后续几个谐振峰将发生位移。 局部压缩和拉开变形：这种变形一般认为是由于电磁作用力造成的，由于同方向的电 １３ １４ 流产生的斥力，在线圈两端被压紧时，这种斥力会将个别垫块挤出，造成部分被挤压，而 部分被拉开。这种变形在两端压钉未动的条件下，一般不会牵动引线；这种变形一般只改 变饼间的距离（轴向），在等值电路中体现在并联电感上的电容（饼间电容）的改变上。引 线未被牵动力的条件下，频谱的高频部分将变化很小。线圈整体并未被压缩，只有部分饼 间距离拉开，部分饼间距离压缩。频谱图上可以看到，有部分谐振峰向高频方向移动，并 伴随着峰值下降；而有部分谐振峰向低频方向移动，并伴随着峰值升高。变形面积和变形 程度可以通过比较谐振峰点明显移动所处的位置，（第几个峰）及谐振峰的移动量来估计分 析。局部压缩和拉开变形影响到引线时，频谱图的高频部分将发生变化。局部压缩和拉开 变形程度较大时，低频与中频段有些谐振峰会重叠，个别峰会消失，有些谐振峰幅值升高。 匝间短路：如果线圈发生金属性匝间短路，线圈的整体电感将会明显下降，线圈对信 号的阻碍大大减小。对应到频谱图，其低频段的谐振峰将会明显的向高频方向移动，同时 由于阻碍减小，频响曲线在低频段将会向衰减减小的方向移动，即曲线上移 20dB 以上； 另外由于 Q 值下降，频谱曲线上谐振峰谷间的差异将减少。中频和高频段的频谱曲线与正 常线圈的图谱重合。 线圈断股：线圈断股时，线圈的整体电感将会略有增大。对应到频谱图，其低频段的 谐振峰将会向低频方向略有移动，幅值上的衰减基本不变；中频和高频段的频谱曲线与正 常线圈的谱图重合。 金属异物：在正常线圈中，如果在饼间中存在金属异物，虽然对低频总电感影响不大， 但饼间电容将增大。频谱曲线的低频部分谐振峰将向低频方向移动，中高频部分曲线的幅 值将有所升高。 引线位移：引线发生位移时，不影响电感，所以频谱曲线的低频段应完全重合，只在 200kHz～500kHz 部分的曲线发生改变，主要是衰减幅值方面的变化。引线向外壳方向 移动，则频谱曲线的高频部分向衰减增大的方向移动，曲线下移；引线向线圈靠拢，则频 谱曲线的高频部分向衰减减小的方向移动，曲线上移。 轴向扭曲：轴向扭曲是在电动力作用下，线圈向两端顶出，在受到两端压迫时，被迫 从中间变形，若原变压器的装配间隙较大或有撑条受迫移位，则线圈在轴向扭成 S 形；这 种变形由于两端未变动，所以只改变了部分饼间电容和部分对地电容。屏间电容和对地电 容将减小，所以频谱曲线上将发生谐振峰向高频方向移动，低频附近的谐振峰值略有下降， 中频附近的谐振峰点频率略有上升，而且 300kHz～500kHz 的频谱线基本上保持原趋势。 线圈幅向(径)变形：在电动力作用下，一般内线圈是向内收缩，由于内撑条的限制， １５ 线圈可能发生幅向变形，其边沿成锯齿状，这种变形将使电感略有减小，对地电容也略有 改变，所以在整个频率范围内的谐振峰均向高频方向略有移动。外线圈的幅向变形主要是 向外膨胀，变形线圈总电感将增加，但内外线圈间的距离增大，线饼对地电容减小。所以 频谱曲线上第一个谐振峰和谷将向低频方向移动，后面的各峰谷都将向高频方向略有移动。 变形种类 电感 Ls 饼间电容 Cs 对地电容 Cg 谐振点频率 谐振点峰值 运输冲撞 — — ↓ →(all) — 整体压缩 ↑ ↑ — ←(1) ↑(1) 整体 变形 整体拉伸 ↓ ↓ — →(1) ↓(1) 局部压缩 和拉伸 — ↑ ↓ — → ← ↓ ↑ 匝间短路 ↓ ↑ — →(L) ↑(L) 线圈断股 ↑ — — ←(L) — 金属异物 — ↑ — ←(L) ↑(M、H) 引线位移 — — 靠外壳 ↑ 靠线圈 ↓ ←(H) →(H) ↓(H) ↑(H) 轴向扭曲 — ↓ ↓ → ↓(L)↑(M ) 局 部 变 形 幅(径)向 变形 内 ↓ 外 ↑ — 内 ↑ 外 ↓ → ←(1)→(M H) — 注：all：全部；1：第 1 个谐振峰；L、M、H：低频段、中频段和高频段。 分接开关烧蚀（各档位检查）：带有分接开关的线圈，如果触点烧蚀而较大时，在高频 小电流通过时，由于油膜的影响，会出现小电流下的接触问题，其等值电路可以认为是一 个低阻值电阻和一个电容并联，这个电路插在电感电路上时，与各分支电感电容谐振，会 产生很多的谐振峰，由于电阻的存在，无法形成大的谐振，使谐振曲线上产生很多毛刺， 特别曲线在 40dB 以下时。