李 頡,劉忠順,劉 勇
(滄州供電公司,河北 滄州 061001)
變壓器繞組變形的原因主要有2種:一種是變壓器在遭受出口或近區(qū)短路時(shí),由于短路電流在繞組中產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力而使繞組變形;另一種是由于變壓器在運(yùn)輸途中或安裝過程中受到嚴(yán)重的機(jī)械碰撞而導(dǎo)致繞組變形。雖然很多時(shí)候繞組變形不會(huì)立刻對(duì)變壓器的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響,但是由于積累效應(yīng),最終可能會(huì)發(fā)展為絕緣事故。因此針對(duì)大型變壓器開展繞組變形測(cè)試工作十分必要。目前,業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為頻率響應(yīng)分析法(簡(jiǎn)稱“頻響法”)是檢測(cè)變壓器繞組變形較為有效的方法之一。
當(dāng)變壓器繞組在較高頻率(頻率大于1 kHz)電壓的作用下,每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線性電阻、電感(互感)、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙口網(wǎng)絡(luò),其內(nèi)部特性可通過傳遞函數(shù)H(jω)進(jìn)行描述。如果繞組發(fā)生變形,繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變,導(dǎo)致其等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H(jω)的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化,從而使網(wǎng)絡(luò)的頻響特性發(fā)生變化。
變壓器繞組的頻響特性采用掃頻檢測(cè)方式獲得,如圖1所示。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源Vs的頻率f(角頻率ω=2πf),測(cè)量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓V2和激勵(lì)端電壓V1的信號(hào)幅值之比,獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下的繞組頻響特性。
L-繞組單位長(zhǎng)度內(nèi)的分布電感; K-繞組單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝間、餅間分布電容; C-繞組單位長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)地分布電容;V1-等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓; V2-等效網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)端電壓;Vs-正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓; Rs-信號(hào)源輸出阻抗;R-匹配電阻
測(cè)得的頻響特性曲線常用對(duì)數(shù)形式表示,即對(duì)電壓幅值之比進(jìn)行如下處理:
H(f)=20Log[V2(f)/V1(f)]
式中:H(f)為頻率f時(shí)傳遞函數(shù)的模│H(jω)│;V2(f)和V1(f)為頻率為f時(shí)響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的峰值或有效值│V2(jω)│和│V1(jω)│[1]。
用頻響法判斷變壓器繞組變形,主要是對(duì)繞組的頻響特性曲線進(jìn)行縱向或橫向比較,并綜合考慮變壓器的短路情況、變壓器結(jié)構(gòu)、電氣試驗(yàn)及油中溶解氣體分析等因素。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小,可以直觀的反映出變壓器繞組狀況。一般選用1~1 000 kHz的掃頻范圍和1 000個(gè)線性分布的掃描頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,能夠靈敏的反映出繞組電感、電容的變化情
況,測(cè)試結(jié)果會(huì)以頻響特性曲線的形式記錄下來。
以使用TDT-6型測(cè)試儀對(duì)110 kV/10 kV三相雙繞組變壓器進(jìn)行測(cè)試為例,測(cè)試可以按以下步驟進(jìn)行。
a. 具備條件后,拆除變壓器引線、繞組充分放電及調(diào)整有載分接開關(guān)位置(一般選擇1檔進(jìn)行測(cè)試,可以檢測(cè)到全部的調(diào)壓繞組及主繞組)[2]。
