李 頡，張樹亮，葛瑞利

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061001）

變壓器頻率響應(yīng)分析法測(cè)試結(jié)果的影響因素分析

李 頡，張樹亮，葛瑞利

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061001）

針對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形時(shí)干擾因素較多，若操作不當(dāng)，會(huì)使測(cè)試結(jié)果失真，導(dǎo)致對(duì)繞組狀態(tài)做出錯(cuò)誤判斷的問題，結(jié)合頻率響應(yīng)分析法的基本原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，從測(cè)試系統(tǒng)、被測(cè)變壓器兩方面分析測(cè)試結(jié)果的影響因素，并提出提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性的相關(guān)注意事項(xiàng)。

變壓器；繞組變形；頻響法；頻響曲線；頻段

變壓器繞組變形的原因有兩種：一種是源于外力的機(jī)械碰撞導(dǎo)致的繞組發(fā)生整體性位移，一種是運(yùn)行中的變壓器突發(fā)出口或近區(qū)短路時(shí)，繞組在短路電流產(chǎn)生的巨大且不均勻的軸向或徑向電動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生的扭曲、鼓包或移位等現(xiàn)象。雖然在發(fā)生繞組變形后，變壓器多數(shù)情況下還能正常運(yùn)行，但因內(nèi)部絕緣距離的改變以及積累效應(yīng)的存在，變壓器的電氣絕緣性能和機(jī)械性能將逐漸降低，最終可能引發(fā)絕緣故障。因此及時(shí)對(duì)疑似存在繞組變形的變壓器進(jìn)行缺陷排查是十分必要的。國(guó)內(nèi)外在變壓器繞組變形檢測(cè)方面的手段有很多種，其中頻率響應(yīng)分析法（簡(jiǎn)稱“頻響法”）是目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)最為有效的檢測(cè)手段之一。

1 頻響法的基本原理

當(dāng)變壓器繞組在較高頻率（頻率大于1kHz）的電壓作用下，變壓器的鐵心基本不起作用，每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由電阻、電容、電感等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)。設(shè)繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、縱向電容和對(duì)地電容分別為L(zhǎng)、K、C（繞組電阻通常很小，可忽略），則繞組的等值網(wǎng)絡(luò)可用圖1表示。

圖1 變壓器繞組等值網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)電工學(xué)理論，可以通過傳遞函數(shù)H（jω）對(duì)其特性進(jìn)行描述。如果繞組發(fā)生了軸向、徑向尺寸的變化，勢(shì)必會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)的L、K、C等分布參數(shù)，導(dǎo)致其傳遞函數(shù)H（jω）的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化。

變壓器繞組的頻響特性采用頻率掃描的方式獲得。頻響法一般選用1～1 000kHz的掃頻范圍內(nèi)的1 000個(gè)線性分布掃描頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)樵诖祟l率范圍內(nèi)變壓器繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用，諧振點(diǎn)豐富，頻響特征比較明顯。如圖1，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。

測(cè)得的頻響特性曲線常用對(duì)數(shù)（dB）形式表示，即對(duì)電壓幅值之比進(jìn)行如下處理：

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）│。

頻響測(cè)試主機(jī)連續(xù)輸出1 000個(gè)線性分布的頻點(diǎn)進(jìn)行掃頻檢測(cè)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理得到直觀、量化的頻響曲線。用頻響法判斷變壓器的繞組變形，是通過對(duì)頻響曲線進(jìn)行縱向或橫向比較，并參考相關(guān)系數(shù)的大小，診斷出繞組有無扭曲、鼓包、移位等變形現(xiàn)象。

2 測(cè)試結(jié)果的影響因素

頻響法是基于比較的方法，兩次的試驗(yàn)結(jié)果必須在相同的測(cè)試條件下比較才有意義。但被測(cè)回路中電氣參數(shù)及測(cè)試條件的變化都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性產(chǎn)生影響。通過多年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了大量測(cè)試結(jié)果失真的案例，并從中歸納出影響測(cè)試重復(fù)性的兩大類因素，即源于測(cè)試系統(tǒng)的影響因素和源于被測(cè)主體的影響因素，以下做詳細(xì)闡述。

2.1 源于測(cè)試系統(tǒng)的影響因素

2.1.1 信號(hào)源的位置

信號(hào)源是指頻響測(cè)試主機(jī)掃頻信號(hào)的輸出端，即VS端。若將變壓器某1相繞組的等值數(shù)學(xué)模型看做完全理論化的無源雙端口網(wǎng)絡(luò)，則信號(hào)源不論施加在繞組首端還是尾端，其頻響特性不應(yīng)有太大差異。但是由于變壓器內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，真實(shí)的變壓器繞組首尾兩端不可能完全對(duì)稱，故改變信號(hào)源位置對(duì)同一繞組的頻響曲線會(huì)有一定影響。影響程度的大小，取決于繞組首尾兩端在物理結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱程度。

