鮮開(kāi)強(qiáng)

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0 引 言

變壓器作為電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，其重要性毋庸置疑。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能使得其在保證故障信息檢測(cè)及時(shí)性方面有著得天獨(dú)厚的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在變壓器的日常使用過(guò)程中，繞組變形故障的發(fā)生頻率相對(duì)較高，技術(shù)的不斷發(fā)展使得用于繞組變形故障檢測(cè)的技術(shù)也有了更新。短路阻抗法與振動(dòng)帶電檢測(cè)法的應(yīng)用流程也已經(jīng)逐漸成熟，并在應(yīng)用過(guò)程中積累了大量成功的經(jīng)驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，兩種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，振動(dòng)帶電檢測(cè)法雖然靈敏度較高，但受到周?chē)姎庖蛩赜绊懙膸茁蕝s較大，短路阻抗法雖然在繞組變形較為嚴(yán)重時(shí)能夠凸顯出其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)來(lái)說(shuō)靈敏度低得多。因此，在實(shí)際將兩種方法應(yīng)用至變形檢測(cè)過(guò)程中時(shí)，應(yīng)選擇性的將兩種方式有效結(jié)合，從而為進(jìn)一步提高故障的判斷準(zhǔn)確率奠定基礎(chǔ)。

1 電力變壓器繞組變形檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

自上世紀(jì)起，變壓器的繞組變形檢測(cè)技術(shù)就已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外諸多專(zhuān)家學(xué)者們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。隨著電力系統(tǒng)的更新與成熟應(yīng)用，使得當(dāng)下該技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視，最為突出的表現(xiàn)就是我國(guó)在2000年正式將繞組變形試驗(yàn)作為判斷變壓器是否符合出廠要求的必須內(nèi)容。

在變壓器出廠后通常需要檢測(cè)其繞組，無(wú)論是出廠、安裝還是運(yùn)行過(guò)程中均會(huì)對(duì)變壓器進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，在發(fā)生故障后還會(huì)做全面檢測(cè)，以保證其滿(mǎn)足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[1]。檢測(cè)項(xiàng)目主要為判斷其是否出現(xiàn)位移或變形等異?，F(xiàn)象。變壓器繞組變形指的是其幾何形狀、溫度以及各項(xiàng)電氣參數(shù)等相較于以往發(fā)生了較為明顯的改變。

一旦變壓器受到了諸如短路等嚴(yán)重內(nèi)外部沖擊后，負(fù)責(zé)維護(hù)變壓器的單位會(huì)通過(guò)常規(guī)的電氣試驗(yàn)判斷其絕緣能力是否受到影響。從檢查結(jié)果能夠看到，多數(shù)變壓器電氣試驗(yàn)與絕緣分析的參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但在吊罩檢查中卻發(fā)現(xiàn)繞組出現(xiàn)了多處變形，且其部分位置的絕緣墊塊處于嚴(yán)重松動(dòng)的狀態(tài)。從這一點(diǎn)可以看出在油化試驗(yàn)與常規(guī)電氣試驗(yàn)中，并不能及時(shí)且全面的發(fā)現(xiàn)變壓器繞組缺陷[2]。吊罩檢查雖然能夠較為直觀的展現(xiàn)出變壓器缺陷，但應(yīng)用此種方式卻需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與資金，并且在判斷變壓器內(nèi)側(cè)繞組時(shí)仍然有一定困難。

為確保電力系統(tǒng)的應(yīng)用安全，完善吊罩與常規(guī)電氣試驗(yàn)檢查方法的不足之處極為重要，在深入分析變壓器繞組變形的多個(gè)事例后，形成了幾種相對(duì)來(lái)說(shuō)較為成熟且應(yīng)用效果較好的檢測(cè)方式，其中較為典型的包括短路阻抗法、振動(dòng)帶電檢測(cè)法以及低壓脈沖法等。但從其實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，這些檢測(cè)方式仍有一定的進(jìn)步空間。

2 變壓器繞組變形的主要原因

導(dǎo)致變壓器繞組出現(xiàn)變形的原因有很多，但主要可歸結(jié)為由于短路所產(chǎn)生的強(qiáng)電流沖擊、安裝或運(yùn)輸不當(dāng)使變壓器受到?jīng)_擊、保護(hù)動(dòng)作不按預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行任務(wù)以及繞組本身無(wú)法承擔(dān)短路故障4種。

2.1 短路故障電流

短路故障電力沖擊是一種較為常見(jiàn)的變壓器故障現(xiàn)象，常見(jiàn)的包括近距離短路與變壓器出口短路[3]。在短路電流過(guò)大的情況下，變壓器繞組所承受的電動(dòng)力極大。此時(shí)電動(dòng)力相較于正常運(yùn)行電動(dòng)力要高出幾十倍，這也是繞組在此種條件下迅速發(fā)熱的根本原因。而由于溫度極速升高，會(huì)使得連接繞組各類(lèi)線(xiàn)材的機(jī)械強(qiáng)度同時(shí)降低，繼而導(dǎo)致繞組變形。

