基于頻率響應(yīng)分析法的變壓器繞組匝間短路故障分析【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</b></p><p><b>　　測(cè)控技術(shù)與儀器</b></p><p>　　基于頻率響應(yīng)分析法的變壓器繞組匝間短路故障分析</p><p>　　1前言部分（闡明課題的研究背景和意義）</p><p>　　在電力系統(tǒng)的各種設(shè)備中，變壓器是比較昂貴且很

2、重要的設(shè)備之一，其安全運(yùn)行將直接影響供電的安全。有關(guān)變壓器的歷年統(tǒng)計(jì)資料均表明，其繞組是發(fā)生故障較多的部件之一，變壓器內(nèi)部短路故障占現(xiàn)代電力系統(tǒng)故障的70%～80%。從解體檢查情況看，絕大部分是由繞組變形引起的[1]。變壓器在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中受到?jīng)_撞或在運(yùn)行中發(fā)生突然短路等可能使繞組發(fā)生變形。在其遭受過(guò)電壓或再次遭受沖擊時(shí)將破壞、影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。</p><p>　　國(guó)外研究表明,短路故障發(fā)生的原因主要是

3、變壓器內(nèi)部的絕緣失效[2]。短路故障發(fā)生后,故障繞組會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流,發(fā)熱量等各種損耗加大,反過(guò)來(lái)破壞絕緣,引起變壓器損壞。變壓器在運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)受到各種故障短路電流的沖擊。一旦短路故障發(fā)生在變壓器出口附近，變壓器繞組將承受巨大的、不均勻的軸向和徑向電動(dòng)力的作用，可能導(dǎo)致繞組發(fā)生扭曲、鼓包等變形現(xiàn)象或移位，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致突發(fā)性損壞事故,國(guó)內(nèi)許多大型變壓器事故都是由于變壓器低壓側(cè)短路造成的[3]。變壓器的抗短路能力已成為衡量變壓器

4、的重要指標(biāo),是保障電網(wǎng)中、低壓系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的事故隱患、避免突發(fā)事故、提高變壓器運(yùn)行的安全可靠性，開(kāi)展變壓器繞組診斷方法的研究具有十分重要的意義[4]。頻率響應(yīng)法在電力系統(tǒng)中應(yīng)用多年, 積累了不少經(jīng)驗(yàn), 技術(shù)上日趨成熟。但實(shí)際運(yùn)用中仍存在不確定因素,如設(shè)備的抗干擾問(wèn)題, 提高現(xiàn)場(chǎng)繞組頻響波形測(cè)試準(zhǔn)確性問(wèn)題, 根據(jù)頻響波形對(duì)繞組變形做出正確判斷問(wèn)題等, 解決上述問(wèn)題需要設(shè)備研究人員不斷提高技術(shù)水平, 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人

5、員不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn), 才能提高應(yīng)用頻響法對(duì)變壓器繞組變形分析判斷力[5]。</p><p>　　2主題部分（闡明課題的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以及對(duì)這些問(wèn)題的評(píng)述）</p><p>　　繞組故障主要有匝間短路、繞組接地、相間短路、斷線及接頭開(kāi)焊等。產(chǎn)生這些故障的原因有以下幾點(diǎn)[6] : ①在制造或檢修時(shí), 局部絕緣受到損害, 遺留下缺陷; ②在運(yùn)行中因散熱不良或長(zhǎng)期過(guò)載, 繞組內(nèi)有雜物落入,

6、 使溫度過(guò)高絕緣老化; ③制造工藝不良, 壓制不緊, 機(jī)械強(qiáng)度不能經(jīng)受短路沖擊, 使繞組變形,絕緣損壞; ④繞組受潮, 絕緣膨脹堵塞油道, 引起局部過(guò)熱; ⑤絕緣油內(nèi)混入水分而劣化,或與空氣接觸面積過(guò)大, 使油的酸價(jià)過(guò)高, 絕緣水平下降或油面太低, 部分繞組露在空氣中未能及時(shí)處理。由于上述種種原因, 在運(yùn)行中一經(jīng)發(fā)生絕緣擊穿, 就會(huì)造成繞組的短路或接地故障。匝間短路時(shí)的故障現(xiàn)象是變壓器過(guò)熱油溫增高, 電源側(cè)電流略有增大, 各相直流電阻不

