变压器绕组形变检测方法研究

在众多电力事故中，受变压器绕组故障这一因素导致的占比较大，国内外积极展开多项有关的研究分析工作，希望寻求出检测和诊断绕组结构变形的有效方法。在变压器绕组变形前期时，集中参数检测法作为其最常用的分析方法，但因为受到多方面的限制和约束，这种方法只能将绕组发生严重变形的情况诊断出来，并且采用这种方式操作过程不仅繁琐且灵敏度不高。此外还有很直观的吊罩检查这一事后检查方法，但这种方法同样也存在许多不足，除了无法准确检查绕组内部的变形情况外，在操作上难度很大还需花费大量人力、物力。目前在变压器绕组变形分析方法的选择上，低压脉冲分析法、短路电抗试验法、频率响应分析法和振动分析法是国际上最常采用的。

（来源：微信公众号中国电力设备管理协会 ID：gh_f69f95f1b242）

1 低压脉冲分析法

1966年波兰人Lech和Tyminski提出低压脉冲分析法(LVI法)，基本原理在于对比变压器绕组的激励端和响应端时域信号间的变化情况，从而得出绕组的状态信息。具体做法为：将一个稳定的低压脉冲信号源输入被测变压器绕组的一端，然后在信号端和其它端对电压波形数据进行同步记录，最后对比激励端和响应端时域信号的变化。总体来说，一旦绕组发生形变，那么将会致使与之相关的绕组上电容和电感等效参数随之同步改变，这就代表着绕组的内部特性有所变化。因此，通过在变压器绕组上输入相同的低压脉冲信号这一方式，然后根据其变形前后的响应信号变化情况，从而获得绕组的状态信息[1]。低压脉冲法常见用于作为检验变压器的短路耐受试验。在当时受计算机信息与电子技术的发展限制，这一方法并未得到进一步的发展与普及。直至80年代，依赖于微处理、计算机等技术的普及，为低压脉冲法注入了新的发展动力。如今俄罗斯等多个国家都针对此方法提出了多项改进完善措施，相信低压脉冲法会在将来更好的为人们服务。

2 频率响应法

频率响应法(FRA法)最早于1978年被加拿大科学家E.P.Dick提出，具体做法为将扫频信号输送进变压器绕组某一侧端口，在另一侧端口同步记录输出响应信号，然后将不同频率点的输入、输出频率之比按照频率的变化绘制出对应的频谱曲线图。频谱曲线图实质在于对不同频率状态下变压器绕组电压不均匀分布的状态的反映。当频谱曲线达到峰值时，说明在此时刻绕组中电压分布可能达到极端状态，可能导致谐振的发生[2]。就是通过研究分析类似的具体频谱曲线变化，从而对绕组的结构特性做出相应的判断。尽管频率响应法在灵敏度方面具有十分明显的优势，但是也存在许多不足之处：一方面仅适用于变压器停机状态，并且各个不同型号间并不兼容，无法建立统一标准来明确故障的来源；另一方面需要保证测线方式的一致性与可重复操作性，并对操作人员的专业技能素质要求较高，其进一步应用和普及受到了很大的限制。

3 短路电抗试验法

短路电抗试验法(SCR法)最早由苏联时期提出。绕组发生变形会导致漏磁磁路的相应改变，而其漏磁磁路变化可通过漏电抗变化直接反映出来。因此，对绕组结构情况的判断能够由漏电抗的变化情况进行。当变压器一旦短路，绕组是否发生变形能够通过短路前后测得的短路电抗变化进行相应的判断。在一定范围内即短路电抗变化量较小，则判定绕组基本无变形，当数值超出标准范围时则可判定已发生变形。其变化的数值标准可以参考新国标规定：在进行变压器短路试验时，要求对试验前后每一绕组的短路电抗进行测量，将其前后的变化量作为判断其质量合格的主要依据。在判断标准方面，各国根据自身实际情况有所差异。例如IEC和IEEE标准中，短路电抗变化率超过3%即属于不正常；在意大利标准中则要求不能超过2.5%，一旦超过这个标准则需要增加测量次数，超过5%则应立即停止运行；国标GB1094.5则根据变压器类型的不同具有不同的规定标准：对具有圆形同心式线圈的变压器来说，短路电抗变化率应该低于2%，针对低压线圈为金属箔绕制及阻抗电压为3%或以上的变压器，其标准变化率应低于4%；对非圆形的同心式线圈的变压器及阻抗电压为3%或以上者，其标准变化率应低于7.5%，针对其他特殊情况，可以与制造厂或使用部门进行合理协商，将7.5%的值进行适当降低[3]。经过多年的实践积累，短路电抗试验法逐渐形成统一的定量判据，并制定出相应的标准。相比于其他方法，短路电抗试验法具备较强的重复性，在进行评估绕组变形时准确性较高。因此，短路电抗试验法无论是在理论还是实践方面，都是一种十分有效的变压器绕组变形的判断方法。