谐振曲线的总轮廓与正常曲线基本重合。 4 变压器绕组变形测试仪 4.1 测试仪组成 变压器绕组变形测试仪采用的是频率响应法工作原理，其系统的基本组成如图 4.1 所 示。通过计算机的管理和控制，扫频信号发生器依次把输出的不同频率的正弦波电压信号 Vs(t)加到变压器绕组的末端，高速采集系统同时记录该端子及绕组对应首端上的电压信号 Vi(t)和 Vo(t)的波形，并进行相应的数字化处理，得到其在不同扫描频率下的幅值和相位， 然后根据下式求得被测绕组的幅频响应特性或相频响应特性，显示在计算机屏幕中并可由 彩色打印机进行输出。 幅频响应特性：H(f)=20log[Avo(f)/Avi(f)] 相频响应特性：φ(f)=φvo(f)-φvi(f) 图 4.1 绕组变形测试仪的基本组成 4.2 主要技术参数 测试频率范围：1～2000kHz 频率分辨率：0.05kHz 动态检测范围：-100～20dB 输出电压幅度：20Vp-p 量化分辨率：12 位 测试电缆波阻抗：50Ω 匹配阻抗：50Ω 4.3 特点 A 具有自主知识产权的适合嵌入式应用的 BIOS 系统，功耗小，使硬件系统非常的稳 定，非常适合恶劣的试验环境。 B 具有自主知识产权的一体化主板，集信号发生、数据采集、数据处理和数据传输于 一体，能保证主机高度的可靠性。 １６ １７ C 采用 USB 接口，即插即用，通讯速度快，测量时间短。 D 同时测量输入信号 Vi 和输出信号 Vo，并以 Vo/Vi 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造成的测量误差； E 采用 FFT 等数字滤波技术对信号 Vi 和 Vo 进行预处理，极大的增强了测试系统的抗 干扰性能； F 开发的基于 Windows2000/XP 操作系统的采集和分析系统软件，使得参数设置、 数据采集、文件保存、图形分析及报告输出等操作简单易行，数据管理得心应手。 5 现场测试过程中的注意事项 可靠的测试是变压器绕组变形判断的基础。尽管频率响应法是一种高灵敏度的绕组变 形诊断方法，能够检测出微弱的绕组变形现象，且基本不受外界杂散干扰信号的影响，但 由于测试回路中任何电气参数的改变都会灵敏地在频响特性中反映出来，故在测试过程中 应注意以下几个方面的问题，以获得较好的使用效果。 5.1 对测试环境的要求 如果变压器绕组中存在静电电荷，一方面将对频率响应特性产生影响，有时甚至无法 保证前后两次测试结果的重复性；另一方面可能损坏测试仪器。因此，试验前应将被试变 压器线端充分放电。并最好安排在所有直流试验项目(如绕组直流电阻试验、泄漏电流试验) 之前进行绕组变形测试工作。 5.2 对变压器状态的要求 5.2.1 对引线、周围接地体和金属悬浮物的要求 绕组变形测试应在解开变压器所有引线(包括架空线、封闭母线和电缆)的前提下进行。 变压器引线的对地杂散电容往往是不固定的，三相之间也不会完全平衡，引线杂散电容将 改变频响特性曲线。为保证测试结果的重复性，得出精确的诊断结果，应拆除所有与被试 变压器套管连接的引线，并使这些引线尽可能的远离变压器套管(周围接地体和金属悬浮物 需离开变压器套管 20cm 以上)，以减少杂散电容的影响。尤其是与封闭母线连接的变压 器。 5.2.2 对分接位置的要求 绕组的频率响应特性与分接开关位置有关，分接开关的位置不同时，频谱图有较大的 区别。测试时必须正确记录分接开关的位置。 应尽可能将被试变压器的分接开关放置在第一分接，以获取较全面的绕组信息，特别 对有载调压变压器。对于无载调压变压器，应保证每次测量在同一分接位置，便于比较。 5.2.3 对接地的要求 测量过程中接地非常重要，它除了保护仪器设备外，主要是使高频电流的流向必须正 确，否则测量结果将无法一致。 变压器铁心必须与外壳可靠接地。测试仪外壳、测量阻抗外壳必须与变压器外壳可靠 接地。如果接触不良，频率响应曲线有可能出现毛刺等异常现象。 