7、平衡,輕微的匝間短路可以引起瓦斯保護(hù)動(dòng)作, 嚴(yán)重時(shí)差動(dòng)保護(hù)或電源側(cè)的過(guò)流保護(hù)也會(huì)動(dòng)作。發(fā)現(xiàn)匝間短路應(yīng)及時(shí)處理, 因?yàn)槔@組匝間短路常常會(huì)引起更為嚴(yán)重的單相接地或相間短路等故障[7]。</p><p>　　頻率響應(yīng)分析法是在較寬的頻帶上測(cè)量變壓器繞組的傳遞函數(shù),并分析繞組的頻率響應(yīng)特性,判斷繞組狀態(tài)的方法[8]。因注入繞組的信號(hào)不同,有兩種不同的方法測(cè)量繞組的頻率響應(yīng):①將一穩(wěn)定的正弦波掃頻信號(hào)施加到被試變壓器繞組的

8、一端,此方法稱為掃頻法,由加拿大的Dick于1978年首次提出;②將一脈沖信號(hào)注入被試?yán)@組的一端,同時(shí)記錄該脈沖信號(hào)和另一端的響應(yīng)信號(hào)并將此兩信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),得繞組的頻率響應(yīng)特性,此方法稱為脈沖響應(yīng)法或傳遞函數(shù)法,由加拿大的Malewski于1988年首次提出，脈沖電壓的幅值為100V～2kV[9]。</p><p>　　荷蘭Vaessen用數(shù)字化儀記錄時(shí)域信號(hào),提高了頻譜在幅值和相位上的分辨率[10]。德國(guó)

9、的Feser 和Christian等人對(duì)此法作了大量研究。脈沖響應(yīng)法的測(cè)量時(shí)間比掃頻法要短,但德國(guó)的Wenzel認(rèn)為時(shí)域信號(hào)很小的誤差會(huì)對(duì)高頻段傳遞函數(shù)造成很大的影響，另外,掃頻法相對(duì)于脈沖響應(yīng)法有以下優(yōu)點(diǎn):信噪比好;在整個(gè)測(cè)量的頻段上有相等或近似相等的精度;獲得的頻率范圍更寬;測(cè)量需要的設(shè)備少。因此,變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法大都采用掃頻法測(cè)量[11]。</p><p>　　德國(guó)的Gharehpetian等

10、人通過(guò)建模及測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在1～10MHz范圍內(nèi)出現(xiàn)因繞組諧振引起的高頻過(guò)電壓現(xiàn)象[12]。加拿大M. Wang等人在研究繞組的微小變形時(shí)頻率響應(yīng)曲線在10 MHz 范圍內(nèi)變化影響頻率響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的因素有:并聯(lián)電阻、高壓套管、變壓器中性點(diǎn)接地方式、測(cè)量引線。結(jié)果表明,測(cè)量引線和并聯(lián)電阻對(duì)高頻下的測(cè)量結(jié)果影響最大,在減小測(cè)量系統(tǒng)影響條件下,>1MHz頻段的測(cè)量結(jié)果更能反映繞組微小的變化。</p><p>　　M.

11、Wang等人提出了HIFRA法,將最高頻率擴(kuò)展到10MHz ,提高了頻率響應(yīng)分析法的靈敏度,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器繞組的變形[13]。該方法的主要指導(dǎo)思想是盡量減小測(cè)量系統(tǒng)對(duì)頻率響應(yīng)的影響,將傳感器放置在變壓器內(nèi)部。目前該法在實(shí)驗(yàn)室中做到了10MHz,但在現(xiàn)場(chǎng)只做到3MHz。</p><p>　　高朝霞,馬濤,王永兒,汲勝昌對(duì)電力變壓器進(jìn)行短路阻抗測(cè)試時(shí)，采用三相等效測(cè)試法或單相測(cè)試法2種方法[1]。通常,對(duì)于三相變壓

12、器，采用三相等效測(cè)試法直接計(jì)算出三相短路阻抗的平均值，與銘牌值進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步檢查每相的短路阻抗，則可采用單相測(cè)試法進(jìn)行相間比較。</p><p>　　林劍,馬明,龔列謙,夏曉波分析頻率響應(yīng)法原理,并利用Matlab仿真變壓器繞組頻響曲線,分析頻率和諧振點(diǎn)的關(guān)系,并根據(jù)測(cè)試實(shí)例分析各種因素對(duì)變壓器繞組變形試驗(yàn)的影響[3]。仿真時(shí),仿真級(jí)數(shù)為n = 7,輸入掃頻信號(hào)源的幅值取為l,設(shè)置掃頻起始頻率為1k

