1、變壓器繞組變形的頻率響應分析法綜述何平,文習山(武漢大學電氣工程學院,武漢430072摘要:目前對繞組頻率響應的分析方法主要是基于幅頻響應曲線的分析,因此從頻段劃分、幅頻曲線特征的分析及曲線相似指數3方面綜述了幅頻響應曲線的研究現狀,介紹了頻率響應分析法的原理,從掃頻范圍的選擇和影響測量的因素2方面討論了繞組頻率響應的測量,認為應建立原始的繞組頻率響應數據庫,在反映繞組變形程度的曲線相似指數研究方面有待于提出切實有效的量化標準。關鍵詞:變壓器;繞組變形;頻率響應分析法;頻譜特性;故障診斷中圖分類號:TM406文獻標識碼:A文章編號:100326520(20060520037205Survey

2、of Frequency R esponse Analysis on WindingDeformation of T ransformersH E Ping,WEN Xishan(School of Elect rical Engineering,Wuhan University,Wuhan430072,ChinaAbstract:Power transformers are important and expensive units in electric power networks.Short circuit currents or forces during transportatio

3、n can cause mechanical faults in transformer windings.These faults are winding move2 ment,loss of clamping pressure,buckling,disc deformation etc.Frequency response analysis(FRAmethod is more and more f requently being used for identification of transformer windings as a main diagnostic tool.FRA con

4、2 sists of measuring f requency response of transformer windings over a wide range of frequencies and comparing the results with a reference set.This paper briefly introduces the principle of FRA method and presents a review on the current state of FRA method for detecting winding deformation of tra

5、nsformers,including FRA measurements and analyzing techniques and interpretation f rom the result obtained.FRA measurements is discussed focusing in the se2 lection of swept f requency range and factors that impact the measurements.The FRA results are usually presented on a graph of amplitude or pha

6、se against frequency.The phase2frequency graph does not contain as much usef ul in2 formation as the amplitude2f requency graph and it is often not plotted or analyzed.So far the method for analyzing and interpreting the FRA results is based on analyzing and interpreting the amplitude2frequency grap

7、h.The current status of analyses of f requency response of transformer windings researches are summarized in regarding the division of f requencies,characteristics of winding f requency response and statistical indicators of the amount of agreement or disagreement between the two sets of measurement

8、s.The establishment of FRA results from former times is sug2 gested.There is room for improvement on summation of type of faults in relation to characteristics of the amplitude2 frequency graph.An appropriate statistical indication and its criterion should be carefully designed and testified by a la

9、rge number of experiment data.The f uture research should emphasize winding deformation location and intelligent diagnosis,such as artificial neutral networks,data mining,or pattern2based fault classification.K ey w ords:power transformer;winding deformation;frequency response analysis;f requency sp

10、ectrum signature; fault diagnosis0引言變壓器是電力系統中主要的電氣設備,其正常運行對電力系統的安全生產和可靠性意義重大。據統計,約25%的變壓器故障由繞組變形引起1。用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形,具有檢測靈敏度高、現場使用方便、可在變壓器不吊罩的情況下判斷變壓器繞組變形等優點,在電力行業得到了廣泛應用。據國內的統計數據,2000年以前全國已測量了>2000臺次的變壓器繞組頻率響應2。1996 2002年廣東省用頻率響應分析法測量110kV 電壓等級的變壓器臺數已>2000臺次3,2004年江蘇省用頻率響應分析法檢測新投運的220kV及以上電壓

11、等級的變壓器76臺4。文5,6表明頻率響應分析法檢測繞組變形基本涵蓋各類型和電壓等級,成為變壓器繞組變形現場試驗的主要方法。應用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形最早是由加拿大的Dick提出7,20世紀90年代初我國開始研究頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形8。將頻率響應分析法成功應用于變壓器繞組變形的檢測須解決兩方面問題:一是繞組頻率響應的測量,即如何獲得穩定、真實的變壓器繞組的頻率響應曲線;73第32卷第5期2006年5月高電壓技術High Voltage EngineeringVol.32No.5May.2006二是分析繞組的頻率響應特性,并判斷繞組是否變形、變形的種類及變形的程度。本文就國

12、內外關于頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形的研究現狀進行綜述并對其今后的發展方向進行了分析,以促進該研究的進一步發展。1頻率響應分析法原理當頻率較高時,變壓器繞組視為一個由線性電阻、電感(互感、電容等分布參數構成的無源線性雙口網絡。該網絡的傳遞函數H(j的極點和零點分布與網絡內部的元件參數密切相關。繞組發生局部機械變形后其內部的電感、電容分布參數必然發生相對變化,繞組的傳遞函數也會相應變化,即網絡的頻率響應特性發生變化。頻率響應分析法是在較寬的頻帶上測量變壓器繞組的傳遞函數,并分析繞組的頻率響應特性,判斷繞組狀態的方法。因注入繞組的信號不同,有兩種不同的方法測量繞組的頻率響應:將一穩定的正弦波掃

