变压器绕组变形测试方法

1.2.
对于新安装和故障后的变压器，一般需要进行绕组变形检测。目前，我国通常采取出厂前检验、现场安装后检验、运行期间进行常规检测和故障后的全面检测等方式。通过对相关特征量进行测量分析，从而判断绕组是否有变形、位移等异常现象发生。
变压器绕组变形后，通常会表现出各种异常现象，许多特征量如电气参数、物理尺寸、几何形状以及温度等与正常状态相比有较大差异，以此为基础形成了多种绕组变形检测方法。目前，各种绕组变形检测方法均没有通用的状态量对绕组的状态进行描述和判断，也没有通用指标去量化绕组变形程度，都是依据自己的测量理论基础，采用相应经验和判断标准而进行最后的绕组变形程度和变形位置判断。
综上所述，短路阻抗法需动用庞大的实验设备，且费时、费力，而且灵敏度不高，难以保证测量精度，在现场使用有困难。低压脉冲法在间隔较长时间时，重复性差，且对变压器绕组的首端故障不灵敏。频响分析法的测试重复性比较好，可用于系统中运行变压器变形的检测。电容量变化法受绕组本身电容的影响，对鼓包、扭曲等故障的测试灵敏度很差。超声波检测法受油温以及有油无油状态影响严重。而振动法对测试仪器以及人身安全都有影响。总之，频响分析法与以上各种方法相比，具有试验设备简单轻巧，测试灵敏度高，实验图谱分析直观，数据量值分析具有可比性等优越性[24]。
超声波检测变压器绕组变形的方法是将超声探头接触变压器外壳钢壁上某一位置，通过耦合剂（黄油）使探头与变压器外壳紧密接触，并使探头中心对准需要测量的绕组。在同步信号作用下，发射电路激励超声探头发射超声波，超声波在穿过钢壁、变压器油后到达变压器绕组，并在其表面发生反射，反射回波沿着一定路径返回，同样的穿过变压器油、变压器钢壁外壳，到达超声接收探头并产生接收电脉冲信号，通过相关电路处理，可以得知超声波在变压器钢板和油中传播、往返一次所用的时间t。对于变压器绕组和外壳钢壁而言，绕组表面上每一点到油箱表面之间的距离都是一个恒定值。如果绕组发生凹进、凸出或者移位等异常故障，距离会发生相应改变，通过比较，就可以得知绕组变形状态[23]。
1.2.1.
变压器的短路阻抗是指变压器的负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗，反映了绕组之间或绕组和油箱之间漏磁通形成的感应磁势。短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量，对于1l0kV及以上的大型变压器，电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压器的短路电抗分量，就是变压器绕组的漏电抗。在频率一定的情况下，变压器的漏电抗值是由绕组的几何尺寸所决定的，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变[9]。
近些年来，我国的电力事业发展很快。据最新资料统计，截至2006年底，中国发电装机容量达到62200万千瓦，居世界第二位[ ]。随着电网容量的不断增大，超高压与特高压电力系统的逐步建立，大容量、大区域互联和西电东送等复杂系统的即将形成，对电力系统的安全运行和供电可靠性都提出了更高的要求。特别是随着超高压输电系统全国联网、紧凑型输电线路的建成、带有串补或静补的交流柔性超高压输电系统的采用，输电系统的短路电流将达到较高水平，如63kA[ ]。这就要求各变压器产品都能承受较高短路电流所产生的较大电动力和机械力。
1.2.2.
变压器绕组在较高频率的电压作用下，其铁芯的磁导率几乎与空气的一样，绕组本身可以看作一个由线性电阻、电感、电容等组成的无源线性分布参数网络[13]，其等效电路如图1－2所示。图中，L为饼间电感，K为纵向电容，C为对地电容。
图1－2变压器绕组的等效电路
低压脉冲法是1996年由波兰的Lech和Tyminski提出。其基本原理是在变压器绕组的一端施加稳定的低压脉冲信号，并且同时记录该端子和其它端子的电压波形，通过将时域中的激励与响应做比较，可对绕组的状态做出比较正确的判断。当变压器的绕组发生变形时，相应部分的电感、电容等参数都会发生变化，当在输入端施加脉冲电压激励时，将引起输出端响应的变化。
这种方法的优点是，测试系统与整个电力系统没有电气连接，可安全、可靠地达到在线监测的目的[25]。其缺点在于，电力变压器在运行过程中随时可能发生短路故障，如果在突然短路的变压器内部绕组发生故障，将导致带电绕组与油箱接触，油箱可能带有很高电压，另外，暂态感应也会在变压器器身上产生高电位，对测试仪器和人身安全都有影响[26]。
变压器承受短路冲击以后，运行单位一般都用常规电气试验项目和绝缘油分析来检查变压器的绝缘状况。检查结果表明，有的变压器电气试验和绝缘油分析均在预防性试验规程所规定的范围内，但吊罩检查却发现绕组己明显变形或绝缘垫块严重松动，说明常规电气、油化试验项目不能有效地发现变压器绕组变形性缺陷[7]。而吊罩检查虽很直观，但需花费大量的人力、物力、财力，而且对判断内侧绕组有无变形仍有困难[8]。为了满足电力系统要求，弥补常规电气方法和吊罩检查方法所存在的不足，国内外对变压器绕组变形的检测均进行了大量研究，并逐步形成了以下几种较为成熟的检测方法。
因此，研究变压器绕组发生变形的原因、诊断方法和防治措施，对减少变压器事故的发生具有重要意义。目前进行变压器绕组变形检测深受国内外关注，已经成为变压器安全运行的重大研究课题，有些国家甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置，我国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，也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。[6]
变压器绕组变形测试方法
第一章
1.1.