13、Hz ,終止頻率為10MHz。當(dāng)繞組內(nèi)部發(fā)生串聯(lián)諧振,則在頻響圖上出現(xiàn)正尖峰,當(dāng)繞組的內(nèi)部發(fā)生了并聯(lián)諧振,則在頻響圖上會(huì)出現(xiàn)負(fù)尖峰;同時(shí)繞組模型有n 級(jí),頻響曲線就有n - 1個(gè)正尖峰,n - 1個(gè)負(fù)尖峰。</p><p>　　褚炳龍采用武漢高壓研究所研制生產(chǎn)的BRTC2Ⅱ電力變壓器繞組特征測(cè)量?jī)x,通過(guò)對(duì)大量110 kV及以上變壓器繞組頻響特性曲線分析發(fā)現(xiàn)[8]:變壓器三相頻響特性曲線相關(guān)性較好,絕大部分可以通過(guò)

14、三相頻響特性曲線比較分析來(lái)初步判斷變壓器繞組的變形情況。但由于無(wú)原始頻響特性曲線,僅通過(guò)相間比較來(lái)判斷變壓器繞組的變形程度,國(guó)內(nèi)也有發(fā)生誤判斷的事例。</p><p>　　胡冠中, 姚纓英, 倪光正提出一種簡(jiǎn)單有效的建模方法用于變壓器繞組內(nèi)部短路故障的仿真計(jì)算[4]。首先根據(jù)變壓器繞組的繞制方式以及故障類型,建立相應(yīng)的有限元分析模型,用場(chǎng)路耦合有限元分析方法分析短路試驗(yàn)條件下的變壓器電磁場(chǎng)的分布。通過(guò)電磁分析得到

15、等效參數(shù)用于建立變壓器系統(tǒng)狀態(tài)方程,進(jìn)一步利用Matlab /Simu2link求得端部電量的變化規(guī)律。</p><p>　　馬超從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用出發(fā)，分析了變形頻響法和低壓短路阻抗法的優(yōu)缺，提出頻響法結(jié)合低壓短路阻抗法、電容量測(cè)試及其他試驗(yàn)輔助的綜合診斷，對(duì)頻率響應(yīng)分析法的診斷結(jié)果進(jìn)行了技術(shù)分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)的總結(jié)[16]。(1)頻響法和低電壓短路阻抗法對(duì)于反映繞組變形各有優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)用于獨(dú)立判斷均有其缺陷。(2

16、)現(xiàn)場(chǎng)診斷頻響法和低電壓短路阻抗法應(yīng)結(jié)合電容量變化及其他一些試驗(yàn)結(jié)果輔助進(jìn)行綜合判斷，特別是對(duì)于繞組變形累積效應(yīng)的判斷，需要對(duì)各種方法的長(zhǎng)短熟悉了解，同時(shí)也需要豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，不斷總結(jié)規(guī)律。(3)頻響法靈敏度高，易受各種因素影響，引線長(zhǎng)短、感應(yīng)電壓、雜散電容等因素影響程度較大，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)從多方面考慮，避免誤判。</p><p>　　何平，文習(xí)山對(duì)繞組頻率響應(yīng)的分析方法主要是基于幅頻響應(yīng)曲線的分析,因此從頻段劃分、

17、幅頻曲線特征的分析及曲線相似指數(shù)3方面綜述了幅頻響應(yīng)曲線的研究現(xiàn)狀,介紹了頻率響應(yīng)分析法的原理,從掃頻范圍的選擇和影響測(cè)量的因素2方面討論了繞組頻率響應(yīng)的測(cè)量,認(rèn)為應(yīng)建立原始的繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),在反映繞組變形程度的曲線相似指數(shù)研究方面有待于提出切實(shí)有效的量化標(biāo)準(zhǔn)[17]。</p><p>　　用頻率響應(yīng)法檢測(cè)電力變壓器線圈的變形情況是目前不斷發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。國(guó)外一些國(guó)家已將其列入變壓器的檢測(cè)項(xiàng)目,我國(guó)GB 5

18、0150- 2006已把繞組變形列入大型變壓器的交接試驗(yàn)項(xiàng)目。</p><p>　　國(guó)內(nèi)多采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，通過(guò)測(cè)量傳遞函數(shù)來(lái)診斷變壓器繞組是否發(fā)生變形。目前國(guó)內(nèi)一些廠家已開(kāi)發(fā)出可在低電壓下測(cè)量出變壓器短路阻抗以判斷繞組是否變形的測(cè)量?jī)x器，現(xiàn)場(chǎng)操作大為簡(jiǎn)化，正在推廣和積累經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　3總結(jié)部分（將全文主題進(jìn)行扼要總結(jié)，提出自己的見(jiàn)解并對(duì)進(jìn)一步的發(fā)展方向做出預(yù)測(cè)）<