13、頻信號施加到被試變壓器繞組的一端,此方法稱為掃頻法,由加拿大的Dick于1978年首次提出7;將一脈沖信號注入被試繞組的一端,同時記錄該脈沖信號和另一端的響應信號并將此兩信號轉換為頻域信號,即得繞組的頻率響應特性,此方法稱為脈沖響應法或傳遞函數法,由加拿大的Malewski于1988年首次提出9。脈沖電壓的幅值為100V2kV,荷蘭的Vaessen 用數字化儀記錄時域信號,提高了頻譜在幅值和相位上的分辨率10。德國的Feser和Christian等人對此法作了大量研究11216。脈沖響應法的測量時間比掃頻法要短,但德國的Wenzel認為時域信號很小的誤差會對高頻段傳遞函數造成很大的影響17,另

14、外,掃頻法相對于脈沖響應法有以下優點:信噪比好;在整個測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;測量需要的設備少18。因此,變壓器繞組變形的頻率響應分析法大都采用掃頻法測量。2變壓器繞組頻率響應的測量通常將掃頻的頻率范圍選為1k Hz 1M Hz19,這是因為變壓器繞組的頻率響應特性通常具有以下特征:當頻率<1k Hz時,其頻率響應特性受繞組電感、鐵心及鐵心中剩磁影響18,諧振點通常較少,對分布電容的變化不夠敏感;當頻率>1 M Hz時,繞組的電感又被分布電容所旁路,諧振點相應減少,對電感的變化不夠敏感;且隨著頻率的升高,測試回路(引線的雜散電容對測試結果造成明顯影響

15、;在1k Hz1M Hz范圍內,繞組的分布電容和電感均發揮作用,其頻率響應特性具有較多的諧振點,能反映出繞組分布電感、電容的變化。因此通常選用1k Hz1M Hz作為掃頻測量范圍。大量的試驗及現場測量結果表明,變壓器繞組在1k Hz1 M Hz范圍內的頻率響應能反映繞組匝間(餅間短路、扭曲和鼓包等局部變形及繞組整體移位或引線位移現象。德國的Gharehpetian等人通過建模及測量,發現在110M Hz范圍內出現因繞組諧振引起的高頻過電壓現象20,21。加拿大M.Wang等人在研究繞組的微小變形時頻率響應曲線在10M Hz范圍內變化影響頻率響應測量結果的因素有:并聯電阻、高壓套管、變壓器中性點

16、接地方式、測量引線。結果表明,測量引線和并聯電阻對高頻下的測量結果影響最大,在減小測量系統影響條件下,>1M Hz頻段的測量結果更能反映繞組微小的變化22。基于上述研究,2005年M.Wang等人提出了HIFRA法,將最高頻率擴展到10M Hz,提高了頻率響應分析法的靈敏度,能及時發現變壓器繞組的變形23。該方法的主要指導思想是盡量減小測量系統對頻率響應的影響,將傳感器放置在變壓器內部。目前該法在實驗室中做到了10 M Hz,但在現場只做到3M Hz。頻率響應分析法是基于比較的方法,測量的頻率響應數據與參考頻率響應數據要在同樣的測試條件下比較。在測試過程中,改變測試條件對測試結果的重復性

17、有一定影響,其中包括測試系統和變壓器本身對測試結果的影響。測試系統的影響因素有:測量引線的長度和接觸電阻3,22,23、測試儀器地線長度3,18,24226、信號源位置6,24226、并聯電阻對頻率響應測量中頻率應用范圍的影響。文22,23研究了變壓器繞組導納的頻率響應,認為測量時使用的并聯電阻越小,頻率響應(FRA測量的靈敏度就越高。當并聯電阻為50時,頻率范圍最高為500k Hz,10時最高為3 M Hz,1時最高為10M Hz。另外,接線人員在一定距離內,其身體與變壓器套管的遠近、有無接觸套管等因素對測量結果有影響5,27。變壓器本身對測試結果的影響因素有:與變壓器套管端部相連的引線3,

18、6,26、分接開關位置3,6,24,25、變壓器本體接地電阻22225、鐵心的接地狀態6、高壓套管22,23、聯結組別28,29、變壓器油,包括變壓器內部是否充油、油溫、油的種類、油老化程度等6,30。當兩次測量中的油的狀態明顯不同時,文18建議最好再進行相間比較。3頻率響應曲線的分析目前對頻率響應的分析方法主要是基于幅頻響83May.2006HighVoltageEngineering Vol.32No.5應曲線的分析,即是對繞組的幅頻響應曲線進行縱、橫向比較。通過曲線上的諧振頻率的偏移、消失或產生來判斷繞組變形故障。縱向比較法是對同一臺變壓器、同一繞組、同一分接開關位置、不同時期的幅頻響應