b. 選擇檢測(cè)接線方式,即正確選擇輸入端和檢測(cè)端。常見的接線方式如圖2所示。
圖2 常見的接線方式(測(cè)試高壓側(cè)V相)
c. 按照?qǐng)D2所示的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線。注意將輸入單元和檢測(cè)單元的GND(接地端子)最好接在變壓器鐵心的同一接地點(diǎn)上,并要接觸良好。
d. 按照一定的次序進(jìn)行測(cè)試。高壓側(cè)繞組按照O-U、O-V、O-W進(jìn)行逐相測(cè)量;低壓側(cè)繞組按照u-v、v-w、w-u順序相間測(cè)量(非測(cè)試相懸空即可),通過主機(jī)的掃頻,在電腦中就可得到繞組頻響特性曲線。
e. 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用縱向和橫向比較法進(jìn)行診斷分析,若分析為干擾情況則需要進(jìn)行重復(fù)測(cè)試[2]。
變壓器繞組殘余電荷是進(jìn)行頻響法測(cè)試時(shí)首先要考慮的問題。在變壓器經(jīng)過絕緣電阻試驗(yàn)、泄漏電流試驗(yàn)、外施耐壓試驗(yàn)后,如果接地放電時(shí)間不足,很有可能在繞組中產(chǎn)生殘余電荷。由于頻響法測(cè)試儀屬于較精密、靈敏度較高的測(cè)試設(shè)備,測(cè)試電壓較低,如果在測(cè)試回路中存在殘余電荷,即使量很小,也會(huì)因較低信噪比而使測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重失真。失真的頻響曲線特征為:在測(cè)試周期內(nèi),由于函數(shù)幅值大小的急速突變,在頻響曲線中會(huì)接連出現(xiàn)高低交錯(cuò)的大幅值尖頂波或鋸齒波。即使在曲線的中頻段也非常雜亂,沒有一定的趨勢(shì),與正常測(cè)試的結(jié)果沒有任何相似性。
當(dāng)測(cè)試中遇到這種情況時(shí),應(yīng)立即停止試驗(yàn)并拆除試驗(yàn)接線,將變壓器三側(cè)繞組三相短路接地放電,以消除殘余電荷。一般放電0.5 h以上即可恢復(fù),殘余電荷積累得越多,需要放電時(shí)間越長(zhǎng)。為避免變壓器殘余電荷在測(cè)試工作中所帶來的不便,試驗(yàn)前應(yīng)提前安排有關(guān)人員在變壓器停電后進(jìn)行1 h以上的接地放電。另外,頻響法測(cè)試前應(yīng)盡量避免進(jìn)行其他的電氣試驗(yàn)項(xiàng)目,尤其是變壓器的絕緣電阻、泄漏電流、外施耐壓試驗(yàn),如已進(jìn)行過此類項(xiàng)目,則需要進(jìn)行放電處理。
由于剩磁的存在,會(huì)導(dǎo)致頻響特性曲線產(chǎn)生失真,其失真的頻響曲線雜亂無章、沒有規(guī)律,進(jìn)行變壓器繞組直流電阻試驗(yàn)會(huì)使鐵心產(chǎn)生剩磁。大型變壓器磁阻較小,尤其是三相五柱式變壓器。如果變壓器存在剩磁,則需要給鐵心去磁,去磁的方法有交流法和直流法。交流去磁可以按照空載試驗(yàn)的接線,給變壓器施加額定電壓(有條件時(shí)加1.1倍額定電壓),但不能突然切斷電源,必須使所加電壓緩慢且平穩(wěn)下降至零后切斷電源,可以三相同時(shí)進(jìn)行。若現(xiàn)場(chǎng)不具備交流去磁的條件,可以選擇直流去磁。直流去磁需要單相進(jìn)行,使用1個(gè)電流值可調(diào)的直流電源,先在繞組上通入不小于10 A的電流,穩(wěn)定后斷開,再反向加1個(gè)更小的電流,穩(wěn)定后斷開,再反向加1個(gè)更小的電流,穩(wěn)定后再斷開。如此不斷反復(fù),每次所加的直流電流都比前一次減小約0.5 A,直至所加電流為0.5 A以下時(shí)止。這2種去磁方法實(shí)施起來不但過程復(fù)雜,而且需要很長(zhǎng)時(shí)間。因此,在進(jìn)行頻響法測(cè)試之前,應(yīng)盡量避免進(jìn)行繞組直流電阻試驗(yàn)。
圖3中是章西變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)繞組U相在試驗(yàn)中由于電源諧波分量較大而產(chǎn)生的失真曲線。失真曲線的特征是:曲線大體仍呈現(xiàn)一定正常趨勢(shì),但在中頻段及部分高頻段會(huì)多次出現(xiàn)毛刺狀的尖角,但不影響曲線的趨勢(shì)走向。
遇此類情況時(shí),可以在TDT-6型測(cè)試儀主機(jī)和試驗(yàn)電源之間加裝1個(gè)小型的隔離變壓器(設(shè)備廠家可提供)來解決。使用專用的隔離變壓器后,測(cè)得的頻響特性曲線正常。
圖3 章西變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相干擾曲線