2.2 運(yùn)輸碰撞

不僅僅是運(yùn)行過(guò)程，在變壓器的安裝與運(yùn)輸過(guò)程中也極易出現(xiàn)由于外界因素而導(dǎo)致其受到?jīng)_擊，如運(yùn)輸電波、器材振動(dòng)以及相互碰撞等。從而增大了變壓器的損傷風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)繞組變形現(xiàn)象。若是沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些由于外力而導(dǎo)致的內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)缺陷，將極易產(chǎn)生注入繞組短路或是絕緣損傷等事故。

2.3 保護(hù)失靈

氣體保護(hù)與差動(dòng)保護(hù)是電網(wǎng)中常見(jiàn)的繼電保護(hù)配置方式。但由于部分變電所設(shè)備布置的特殊性，使得變壓器差動(dòng)保護(hù)區(qū)外經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷路器與電流互感器之間發(fā)生故障的現(xiàn)象。此時(shí)，即使斷路器做出了跳閘保護(hù)動(dòng)作，也無(wú)法確保完整切除故障，由變壓器作為供給源頭的短路電流并沒(méi)有消失[4]。由于部分電網(wǎng)區(qū)域僅僅只有幾臺(tái)電力設(shè)備，連接導(dǎo)線(xiàn)與電壓器臺(tái)數(shù)均較少，因此電力系統(tǒng)維護(hù)人員會(huì)認(rèn)為此處發(fā)生故障的概率極小，從而忽視對(duì)這一區(qū)域的日常維護(hù)。但往往在這樣的區(qū)域，一旦出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作失靈情況，變壓器將會(huì)承擔(dān)極長(zhǎng)時(shí)間的不穩(wěn)定短路電流，在無(wú)法保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故并處理的情況下，極易增大繞組變形事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 繞組的短路承受能力達(dá)不到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

若變壓器繞組出現(xiàn)短路，那么在短路電路瞬間增大的條件下，變壓器極有可能因?yàn)闊o(wú)法承受巨大的電流沖擊而發(fā)生變形。以某處電力變壓器為例，在互感事故中其35 kW側(cè)位出現(xiàn)了三相短路現(xiàn)象，不僅引線(xiàn)支架有多處斷裂，而且變壓器繞組也有明顯變形。即使出現(xiàn)短路現(xiàn)象所出現(xiàn)的短路電流也只有105 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定的變壓器承受標(biāo)準(zhǔn)，這就說(shuō)明其短路承受能力不足[5]。由于承受能力不足而導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重變壓器事故的例子比比皆是，已經(jīng)逐漸成為了影響其運(yùn)行安全的主要危險(xiǎn)因素。

3 掃頻短路阻抗法

該種方法實(shí)際上是頻響法與短路阻抗法的結(jié)合，應(yīng)用該種方式能夠較為輕松的計(jì)算出50 Hz以下變壓器的短路阻抗值。另外，其在獲得頻率響應(yīng)幅頻特性和判斷變壓器繞組狀態(tài)時(shí)也能確保其判斷的有效性，并完整分析其依據(jù)。

3.1 基本原理

具體的掃頻阻抗法的測(cè)試接線(xiàn)原理圖如圖1所示。寬頻功率放大器、測(cè)量裝置以及DDS掃頻信號(hào)發(fā)生器為測(cè)試系統(tǒng)的主要組成部分。在對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要以短路阻抗法的接線(xiàn)方式為依據(jù)，將變壓器副邊短接，并在原邊處增大掃頻信號(hào)的功率，從而在測(cè)量裝置的幫助下測(cè)量響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)[6]。而在變壓器出現(xiàn)二次側(cè)短路的情況下，此時(shí)相較于正常狀態(tài)DDS的掃頻信號(hào)頻率較低，對(duì)應(yīng)的寬頻功率放大器為確保系統(tǒng)的正常應(yīng)用效果需要輸出相對(duì)較大的功率與電流。隨著掃頻信號(hào)的增強(qiáng)，電力變壓器的內(nèi)部鐵芯的作用卻在不斷下降[3]。感抗增強(qiáng)的同時(shí)，寬頻功率放大器輸出信號(hào)的功率卻有明顯降低，但此時(shí)信號(hào)的幅值卻要大得多，也正是由于這一原因提升了其抗干擾能力。