5.3 测试接线方式 频率响应测试的扫频信号建议从绕组的末端注入，首端输出。根据变压器的不同接线 组别，绕组变形测试的接线方式也不同。 5.3.1 YN 接线 扫频信号输入阻抗接于中性点 O，输出测量阻抗分别接在 A、B、C 上。这种测量方法， 可以将非测量相上接收到的干扰信号由信号发生器上的低阻抗来吸收。如图 5.1 所示。 图 5.1 YN 接线 5.3.2 Y 接线 由于中性点未引出，应按以下方式接线，如图 5.2 所示。 输入阻抗接于 A，输出阻抗接在 B 测试。 输入阻抗接于 B，输出阻抗接在 C 测试。 输入阻抗接于 C，输出阻抗接在 A 测试。 图 5.2 Y 接线 １８ 5.3.3 对于 Δ接线 如果有可能将线圈解开测量则是最好，如无法解开则应以下方式接线，如图 5.3 所示。 输入阻抗接于 C，输出阻抗接在 A 相，代表 A 相。 输入阻抗接于 A，输出阻抗接在 B 相，代表 B 相。 输入阻抗接于 B，输出阻抗接在 C 相，代表 C 相。 a b c a b c a b c 图 5.3 Δ接线 由于 Δ接线非测量的两个绕组串联后并联在回路中，理论上说对测试过程是有影响的。 如果衰减超过 10dB 后，则可以认为非测量线圈的影响可以忽略。 5.3.4 有平衡绕组的变压器 对于有平衡绕组的变压器，测试时必须解开接地。如图 5.4 所示。 A B CO Ap Cp A B CO Ap Cp 图 5.4 平衡绕组接线 5.3.5 套管末屏取信号的问题 220kV 及以上(特别是 500kV)变压器的套管很高，给接线带来一定的困难。由于变压 器套管是一无感电容，信号取自套管末屏相当于在变压器绕组上串联一个电容，如图 5.5 所示。这种接线方式同套管首端取信号方式相比，频响曲线波形规律完全一致，只是幅值 衰减增大了 3～10 分贝，即将原曲线向上平移了一段距离。因此前后两次用相同接线方式 时，不影响判断及灵敏度。 １９ Vo Ls Ls Ls Ls Rs Cb Cb Cg Cg Cs Cs Ls Ls Cs Cs Cs Cs Cg CgCg RVi Cg 图 5.5 套管末屏取信号的等值电路 5.3.6 其它注意事项 应保证测量阻抗的接线钳与套管线夹紧密接触。如果套管线夹上有导电膏或锈迹，必 须使用砂布或干燥的棉布擦拭干净。 6 绕组变形波形分析 虽然目前绕组变形的频率响应分析法有了专门的电力行业标准 DL/T911－2004《电 力变压器绕组变形的频率响应分析法》，它的形成主要来源于对物理现象的直觉分析和现场 的经验积累，但是由于电力变压器发生故障是少数，标准中相关系数的判断边界还不完善， 一方面需要在长期的实践中积累判断经验，另一方面，要加快变压器绕组的理论频响模型 的研究。 6.1 频率响应图谱的特征 6.1.1 差异是绝对的 从微观的角度看，变压器由于型号、容量、电压等级、线圈绕法、绕组结构、位置和 引线等的不同，不同绕组的频谱图肯定不同，且有的存在较大的差异，就算是同一厂家生 产的也一样。这一方面说明频响法的灵敏度高，另一方面，使得频谱特征归类不容易。国 产和进口变压器，由于结构设计上有一定的差异，频谱有较明显的差别。 6.1.2 具有相对的一致性 从宏观的角度看，对于制造工艺良好的同一台变压器，其同一侧三相绕组的结构基本 是一致的，测得的频响特性曲线通常具有一定的可比性，特别是对没有分接开关的低压绕 组。这是进行变形诊断的基础。 6.1.3 低压绕组的一致性较好 低压线圈多为连续式绕组，匝数少，结构简单，阻抗小，无分接绕组，因此工艺上三 相易做到一致，频响曲线干扰毛刺少，三相频谱曲线一致性较好。 高、中压绕组则多为饼式或纠结式，匝数多，阻抗大，大多带有分接绕组，结构复杂， ２０ ２１ 反映在频谱曲线上，响应较小，毛刺多，相与相之间的一致性较差。 6.1.4 厂用变压器的一致性较差 厂用变压器(包括厂变和备变)由于多采用双分裂结构，相与相之间的一致性普遍都比 主变的差，且厂用变压器遭受短路故障的几率较高，累积效应造成一致性较差。 6.1.5 三相变压器的一致性较好 三相变压器特征图谱上相与相之间的一致性比单相变压器好。 另外，从绕组的特征图谱上谐振峰的分布情况，可以判断变压器绕组的防陡波特性， 为改善变压器绕组的绝缘设计提供依据。