变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其安全运行对于保证电网安全意义重大。如果一台大型电力变压器在系统运行时发生事故，则可能导致大面积停电。变压器的检修期一般要达到半年以上[ ]，不但花费大，而且影响面广。因此有必要对变压器进行故障分析、增强故障检测手段、降低故障率，以保证电网的安全运行。
1.2.4.
《电力设备预防性试验规程》规定：变压器绕组的tan δ每一至三年测试一次。在变压器投运前和预防性试验时，我们只须用常规的QS1电桥(或抗干扰电桥)测量各级绕组的tan δ，同时计算出对应绕组的电容量，不需要增加新仪器[20]。如果发现变压器某绕组的电容量与以前的数据相比有明显的变化，说明变压器绕组有可能存在异常。
因为变压器每个绕组可以看成是一个由电阻、电容、电感等构成的网络，所以绕组的等值电容量直接反映出各绕组间、绕组对铁心、绕组对箱体及地的相对位置和绕组的自身结构等。变压器产品出厂后，其各绕组的电容量基本上是一定的。只要变压器没有受过短路冲击，即使在有温度、湿度影响的情况下，其电容量变化也很小。当变压器遭受短路冲击后，若绕组无变形或变形轻微，其电容变化量也较小；若某侧绕组变形严重，则其电容量变化较大。所以根据变压器绕组的电容变化量，能够判断出该变压器绕组是否发生变形。
据有关统计资料介绍，变压器绕组是变压器事故损坏的主要部位。变压器绕组抗短路能力差是造成变压器运行损坏的主要原因。广州电网在2000年以来，由广州电力局管辖的变电站已有两台220千伏主变压器因遭受外部短路故障冲击，直接引起变压器内部突发性短路故障损坏（伍仙门站2号变和瑞宝站1号变）。另有三台110千伏主变压器在运行中因遭受过电压引起绝缘损坏，其中松仔岭站1号主变因系统过电压引起变压器主绝缘击穿后造成线圈匝间和层间短路故障；大涌站1号主变因雷击引起过电压，造成B相高压线圈端部电容屏击穿引发的线圈匝间和层间短路故障；荔城电厂降压站1号主变因在空载充电过程出现过电压，引发C相套管末端均压罩对变压器内箱壁放电，由于放电能量大，造成变压器箱体破裂以及高压侧套管错位喷油。另一台不属于广州电力局管辖的番禺砺江电厂（地方电厂）110千伏3号升压变，因B相高压套管端部密封不良造成高压引线及线圈端部进水受潮，在运行中突发绝缘损坏事故。[4]
西安交通大学的李彦明教授[14][15]、重庆大学的孙才新教授[16]在利用小波分析法剔除干扰，利用模极大值等作为故障特征量，进而提高变压器绕组变形判断的灵敏度方面作了很多研究工作，并取得了良好的效果。
低压脉冲法现己被列入IEC及IEEE电力变压器短路试验导则和测试标准[17]。但该方法应用于现场试验中，尚受测试过程中各种电磁干扰的影响，可重复性较差[18]，且对绕组首端位置的故障响应不灵敏，较难判断绕组变形位置[19]。
频响分析法的具体实施过程为：将一稳定的正弦扫频信号施加于被试变压器绕组的一端，同时记录该端子和其他端子上的电压幅值及相位，从而得到被试绕组的一组频响特性。实践证明，频率响应法确实能够为变压器绕组变形的诊断提供一个较为准确的依据[20]。
频响分析法对比于低压脉冲法，避免了仪器笨重和测试结果重复性差等缺点[20]，降低了电磁干扰的影响，可重复性较好[18]，且可以较为直观地分析频率响应曲线，测试灵敏度较高[20]。目前该方法己在国内外变压器运行和生产部门得到推广应用，并取得了成效。但由于测试结果受很多不确定性因素的影响，其诊断结果尚具有某种不稳定性。
1.2.3.
频响分析法最早是由加拿大的E.P.Dick和C.C.Erven提出并应、电感等分布参数所组成的两端口网络（电阻很小，可忽略不计），其等效电路如图1-2所示。将输入激励与输出响应建立函数关系，并逐点描绘，就得到了反映变压器绕组特性的传递函数特性曲线。变压器结构一定时，变压器绕组的参数和函数曲线也就随之确定，当变压器内部发生变化时，其绕组的分布参数就会发生改变，相应的函数曲线也会随之改变。
该方法原理简单，操作容易，直接性好，重复性也较好[22]。但这一方法在有油和无油状态下的结果差异较大，另外，试验结果还会受温度的影响，因此该方法还有待于进一步完善和发展[24]。
1.2.6.
振动法是通过贴在变压器器身上（油箱）的振动传感器，在线监测绕组及铁芯的状况，良好状态变压器的振动特征向量（包括绕组和铁芯振动信号的频谱、功率谱、能量谱等）作为指纹留用，一旦变压器绕组发生故障，当前振动特征向量的变化就会快速地反映出来[25]。这种方法最早是在电抗器上采用，对于在电力变压器上使用振动测试，加拿大、俄罗斯及美国等国已进行了多方面的研究。
这种测试方法简单、方便、工作量小，在实际工作中已被福建省全面推广使用，但由于绕组电容量本身具有一定的分散性，因此对鼓包、扭曲等故障的测试灵敏度很差，只能作为补充测试方法[21]。