19、/p><p>　　本文介紹了頻率響應(yīng)頻響分析法檢測(cè)變壓器繞組匝間短路故障的原理及測(cè)試方法。對(duì)頻率響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的分析方法有多種，各有優(yōu)點(diǎn)和前提，要結(jié)合實(shí)際情況合理采用，也要顧及其它常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果，做出綜合分析。為保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，要排除一切內(nèi)外部干擾，處理好試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。為保證試驗(yàn)的長(zhǎng)期規(guī)范性、準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)管理方面，要做好相關(guān)約定；在試驗(yàn)人員方面，要做好培訓(xùn)，使試驗(yàn)人員能掌握正確的試驗(yàn)方法，并有一定的分析判

20、斷能力，避免人為失誤導(dǎo)致錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而造成誤判。</p><p>　　頻響法是測(cè)試?yán)@組變形的一項(xiàng)比較有效的方法，對(duì)影響繞組電容和電感的變形都比較靈敏[14]；以頻率響應(yīng)法為基礎(chǔ)的變壓器繞組變形測(cè)試，能行之有效地反映出接觸不良、幅相拉伸與壓縮、軸向拉伸與壓縮等變形情況，是不可缺少的試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于匝間短路的情況，僅通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)給出的判據(jù)來(lái)判斷容易發(fā)生誤判，可將這種情況單獨(dú)考慮，也可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整頻域分段或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從圖形

21、得到正確的結(jié)論。</p><p>　　在實(shí)際的運(yùn)用中，應(yīng)靈活地結(jié)合這種診斷方法，從而更有效、準(zhǔn)確地對(duì)變壓器的繞組變形進(jìn)行分析和判斷。頻率響應(yīng)法測(cè)試變壓器繞組變形時(shí),最好1kHz～1 MHz 范圍內(nèi),此時(shí)繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用,其頻率響應(yīng)特性具有較多的諧振點(diǎn),能夠靈敏的反映繞組變形情況[15]。用頻響分析法測(cè)試變壓器繞組變形時(shí),測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)有氣焊干擾、套管末屏是否解開(kāi)、測(cè)試接地點(diǎn)不同和人體是否靠近測(cè)試點(diǎn)等因素對(duì)

22、測(cè)試結(jié)果均有影響,其中套管末屏是否解開(kāi)和人體是否靠近測(cè)試點(diǎn)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大,僅在高頻段稍微發(fā)生偏移,而氣焊干擾和測(cè)試接地點(diǎn)不同對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大,在中頻段就發(fā)生大幅偏移,實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)當(dāng)特別予以重視。</p><p>　　可以用一種分析變壓器繞組內(nèi)部短路故障的數(shù)值建模和仿真方法,為故障變壓器的電磁分析建立一個(gè)簡(jiǎn)單有效的模型,該模型精細(xì)模擬繞組結(jié)構(gòu),并通過(guò)有限元分析過(guò)程中的特殊處理,使變壓器繞組中的短路故障較為真實(shí)

23、地在數(shù)值仿真中得以實(shí)現(xiàn)。使用有限元分析提取等效參數(shù)并結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)方程方法研究變壓器匝對(duì)地短路和匝間短路現(xiàn)象。利用該方法計(jì)算一臺(tái)單相雙繞組變壓器在不同類型故障情況下,端部電量和磁場(chǎng)分布與故障位置之間的關(guān)系。仿真結(jié)果證明:該模型簡(jiǎn)單有效,以較小的計(jì)算代價(jià)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器內(nèi)部短路時(shí)端口電量進(jìn)行研究的目的,所得結(jié)論有益于變壓器的故障檢測(cè)和診斷。</p><p>　　近年來(lái)，我國(guó)的電力事業(yè)迅速發(fā)展，給電力變壓器的短路故障分析

24、提出了更高的要求，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外水平了解和認(rèn)識(shí)，找出存在不足和缺陷，提出以后變壓器繞組間短路故障分析的發(fā)展方向，可提高電網(wǎng)的管理水平、減小事故經(jīng)濟(jì)損失。</p><p><b>　　4參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］高朝霞,馬濤, 王永兒, 汲勝昌.短路阻抗法結(jié)合頻響法診斷變壓器繞組變形的分析與應(yīng)用[J]. 電力設(shè)備,2006,(12)：32-34.<

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