試驗(yàn)線夾經(jīng)過長(zhǎng)期使用,彈簧的彈力不足,可能導(dǎo)致與套管導(dǎo)電桿接觸不良,使頻響特性曲線產(chǎn)生失真。圖4中虛線是楊集變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)繞組U相由于試驗(yàn)線夾與套管導(dǎo)電桿接觸不良而產(chǎn)生的干擾曲線。曲線的特征是:低頻段沒有豐富的波峰波谷,比較平滑,隨著頻率的升高曲線呈下降趨勢(shì)。
圖4 楊集變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相正常曲線與干擾曲線
遇到上述情況時(shí),在排除前3種干擾因素后,應(yīng)檢查2個(gè)試驗(yàn)線夾是否和變壓器套管的導(dǎo)電桿接觸良好。 圖4中實(shí)線是對(duì)試驗(yàn)線夾的接觸面進(jìn)行處理后的測(cè)試結(jié)果,曲線的低頻段出現(xiàn)了豐富的波峰波谷。
TDT-6型測(cè)試儀的測(cè)試線纜插頭不太堅(jiān)固,受到重力或擠壓后很容易變形,導(dǎo)致插頭無法接入主機(jī);另外在接線過程中,線纜被拉扯后受力引起插頭的屏蔽層接觸不良;測(cè)試線纜插頭經(jīng)過多次插接,插頭的芯針可能會(huì)松動(dòng),導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定[2]。圖5為韓集變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)W相的干擾曲線。
圖5 韓集變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)W相干擾曲線
測(cè)試中在排除前4種干擾因素后,如果發(fā)現(xiàn)三相的頻響特性曲線橫比差異明顯,應(yīng)檢查測(cè)試線纜的插頭與主機(jī)、阻抗單元以及屏蔽層之間是否接觸良好,針芯是否松動(dòng),可用萬用表測(cè)量導(dǎo)通情況,存在此問題時(shí)應(yīng)及時(shí)處理。無法處理時(shí),需更換備用的測(cè)試線進(jìn)行測(cè)試。建議在測(cè)試附件箱中多配1~2根測(cè)試線,現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)問題的測(cè)試線應(yīng)該在工作結(jié)束返回后及時(shí)修理完好。
圖6中虛線為泊鎮(zhèn)變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相的頻響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)由于檢測(cè)端的阻抗單元纏繞在U相套管導(dǎo)電桿處,距離太近,使頻響特性曲線產(chǎn)生失真。原因可能是阻抗單元的接地端子與套管導(dǎo)電桿之間產(chǎn)生電容耦合而使非測(cè)量信號(hào)引入到測(cè)量回路。同理,如果輸入端阻抗單元與套管導(dǎo)電桿距離過近也會(huì)引入干擾信號(hào)。
圖6 泊鎮(zhèn)變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相正常曲線與干擾曲線
為了避免這種情況,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)接線時(shí),應(yīng)注意2個(gè)阻抗單元的懸掛位置。將線夾夾好后要適當(dāng)調(diào)整測(cè)試線的長(zhǎng)度,使阻抗單元盡量遠(yuǎn)離套管導(dǎo)電桿,但也不要下垂至套管法蘭處,如果距離接地體太近,同樣會(huì)產(chǎn)生干擾。最好將阻抗單元沿著測(cè)試線自然下垂至套管垂直方向的中點(diǎn)處,才能獲得良好的測(cè)試效果。圖6中實(shí)線為現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過對(duì)阻抗單元的位置進(jìn)行調(diào)整后恢復(fù)正常的測(cè)試結(jié)果。
案例1:對(duì)汪家鋪1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相進(jìn)行頻響法測(cè)試時(shí),由于接線人員沒有分辨清楚而選擇夾件接地作為測(cè)量接地點(diǎn),之后又改為鐵心接地重新測(cè)試,2次測(cè)試的結(jié)果雖在低頻段十分吻合,但在中、高頻段由于函數(shù)幅值的變化而有所差異,見圖7。
圖7 汪家鋪1號(hào)主變壓器高壓側(cè)U相2次不同接地點(diǎn)的頻響曲線
案例2:圖8是姚官屯2號(hào)主變壓器低壓側(cè)繞組三相的頻響曲線,從圖中可以看出ca相的曲線明顯不同于其他兩相。不但幅值有很大的變化,波峰波谷出現(xiàn)的位置以及方向都不相同。似乎存在嚴(yán)重的繞組變形,但這也是干擾造成的。由于在進(jìn)行ca相試驗(yàn)時(shí)為了解決地線不夠長(zhǎng)的問題而改動(dòng)了阻抗單元接地點(diǎn)的位置,導(dǎo)致ca相頻響曲線產(chǎn)生嚴(yán)重失真。