圖1 掃頻短路阻抗法繞組變形測(cè)試原理圖

頻率響應(yīng)的公式為：

從式（1）可發(fā)現(xiàn)，從對(duì)數(shù)性質(zhì)角度來(lái)看，實(shí)際上頻響曲線(xiàn)與短路阻抗曲線(xiàn)繪制機(jī)理并無(wú)太多差異，最為明顯的不同就是U1（f）與U2（f）之間的關(guān)系為倒數(shù)，但表現(xiàn)的點(diǎn)位也僅僅是波峰與波谷的反向，從其整體繪制情況來(lái)看二者趨勢(shì)完全一致[7]。而若處于高頻段，此時(shí)的短路阻抗曲線(xiàn)與頻響曲線(xiàn)之間呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)性，此時(shí)可以考慮將短路阻抗曲線(xiàn)轉(zhuǎn)化為頻響曲線(xiàn)，并以頻響法為依據(jù)判斷其繞組是否出現(xiàn)變形。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證應(yīng)用掃頻短路阻抗法是否符合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，包括測(cè)試電壓等級(jí)和接線(xiàn)組別等不同的變壓器。利用掃頻短路阻抗法后能夠獲得50 Hz的短路阻抗值，將該數(shù)值與銘牌值相比較后能夠較為輕松的判斷出繞組是否發(fā)生變形，其所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)精度滿(mǎn)足實(shí)際的測(cè)量需要。這種方式無(wú)論是對(duì)于測(cè)試設(shè)備的容量要求還是測(cè)試方法的應(yīng)用簡(jiǎn)便性方面，均會(huì)凸顯出較為明顯的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用掃頻短路阻抗法獲得的頻響曲線(xiàn)相較于傳統(tǒng)頻響曲線(xiàn)，無(wú)論是在波峰波谷還是中高頻段的差別都微乎其微[8]。因此，在掃頻短路阻抗法應(yīng)用下獲得的頻響曲線(xiàn)完全能夠從根本上反映出變壓器繞組的頻響特性，且相關(guān)數(shù)據(jù)在判斷變壓器繞組變形過(guò)程中也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 測(cè)試結(jié)果靈敏度

將掃頻阻抗法應(yīng)用至低頻段等效低電壓短路阻抗測(cè)試電路時(shí)，需要考慮到的因素包括試驗(yàn)電壓、電源諧波以及50 Hz同頻干擾等。若沒(méi)有提前針對(duì)這些因素制定對(duì)應(yīng)方案，那么測(cè)試結(jié)果將會(huì)受到嚴(yán)重影響，繼而失去其應(yīng)用價(jià)值。需要注意的是，由于選擇的測(cè)試電源是功率放大器與掃頻信號(hào)源的結(jié)合，因此無(wú)需考慮試驗(yàn)電源電壓與諧波。在面對(duì)50 Hz同頻干擾因素時(shí)，由于其在掃頻阻抗方面（45～55 Hz）包含了多項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，因此能夠以差值的方式對(duì)其進(jìn)行隨時(shí)修正，確保測(cè)試數(shù)據(jù)不會(huì)受到此項(xiàng)干擾因素的影響。

應(yīng)用掃頻阻抗法時(shí)需要將兩側(cè)中的一側(cè)短接，另一側(cè)注入掃頻信號(hào)，并以大功率電源作為導(dǎo)頻信號(hào)源[9]。在低頻段條件下應(yīng)用導(dǎo)頻阻抗法無(wú)論是抗干擾性還是穩(wěn)定性都有所增強(qiáng)，而在中高頻段條件下也具有不遜色于頻率響應(yīng)分析法的應(yīng)用靈敏度。

4 振動(dòng)帶電檢測(cè)法

需要特別注意的是，變壓器在出現(xiàn)繞組變形后無(wú)論是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是機(jī)械特性都發(fā)生了改變，在這種情況下通過(guò)監(jiān)測(cè)其振動(dòng)特性的方式能夠較為輕松的判斷出系統(tǒng)是否與設(shè)備建立了有效的電氣連接。采用振動(dòng)檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了不斷電狀態(tài)的變壓器測(cè)試，技術(shù)應(yīng)用更加方便，同時(shí)也降低了試驗(yàn)對(duì)電力系統(tǒng)正常應(yīng)用的影響。

4.1 基本原理

所謂繞組的震動(dòng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是由于出現(xiàn)了漏感現(xiàn)象。在該種現(xiàn)象的影響下，線(xiàn)圈中存在的電流相互作用后能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的電動(dòng)力。通常對(duì)繞組來(lái)說(shuō)，軸向漏磁與輻向漏磁是其漏磁場(chǎng)的主要分類(lèi)，具體情況如圖2所示。在輻向張力的影響下，此時(shí)的變壓器振動(dòng)信息將會(huì)有不一樣的表現(xiàn)，這也是為什么針對(duì)繞組進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)能夠判斷出其機(jī)械狀態(tài)的主要原因。繞組的具體受力情況如圖3所示。