从整体上看，如果一个绕组的频谱曲线上谐振峰 少，比较平坦，则说明一旦陡波（如雷电波，操作波）侵入绕组后，绕组内部发生谐振的 可能性小。因此，危害绕组绝缘的电位分布发生的可能性小，说明设计合理。另一方面， 如果谐振峰上升很快，说明绕组的阻抗函数存在高阶极点，绕组对陡波的响应快，易损坏。 6.2 变形测试的判断 并非所有的变形都会立即危及到变压器的安全运行。因此，就有必要对变形发生的部 位、程度和种类进行仔细的分析和判断，从而为维修决策提供依据。 6.2.1 低压绕组为主，高、中压绕组为辅 实际上，低压绕组发生短路故障的几率要比高、中压绕组高的多。因此，对于大型变 压器而言，低压绕组的频谱是判断变形的重要特征图谱。无论是相与相之间的横向比较， 还是与上次(或原始值)的纵向比较，低压绕组的特征频谱是主要依据。 在分析高、中压绕组的频谱时，应仔细判断频峰的特征。 值得指出的是，各绕组之间的变形会相互影响，这是因为线圈的压缩或膨胀会明显的 改变另一侧线圈的电气分布参数，甚至连带变形。所以，需综合各侧线圈的频谱变化，作 出全面的分析和判断。 6.2.2 横向比较为主，纵向比较为辅 由于横向比较的曲线测试条件、接线方式基本一致，因此应优先考虑进行相与相之间 的横向比较，再进行与原始数据或上次数据的纵向比较。 另外，应优先考虑与原始数据的纵向比较。 在没有原始数据的情况下，横向比较时有时需要考虑特殊结构对频响特性曲线影响。 例如对于那些带有平衡绕组的变压器，受平衡绕组的不对称性（通常位于低压绕组的内侧， 且以开口三角形的方式联接）的影响，测得的三相绕组的频响特性往往有较大的差异。因 此，在没有原始测试数据结果，单纯根据三相绕组间频响特性的差异来判断特殊结构变压 ２２ 器的绕组变形时，往往具有一定的局限性。如果测得的频响特性三相一致性较好，通常可 得出较为明确的诊断结果，即可以认为变压器绕组没有发生明显的变形现象。但如果测得 的频响特性一致性较差，或者仅有其中两相的频响特性较为一致，则有可能得出错误的诊 断结果，即把正常的变压器绕组判断为变形。 6.2.3 低频段为主，中、高频段为辅 从等值电路上可知，频率响应的频率范围各有所代表。 a 当频响特性曲线低频段(1kHz～100kHz)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，势必会导致其频响特性曲线低频部 分的谐振峰频率左右移动。对绝大多数变压器来说，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，一般表明线圈整体结构出现问题，可能会危及运行，应 慎重对待，根据其它测试手段来重点分析判断。 b 当频响特性曲线中频段（100kHz～600kHz）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，如果其谐振峰频率的分布与短路冲击前的有较大改变，例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了局部变形现象。 c 当频响特性曲线高频段（>600kHz）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，基本被饼间分布电路所旁路，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（如绕组整体位移或分接开关引线的对地距离发生变化）是造成该频段 内频响特性曲线变化的主要因素。 如果在中频和高频段频谱图发生差异，应具体的分析这种差异是否代表线圈引线的结 构差异或分接开关引线长短的差异，这种差异有些是变压器设计制造中固有的。 6.2.4 波形观察为主，相关系数判断为辅 但在实际运用中，不能死搬硬套上述标准(特别是对遭受过短路冲击的变压器)，上述 标准还有待完善。如果需要确定线圈变形的详细情况和变形的严重程度，则应具体对被测 绕组频率响应特性曲线的变化情况进行分析，找出波形的各种细微变化和发展趋势来慎重 ２３ 分析。 