19、特性進行比較,根據幅頻響應特性的變化判斷變壓器的繞組變形。橫向比較法是比較變壓器同一電壓等級的三相繞組幅頻響應特性,必要時借鑒同一制造廠在同一時期制造的同型號變壓器的幅頻響應特性,判斷變壓器繞組是否變形。在使用三相間頻率響應比較時,應注意頻率響應曲線的可比性。文6得出了各類變壓器線圈相間相似程度的總體情況:110kV降壓變壓器,各側繞組的相間相關性較好;220kV降壓變壓器帶平衡繞組者,相間相似性差,其低壓繞組最為突出;不帶平衡繞組的220kV降壓變壓器,各側繞組相間的相似性較好。發電廠變壓器中,主變壓器的高壓側繞組相間相似性較好,低壓側繞組較為復雜;啟動備用變壓器相似程度的分布較分散,但高壓

20、繞組相似性的情況比低壓繞組要好;高壓廠用變壓器各側繞組的相似性普遍較差。此外還發現,繞組電壓等級越低,其相間的相似程度越差,文5表明部分低于110kV的變壓器在三相頻率響應曲線間的比較上不一致。3.1頻段劃分通過幅頻響應曲線判斷繞組變形的關鍵是認識曲線上波峰波谷的位移、諧振頻率的產生或消失對應繞組的何種變形。因在不同的頻段,繞組等效電路中電感和電容占的主導作用不同,使繞組的某些變形往往只涉及到頻率響應曲線的部分頻段上的變化,所以通常將整個頻段分為高、中、低頻段分析。各頻段的劃分方法有2種:用頻率的固定值劃分各頻段,文19分別將100k Hz和600k Hz作為低中頻和中高頻的劃分頻率,文31分

21、別將10k Hz 和600k Hz作為低中頻和中高頻的劃分頻率;考慮到各頻段的變化主要是由該段上的極點變化引起,文32采用了等分極點法,將測試頻域按極點數分為3段,使每段包含的極點數相同。文33進一步應用這種方法,根據試驗數據,總結了YNd聯結變壓器高、低壓繞組的頻率劃分范圍。文34分類統計了不同類型、不同廠家的變壓器的頻譜曲線上的極點,提出了統一的中低頻和中高頻分頻點。3.2幅頻響應曲線分析澳大利亞的Islam在大量試驗的基礎上總結了繞組參數和繞組故障類型的對應關系,見表135。可見,變壓器繞組變形故障時,主要是繞組電感和對地電容發生變化,繞組的幅頻響應曲線相應變化。頻率較低時,繞組的對地電

22、容及餅間電容形成表1變壓器繞組參數與故障類型的對應關系T ab.1Summ ary of type of faults in relationto winding parameters名稱電感對地電容縱向電容故障類型線餅變形、局部擊穿、繞組短路線餅移位、機械扭曲、受潮、夾件壓力喪失絕緣老化的容抗較大,感抗較小,繞組由于整體或局部的拉伸和壓縮造成匝間距離變化以及匝間或餅間短路時,主要反映是繞組的電感發生變化,導致其幅頻特性曲線低頻部分的諧振頻率明顯變化。文28,29, 36表明繞組匝間或餅間短路時,幅頻響應曲線在< 300k Hz出現諧振頻率偏移。幅頻響應曲線的中頻段是頻率響應分析的重點范

23、圍。該頻段上幅頻響應曲線的諧振點較多,呈較多的波峰和波谷,能反映出繞組電感、電容的變化。試驗表明,中頻段諧振頻率和諧振峰幅值的變化能反映繞組發生扭曲、鼓包、斷股等局部變形現象27,28,37。文38表明線圈松動、斷股、扭曲、上夾件破裂等故障使幅頻響應曲線上的約300k Hz處的諧振頻率變化,波谷幅值減小。文39表明繞組多股燒損,變形嚴重時,200500k Hz范圍內的諧振點偏移,500k Hz處諧振峰幅值變化。文29表明軸向壓縮、撐起等軸向變形時,幅頻響應曲線上的200500k Hz范圍內的諧振頻率發生變化。頻率較高時,繞組的感抗較大,容抗較小,由于繞組的餅間電容遠大于對地電容,諧振峰的位置主