對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器，其高壓、中壓繞組一般為星型接線，繞組尾端為三相共聯(lián)的星點(diǎn)，繞組首端和中性點(diǎn)（星點(diǎn)）端在器身內(nèi)部的空間位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有明顯的差異，而且由于多數(shù)變壓器的高壓繞組都配置了有載分接開關(guān)（如三相中性點(diǎn)調(diào)壓的有載分接開關(guān)，其安裝位置在中性點(diǎn)一側(cè)），這些因素都增大了高壓繞組首尾兩端的不對(duì)稱程度。因此信號(hào)源分別選擇在首端和尾端時(shí)，測(cè)得的頻響曲線會(huì)有明顯差異。圖2是某臺(tái)110kV變壓器高壓側(cè)U相進(jìn)行測(cè)試時(shí)，信號(hào)源分別施加在首端（虛）及尾端（實(shí)）時(shí)測(cè)得的頻響曲線對(duì)比圖。從圖2中可以看到，兩曲線在50kHz附近出現(xiàn)了明顯的差異，這種差異一直延續(xù)到測(cè)試結(jié)束。

圖2 信號(hào)源分別位于繞組首端與尾端時(shí)的頻響曲線對(duì)比

低壓繞組一般為三角型接線，如果三角型接線無法在外部解開，則沒有實(shí)際意義上的繞組尾端（每一相繞組的尾端又是另外一相繞組的首端），因此不能單相測(cè)試，只能通過兩相繞組的首端進(jìn)行激勵(lì)和響應(yīng)。由于每相繞組的首端在空間位置和結(jié)構(gòu)尺寸都具有較高的相似性，結(jié)構(gòu)上基本對(duì)稱，因此無論選擇哪一相繞組首端作為信號(hào)源進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)試結(jié)果不會(huì)有太大差異。結(jié)論的正確性也通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果得到了充分驗(yàn)證。

2.1.2 測(cè)量接地線的長(zhǎng)度

測(cè)試時(shí)在儀器的激勵(lì)端和響應(yīng)端各有1個(gè)測(cè)量接地點(diǎn)，分別通過2根帶絕緣層的銅線接地。接地點(diǎn)可作為測(cè)量激勵(lì)電壓和響應(yīng)電壓幅值的基準(zhǔn)點(diǎn)。由于頻響法測(cè)試儀的工作頻段在1～1 000 kHz，因此測(cè)量接地線在工作狀況下可認(rèn)為是由電阻和電感串聯(lián)形成的阻抗，在頻率較低情況下可認(rèn)為是阻性的（電抗很?。诟哳l情況下主要是感性的，其阻抗值隨頻率f的升高而增大。因此如果激勵(lì)端和響應(yīng)端的接地線長(zhǎng)度不等，使其因在高頻狀態(tài)下呈現(xiàn)的阻抗值不同而在測(cè)量回路中產(chǎn)生不同的壓降，導(dǎo)致頻響特性誤差增大。這種影響在頻響曲線的高頻段最為明顯。如果忽略此因素，很可能因誤判而得出錯(cuò)誤的結(jié)論［3］。因此每次試驗(yàn)時(shí)，激勵(lì)端與響應(yīng)端應(yīng)使用固定長(zhǎng)度的測(cè)量接地線，且應(yīng)盡量伸直，不要纏繞。

2.1.3 測(cè)量接地點(diǎn)位置的選擇

激勵(lì)端與響應(yīng)端測(cè)量接地點(diǎn)位置的選擇對(duì)頻響曲線也會(huì)有一定影響。

圖3為某臺(tái)220kV變壓器高壓側(cè)U相繞組兩次測(cè)試的頻響曲線對(duì)比圖。其中實(shí)線為激勵(lì)端和響應(yīng)端的測(cè)量接地分別接在主變壓器鐵心引出的接地導(dǎo)體和散熱片外殼上測(cè)得的曲線，而虛線為2個(gè)測(cè)量接地都接在主變壓器鐵心引出的接地導(dǎo)體上測(cè)得的曲線。可見，2條曲線在中頻段及高頻段都存在明顯的差異。因此應(yīng)注意，初次測(cè)量時(shí)測(cè)量接地點(diǎn)的位置一旦確定，以后每次測(cè)試都不能更改，避免因測(cè)試條件不同而引入較大誤差。