6.2.5 综合判断 当分析出有变形时，应根据这种变形发生的线圈及对线圈对绝缘的危害判断是否需要 立即退出运行。例如：局部的小程度的轴向压缩或拉开变形发生在低压绕组时，可以认为 不会立即危害运行；而如果发生在高压绕组，则可能会引起饼间绝缘距离不够危及运行安 全。又例如：某些变压器线圈之间发生小程度偏心时，线圈之间的绝缘强度不够会造成局 部放电、油色谱改变，引起瓦斯动作等。而有些变压器因为线圈间的绝缘强度裕度比较大， 较小程度的偏心不会危及变压器运行。 所以变压器线圈变形分析应根据频谱图上的谐振峰的改变以及其它变压器常规试验结 果、变压器具体结构来进行。具体问题，具体分析，避免造成误判，导致不必要的损失。 目前频谱法仍主要为定性分析用。测量低压短路阻抗可以作为与频响法互为补充的方 法。测量低压短路阻抗可以做到定量分析，但国标和 IEC 标准仍以建立在绕组额定电流下 的电抗测量为准，缺乏可比性。 值得指出的是：作为一种检测方法，它目前还不是很完善，是对目前其他已经较为成 熟的检测方法的一种补充，它不能取代其他方法。例如，油色谱发生变化，而变形测试未 发生变形，不能说明变压器没有故障。有些变压器是正在正常运行的，检测后发生变形， 并不一定需要立即退出运行。 6.3 绕组变形程度的分类 实践表明，对绕组变形的定性判断已能满足变压器运行部门需要。因此把变形分为以 下三种： 轻微变形：指存在不明显的变形，变压器仍可以继续运行，绕组不需要整修。 明显变形：指存在明显变形，需要加强监督，应在适当时安排检修，再次短路或遭受 其他冲击时应进行综合测试、分析判断乃至吊罩检查后方可继续运行。 严重变形：指因变形不得继续使用。 6.4 变压器绕组变形判断程序 a. 首先对测试结果进行相间比较; b. 如果相间比较不合格，应进行纵向比较； c. 如果 a、b 都不满足，则应检查测试接线，确认后再重测，测得的频响特性曲线一般在 +40～-80dB 之间，如果超出此范围，应检查试验回路是否接触不良或断线； d. 如果重测波形与第一次所测波形一致。在正式下结论前，应先了解变压器的基本情况， ２４ 若不存在下述 7 种情况，方可定性为变形； e. 该变压器是否是抗短路能力较差的薄绝缘铝线圈、自耦变中压绕组或分裂变压器低压绕 组; f. 变压器是否发生出口或近区短路冲击，继电保护是否在规定时间内动作; g. 运输、吊装中是否撞击过; h. 其他试验项目是否正常，外壳是否异常; I. 变压器是否是某些小厂或现场检修的变压器，这些变压器可能频响特性一致性较差; j. 500kV 变压器其高压侧绕组频响特性的一致性可能较差; k.角接绕组分开试验时由于内部引线不一致，三相频响特性曲线可能不一致。 1.1 什么是绕组变形? 1.2 绕组变形的原因 1.3 绕组变形的危害 2 绕组变形的测量方法 2.1 阻抗法 2.2 低压脉冲法 2.3 频率响应法 3 频率响应法的原理 3.1.1 变压器线圈的等值电路 3.1.2 空心电感的电感量计算及变化分析 3.2 绕组变形种类以及变形在等值电路中的等效分析 3.2.1 整体变形 3.2.2 局部变形 4 变压器绕组变形测试仪 4.1 测试仪组成 4.2 主要技术参数 4.3 特点 5 现场测试过程中的注意事项 5.1 对测试环境的要求 5.2 对变压器状态的要求 5.2.1对引线、周围接地体和金属悬浮物的要求 5.2.2 对分接位置的要求 5.2.3 对接地的要求 5.3 测试接线方式 5.3.1 YN接线 5.3.2 Y接线 5.3.3 对于Δ接线 5.3.4 有平衡绕组的变压器 5.3.5 套管末屏取信号的问题 5.3.6 其它注意事项 6 绕组变形波形分析 6.1 频率响应图谱的特征 6.1.1 差异是绝对的 6.1.2 具有相对的一致性 6.1.3 低压绕组的一致性较好 6.1.4 厂用变压器的一致性较差 6.1.5 三相变压器的一致性较好 6.2 变形测试的判断 6.2.1 低压绕组为主，高、中压绕组为辅 6.2.2 横向比较为主，纵向比较为辅 6.2.3 低频段为主，中、高频段为辅 6.2.4 波形观察为主，相关系数判断为辅 6.2.5 综合判断 6.3 绕组变形程度的分类 6.4 变压器绕组变形判断程序