24、要以對地電容的影響為主。線圈的整體及引線位移和松散等變形是造成頻率響應曲線高頻段變化的主要因素18,27。由于測量系統本身對頻率響應的高頻段影響較大,頻率響應曲線高頻段變化較大時,應排除測量系統的影響。圖1為典型的變壓器繞組幅頻響應曲線。該圖是某變壓器遭受短路故障后,低壓繞組三相的幅頻響應曲線28。從圖中可見,A相曲線與B、C相差別較大,在約100、225、400k Hz發生諧振頻率偏移;在約225k Hz諧振峰的幅值變化較大;在約600 k Hz產生新的諧振頻率。說明A相繞組可能存在匝間或餅間短路、鼓包和扭曲等變形。經吊罩后,發現低壓繞組A相出現匝間短路、明顯的局部較大鼓包和扭曲現象。值得注

25、意,以上討論的是各種變形對幅頻響應曲線各個頻段上的主要影響,也有例外的情況,如文29表明繞組的徑向脹出、凹陷等局部變形引起了整個頻段上曲線的變化:<500k Hz的諧振點發生偏移,>500k Hz的諧振峰幅值發生變化;文27表932006年5月高電壓技術第32卷第5期 圖1典型的變壓器繞組幅頻響應曲線Fig11Typical FRA results of a transformer(L V winding明繞組整體變形位移時,幅頻響應曲線上10200 k Hz內諧振點減少或向高頻方向信號幅度增大。另外,變形輕微的繞組的幅頻響應曲線受相鄰損壞嚴重的繞組影響而畸變30。所以,幅頻響應曲

26、線分析繞組變形時,應綜合考慮變壓器遭受短路沖擊、變壓器結構、電氣試驗及油中溶解氣體分析等。3.3曲線相似指數目前研究最多的指數是相關系數。因整個頻段上的相關系數有時不能反映該頻段的曲線差異,故應將整個頻率范圍分段后,分別在各個頻段上計算相關系數。文40提出的標準偏移與均方差屬于誤差平方和。文41認為當兩曲線形狀相似,幅值不同時,計算出的相關系數會產生較大的誤差;使用誤差平方和時,幅頻響應曲線上波谷附近和低幅值處的有用信息被忽略,該文提出了對數誤差的絕對和。另外,還有加權歸一化差值42、波譜偏移值43、可信區間12,44等指數。這些指數(含相關系數判斷繞組變形的不足是無統一的量化指標。盡管有學者

27、提出一些指數的量化指標,新頒布的標準19給出了相關系數與變壓器繞組變形程度的關系的參考值,但這些量化指標有待大量現場數據的驗證。4問題與展望變壓器繞組變形測量國內始于1990年,得到各方面的重視,有了較多的現場測試經驗,對頻率響應分析法的靈敏度及檢測故障的可靠性等方面進行了大量的探討。但長期以來,用頻率響應分析法診斷變壓器繞組變形還建立在比較曲線圖譜的基礎上,即同一臺變壓器與其原始的頻率響應曲線比較,同一臺變壓器不同相間的比較,相同型號變壓器間的頻率響應的比較等,在目前還無明確的量化標準、缺乏深層次的診斷手段下,要有效應用曲線圖譜比較方法,其關鍵是對現有的和新安裝的變壓器建立完善的頻率響應原始

28、數據庫。原始數據庫除了記錄頻率響應數據外,還要記錄當時的測量裝置、測量程序、信號處理方法、變壓器分接開關位置等。變壓器頻域特性圖譜,因變壓器容量及繞線方式和試驗接線的不同,圖譜變化所在頻域也不同,因此,須進行大量現場測試,以便分析掌握變壓器頻域的圖譜共性及其判斷的原則。目前圖譜的分析診斷技術仍停留在物理概念分析和測試實踐經驗的總結上,幅頻響應曲線的變化對應的變形種類的研究有待進一步細化,反映繞組變形程度的曲線相似指數的研究有待在大量現場數據的基礎上提出切實有效的量化標準。繞組變形的定位,文45用高頻變壓器模型對繞組變形進行了理論分析,但少有此類研究的文獻,因此繞組變形的定位有待深入研究。繞組變

29、形的智能診斷,文46先將人工神經網絡運用于頻率響應法中,將相關系數和均方差值作為人工神經網絡的輸入量,用B P神經網絡診斷變壓器繞組變形。文47只以相關系數作為神經網絡輸入量,但在BP算法中加入了動量因子和學習率自適應算法,使學習速度較快。文48構造了BP 神經網絡,以變壓器繞組頻率響應的零點和極點作為神經網絡的輸入量,對12種繞組故障進行了訓練。各種因素對繞組狀態的影響使人工神經網絡的識別能力下降。隨著頻率響應分析法在變壓器繞組變形檢測中的廣泛應用,大量頻率響應數據的積累,為開展繞組變形的智能診斷研究(如人工神經網絡、數據挖掘、模式識別等提供了有利條件。參考文獻1Vandermaar A J

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