圖8 姚官屯2號(hào)主變壓器10 kV側(cè)三相繞組的干擾曲線
頻響法試驗(yàn)時(shí)對(duì)于測(cè)量接地的要求很嚴(yán),輸入端與檢測(cè)端2個(gè)阻抗單元的GND(接地端子)應(yīng)該保持同點(diǎn)、可靠的接地。選擇不同接地點(diǎn)會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來差異,因此變壓器在第1次測(cè)試時(shí)一旦選定了某個(gè)接地點(diǎn)(最好是頂部的鐵心接地),以后每一次測(cè)試都要固定下來。建議做好現(xiàn)場(chǎng)記錄,將該變壓器測(cè)量接地點(diǎn)的位置加以說明,另外,接地點(diǎn)在試驗(yàn)過程中不應(yīng)更改,避免出現(xiàn)圖8所示的情況。測(cè)試時(shí)常遇到接地線長(zhǎng)度不夠的情況,因此建議選用2根6 m長(zhǎng)的專用地線(外有塑料絕緣層的多股軟銅線,截面4 mm2,中間不要有接頭),對(duì)于多數(shù)220 kV及以下變壓器而言該長(zhǎng)度足夠。
在測(cè)試過程中,如果有人使用電焊機(jī)在變壓器外殼上進(jìn)行焊接作業(yè),會(huì)在每次焊接時(shí)在頻響曲線中產(chǎn)生一個(gè)向上突變的噪點(diǎn)。這種情況在主機(jī)掃頻過程中就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。若有人在變壓器外殼上進(jìn)行焊接作業(yè),應(yīng)停止測(cè)試,排除干擾后重新測(cè)試。
a. 頻響法測(cè)試一定要在變壓器繞組直流電阻試驗(yàn)之前進(jìn)行。
b. 頻響法測(cè)試前盡量避免進(jìn)行變壓器本體的絕緣電阻、泄漏電流和外施耐壓試驗(yàn),并保證有足夠的接地放電時(shí)間。
c. 必須拆除與變壓器套管相連的所有引線,并使其盡量遠(yuǎn)離被測(cè)變壓器套管的導(dǎo)電桿。
d. 注意有載分接開關(guān)的檔位是否與歷史的測(cè)試檔位相符,建議每次測(cè)試時(shí)將分接開關(guān)的位置都調(diào)至1檔(最高檔位)。
e. 不是初次試驗(yàn)時(shí),應(yīng)確認(rèn)選擇了正確的輸入端與檢測(cè)端,以保持與歷史的接線方式相符。
f. 接線時(shí)線夾要與套管導(dǎo)電桿接觸良好。
g. 選擇明顯可靠的測(cè)量接地點(diǎn)。鐵心引出套管在變壓器頂部是最好的測(cè)量接地點(diǎn)。如果鐵心套管不在頂部,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)選擇一個(gè)位置接地,但要保證接地良好并在整個(gè)測(cè)試過程中保持不變。特殊選擇的接地點(diǎn)的具體位置應(yīng)做好記錄,以便在下一次測(cè)試時(shí)作為參考,避免由于接地點(diǎn)選擇的不同而使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生差異。
h. 測(cè)試時(shí)主機(jī)與試驗(yàn)電源之間要加裝試驗(yàn)專用隔離變壓器[2]。
i. 測(cè)試時(shí),變壓器所有的電容套管末屏、鐵心、夾件都必須保持良好可靠的接地。
j. 測(cè)試中不要抖動(dòng)線纜,以免損壞儀器或影響測(cè)試結(jié)果。
k. 測(cè)試中避免有人使用電焊機(jī)在主變壓器外殼上進(jìn)行電焊作業(yè)。
頻響特性數(shù)據(jù)是反映變壓器繞組狀態(tài)的重要參量。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,如果測(cè)得比較另類的曲線,不要輕易下定論。首先要認(rèn)真辨別并排除各種干擾因素的影響,這樣測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)才真實(shí)。對(duì)于制造工藝良好的大型變壓器,其三相繞組的結(jié)構(gòu)基本一致,測(cè)得的頻響特性曲線通常具有一定的可比性,在沒有原始數(shù)據(jù)的情況下,可以通過三相橫比來分析判斷繞組的狀態(tài)。但必須注意,三相繞組的頻響特性曲線不一致時(shí),不能判斷一定存在繞組變形,因此還要參考其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,全面診斷。雖然頻響法試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素較多,但只要遵循文中所述的幾個(gè)原則和消除干擾的方法,把握關(guān)鍵點(diǎn),操作嚴(yán)格,一般會(huì)排除干擾并得到正確的結(jié)果。
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