圖3 激勵(lì)端與響應(yīng)端測(cè)量接地點(diǎn)在不同位置時(shí)的頻響曲線對(duì)比

2.2 源于被測(cè)變壓器的影響因素

2.2.1 變壓器外接引線的影響

變壓器的外接引線如果沒有拆除，頻響法測(cè)試的重復(fù)性會(huì)受到一定影響。影響程度的大小，取決于外接引線的長(zhǎng)度。相連的外接引線會(huì)改變變壓器繞組的頻響特性，因?yàn)檫@些引線增大了繞組對(duì)地電容的大小，引線越長(zhǎng)，對(duì)地電容就越大。引線對(duì)低壓側(cè)的影響最為嚴(yán)重，因?yàn)榈蛪簜?cè)外接引線與接地架構(gòu)的距離最短，而且往往是銅排，投影面積比較大，這些因素都會(huì)增大引線對(duì)地電容。圖4為某110kV變壓器低壓側(cè)繞組在外接引線拆除前后的頻響曲線對(duì)比圖，其中實(shí)線為正常曲線。外接引線為10kV銅排，這段引線從低壓側(cè)套管一直到配電室內(nèi)的隔離開關(guān)，長(zhǎng)度大約為15 m。從圖4中看出，引線對(duì)頻響曲線的高頻段影響最為嚴(yán)重。

因此，頻響法測(cè)試前應(yīng)拆除與變壓器套管相連的所有引線。拆除的引線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離被測(cè)變壓器的套管并直接接地，避免感應(yīng)電壓影響測(cè)試結(jié)果。

圖4 低壓側(cè)套管外接引線拆除前后的頻響曲線對(duì)比

2.2.2 分接開關(guān)檔位的影響

變壓器分接開關(guān)的檔位，決定了繞組匝數(shù)的多少，直接影響到被試變壓器繞組的分布電感和電容，從而引起該繞組頻響曲線的變化。故在繞組變形測(cè)試時(shí)務(wù)必記錄下分接開關(guān)的檔位，以便在同一檔位上進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的比較。建議每次試驗(yàn)都在最高分接檔位（1檔）進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)樵?檔位可以測(cè)到全部調(diào)壓繞組及主繞組的頻響數(shù)據(jù)。

有載分接開關(guān)檔位對(duì)頻響曲線低頻段的影響最大。對(duì)于大容量變壓器，這種影響的范圍主要集中在100kHz以內(nèi)。

圖5為某220kV等級(jí)、容量為240MVA的變壓器，分接開關(guān)檔位分別在1檔（實(shí)）和2檔（虛）測(cè)得的頻響曲線對(duì)比圖。從圖5中可以看出，僅僅1個(gè)分接檔位之差，使得兩曲線在低頻段35kHz附近出現(xiàn)明顯的差異，導(dǎo)致低頻段相關(guān)系數(shù)小于1.0。因此，分接開關(guān)的檔位會(huì)對(duì)頻響測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

圖5 有載開關(guān)位于1分接和2分接時(shí)的頻響曲線對(duì)比

2.2.3 鐵心及夾件的接地情況

變壓器的鐵心及夾件在正常運(yùn)行狀態(tài)下必須保證一點(diǎn)可靠接地。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，鐵心和夾件接地與否會(huì)對(duì)繞組的頻響曲線產(chǎn)生一定影響。圖6中虛線為變壓器的鐵心不接地情況下測(cè)得的頻響曲線，而實(shí)線為正常曲線，2條曲線在500kHz附近開始出現(xiàn)明顯的差別，通過試驗(yàn)，另外發(fā)現(xiàn)夾件不接地時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的差異。因此為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試時(shí)鐵心和夾件必須可靠接地。

圖6 變壓器鐵心是否接地時(shí)的頻響曲線對(duì)比

2.2.4 引線線夾的影響

進(jìn)行頻響法測(cè)試時(shí)，如果引線線夾沒有從變壓器套管的導(dǎo)電桿上拆除，而將激勵(lì)端與響應(yīng)端直接接在引線線夾上，那么導(dǎo)電桿與引線線夾之間的接觸電阻會(huì)串入測(cè)試回路。為了弄清接觸電阻是否會(huì)對(duì)頻響特性數(shù)據(jù)造成影響，在有無引線線夾的情況下分別進(jìn)行了頻響法測(cè)試，結(jié)果為2條頻響曲線基本重疊，各頻段的相關(guān)系數(shù)都在3以上。這是因?yàn)橐€線夾與套管導(dǎo)電桿之間的接觸電阻是純阻性的，且阻值非常小，而引起繞組頻響特性變化的主要因素是分布電感及分布電容。因此，在頻響法測(cè)試時(shí)，套管上的引線線夾是否拆除，對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響并不大。