圖2 漏磁場(chǎng)的具體分布情況

圖3 繞組的具體受力情況

若是繞組運(yùn)行處于理想條件與狀態(tài)，變壓器繞組此時(shí)的振動(dòng)加速度的大小與繞組電流平方成正比，對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的加速度信號(hào)是電源頻率的2倍。從實(shí)際情況來(lái)看，變壓器自身繞組絕緣墊塊材料由于具有非線(xiàn)性特性，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)中存在頻率為100 Hz的倍頻諧波，其中同樣包括另外的諧波分量[10]。另外，由于繞組工作時(shí)間較長(zhǎng)，帶負(fù)荷運(yùn)行的情況下必然會(huì)出現(xiàn)緊固件松動(dòng)或受到短路沖擊現(xiàn)象的影響，繼而導(dǎo)致繞組出現(xiàn)形變。對(duì)于振動(dòng)頻譜來(lái)說(shuō)，其高次諧波也將隨這一狀態(tài)的變化而逐漸增大。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)帶電檢測(cè)法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果，需要結(jié)合實(shí)際情況確定不同變壓器的測(cè)試參數(shù)，分別測(cè)試電壓等級(jí)與接線(xiàn)組別不同的變壓器。從最終的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，變壓器不同，振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形也有所差異，無(wú)論是變化規(guī)律還是畸變程度的差別均較為明顯。在對(duì)比分析不同的變壓器繞組振動(dòng)信號(hào)頻譜后，能夠從對(duì)比結(jié)果中知曉此時(shí)的繞組振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)頻率為100 Hz，這一數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)期的理論分析數(shù)值相同，而高次諧波的含量與繞組信號(hào)相比卻要小得多，這也是產(chǎn)生的時(shí)域波形與正弦波更接近的主要原因。統(tǒng)計(jì)分析多項(xiàng)測(cè)試結(jié)果可知，不同類(lèi)型變壓器的振動(dòng)信號(hào)頻段多集中在100～300 Hz。

4.3 影響測(cè)試結(jié)果的主要因素

若變壓器所處的工作狀態(tài)特征為多場(chǎng)耦合，那么對(duì)應(yīng)變壓器的振動(dòng)表現(xiàn)將會(huì)較為復(fù)雜，且具有綜合性較強(qiáng)的特點(diǎn)。此時(shí)產(chǎn)生出的振動(dòng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的故障信息則更容易受到外界因素的影響，如變壓器的運(yùn)行條件等。

變壓器繞組與鐵芯等共同產(chǎn)生的振動(dòng)中，繞組變形的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果受到鐵芯振動(dòng)的影響較大，并且所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)與變壓器的自身負(fù)載功率因數(shù)有著緊密聯(lián)系。總結(jié)分析振動(dòng)情況可知，功率因素越大，變壓器的箱體振動(dòng)信號(hào)（基礎(chǔ)頻率分量）也會(huì)越大。振動(dòng)信號(hào)與傳感器的安裝位置同樣有著極為緊密的聯(lián)系，從多次小范圍試驗(yàn)結(jié)果中能夠看到，即使位置僅偏差3 cm，振動(dòng)信號(hào)也將會(huì)受到極大的影響。此外，箱體的振動(dòng)信號(hào)與變壓器的風(fēng)扇是否開(kāi)啟有著關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此針對(duì)該種情況應(yīng)盡量避開(kāi)風(fēng)扇組。

5 結(jié) 論

在經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用后，無(wú)論是低電壓短路阻抗法還是頻率響應(yīng)法都已經(jīng)逐漸成熟，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的大量積累在標(biāo)準(zhǔn)完善的條件下充分凸顯了各種方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，兩種方法在應(yīng)用時(shí)存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，在選擇應(yīng)用這兩種方法時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況結(jié)合二者的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步提升判斷準(zhǔn)確性。低電壓短路阻抗法與頻率響應(yīng)法的不足之處能夠通過(guò)利用掃頻短路阻抗法完善，不僅能夠有效解決干擾問(wèn)題，而且還能提高繞組變形診斷時(shí)的準(zhǔn)確性。雖然已針對(duì)常見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但仍然需要對(duì)指標(biāo)的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。振動(dòng)帶電檢測(cè)法無(wú)需斷電即可完成試驗(yàn)，是判斷繞組變形的重要方式。但在應(yīng)用此種方法時(shí)，需要以仿真分析的方式判斷指標(biāo)是否準(zhǔn)確，之后通過(guò)進(jìn)一步完善以提高檢測(cè)結(jié)果。