2.2.5 其他試驗(yàn)項(xiàng)目的影響

對(duì)繞組進(jìn)行絕緣電阻、泄漏電流等直流項(xiàng)目的試驗(yàn)時(shí)，都會(huì)在繞組中積累大量的電荷。如果試驗(yàn)后放電不充分，將直接影響到被試變壓器繞組層間、匝間及對(duì)地電容量的大小，進(jìn)而引起頻響曲線的變化［2］。圖7中虛線是正常情況下測(cè)得的，而實(shí)線是使用2 500V兆歐表對(duì)繞組進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量后，未充分放電即進(jìn)行頻響測(cè)試所得的曲線。從圖7中可以看到，曲線在低頻段和高頻段都出現(xiàn)了比較大的差異，低頻段尤為明顯?？梢?，繞組殘余電荷會(huì)對(duì)頻響測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響。

圖7 繞組絕緣電阻試驗(yàn)前后的頻響曲線對(duì)比

3 結(jié)論

基于上述的各種影響因素，為了提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)該嚴(yán)格遵循以下幾點(diǎn)。

a.帶分接開關(guān)的繞組應(yīng)在最大分接（1檔位）進(jìn)行頻響法測(cè)試。如果條件不允許，可在其他分接位進(jìn)行測(cè)試，但應(yīng)做好備注，以便日后在同一檔位進(jìn)行測(cè)試比較。

b.測(cè)試前應(yīng)拆除與變壓器套管相連的所有引線，拆除的引線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離被測(cè)變壓器的套管并接地，以消除感應(yīng)電壓及引線對(duì)地雜散電容的影響。

c.測(cè)試前變壓器的外殼、鐵心及夾件均應(yīng)可靠接地。

d.頻響法測(cè)試最好在所有試驗(yàn)項(xiàng)目開始之前進(jìn)行，尤其避免在繞組絕緣電阻、泄漏電流和外施耐壓試驗(yàn)后進(jìn)行，這些試驗(yàn)容易在繞組中產(chǎn)生殘余電荷，導(dǎo)致頻響曲線嚴(yán)重失真。如遇到上述情況，則應(yīng)在測(cè)試前將三相繞組短路接地放電，放電時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)以確保殘余電荷徹底放盡。

e.信號(hào)源位置的改變?cè)诤芏嗲闆r下會(huì)影響頻響曲線的走勢(shì)。因此如無特殊規(guī)定，可參考圖8的接線方式來規(guī)范信號(hào)源位置的選擇。

圖8 繞組變形的幾種常見接線方式

f.激勵(lì)端與響應(yīng)端接地線的長(zhǎng)度應(yīng)一致，測(cè)試時(shí)接地線應(yīng)盡量伸直，不要纏繞。

g.激勵(lì)端與響應(yīng)端接地線應(yīng)選擇在同一點(diǎn)接地，建議選擇變壓器鐵心引出的接地導(dǎo)體作為測(cè)量接地點(diǎn)，因?yàn)樽儔浩麒F心多在頂部引出，接地導(dǎo)體比較明顯，易于規(guī)范化管理。

［1］DL／T 911－2004，電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法［S］.

［2］吳曉東，魏澤民.影響變壓器頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的因素分析［J］.電力設(shè)備，2004，5（10）：60-63.

［3］王景林，李銳海.接地線對(duì)變壓器繞組變形試驗(yàn)的影響［J］.云南電力技術(shù)，2007，35（1）：1-2.

本文責(zé)任編輯：王麗斌

InfluenceFactosAnalysisonTestResultsofTransformer FrequencyResponseAnalysisMethod

Li Jie，Zhang Shuliang，Ge Ruili
（State Grid Hebei Electric Power Corporation Cangzhou Power Supply Branch，Cangzhou 061001，China）

Because there are many interference factors during the in-site test of frequency response analysis method on transformer winding deformation，any improper operations would make some distortions on the test result，so it is easy to cause the incorrect judgment for the condition of transformer winding.For this point，this paper is based on basic principle of frequency response analysis method and practical experience，analyses the influence factor of the test results on two sides，and puts forward some notices concerned about how to improve the accuracy of the test results.

transformer；winding deformation；FRA；frequency response curve；frequency band

TM41

B

1001-9898（2015）03-0042-04

2014-12-03

李 頡（1980－），男，工程師，主要從事變電設(shè)備的電氣試驗(yàn)工作。