4 振动分析法

上世纪八十年代俄罗斯学者首次提出了振动分析法。主要原理为在线监测变压器的振动信号，通过分析振动信号对绕组实际状态进行判断。简单来说，就是通过振动传感器从而获得变压器箱壁上的振动信号，对绕组的诊断是通过各振动因素参量引起其机械特性的变化来进行的。只要其机械特性有所变化，在振动特性参量中能得到直接的反映，并且灵敏度较高。除此之外，对于振动信号检测与变压器的强电系统二者间并无直接电气接触，因此变压器正常运行不会受到测量系统的影响，说明振动分析法具备安全性。近几年，美国等发达国家对振动分析法的多方面进行研究分析，并进行了多项有关测试试验。测试结果显示其通过率高达80%以上，因此振动分析法受到广泛欢迎和使用。我国相关方面研究尽管起步较晚，但也正在积极开展之中，相关科研人员利用计算机技术、数据采集装置和高精度加速度传感器等，建立了一套变压器振动信号测试系统。其工作原理为：在上位机后台对振动数据分类和在线分析，再通过建立相关数学模型提取振动参量并进一步转化为相关参数，从而完成对绕组运行情况的在线诊断[4]。综合来说，振动分析法在精确度、实用性等方面具有十分明显的优势，然而依旧处于需要不断发展探索的阶段。振动分析法的发展有赖于多项技术的进步，其中包括数据检测、信号处理技术，以及模糊控制、小波分析等人工智能算法的普及。想要完善振动监测法的诊断作用，从振动信号中获取更多有效信息，只有不断加大研究的力度与深度，不断积累经验发展创新[5]。

5 几种检测方法的比较

低压脉冲分析法。优势在于速度快、灵敏度高，不足之处在于抗干扰能力差、测量方法复杂等方面，且其灵敏度受测试绕组部位的影响，尤其是首端部位灵敏性严重不足，这种情况只能依赖工作人员的经验来进行判断。频率响应分析法。优势在于现场测试可重复性和抗干扰能力，不足之处在于还未建立统一的特征量分析标准，同样依赖工作人员的实践经验。短路电抗试验法。判断与接线方式统一便捷，测试程序简单是最主要的优点。尽管其判断标准并不全球统一，但各国都根据自身情况制定了各自的判断标准，并且还设立了IEC和国标标准等较为全面通用的标准。然而，因这一方法需要在离线状态下进行，因此对实验设备的要求较高，试验时间较长，在一定程度上限制了其现场使用。除此之外，相对于上述两种方法，在绕组变形不明显时的测试灵敏度较低。振动分析法。优势在于能够进行在线监测与诊断。振动信号由加速度传感器获取，变压器的正常运行不会受影响。然而，变压器运行方式及温度等因素将会严重影响到振动信号测量结果，因此有待更深入的研究从而得到更好的发展。短路电抗在线监测法。具有抗干扰能力强、判断标准统一、采用在线监测与判断方式的众多优势。同时，在工程实践中能在线监测绕组的状况以便及时检修，并能通过判断结果了解变压器退出运行的最佳时机。短路电抗试验法在状态检修工程和预防电力事故等方面的作用十分重大。

6 结语

详细介绍了变压器绕组形变的检测方法，包括低压脉冲分析法、频率响应法、短路电抗试验法和振动分析法。同时对这几种方法进行了对比，得出短路电抗试验并结合在线监测的方式能在线监测绕组的状况，以便及时检修，并且能通过判断结果了解变压器退出运行的最佳时机，具有较好的工程应用价值。

参考文献

[1]王雪,赵治刚.基于“磁-结构”耦合的变压器绕组弹塑性变形研究[J].变压器,2019,56(02):50-53.

[2]张哲铭,靳宇晖等.基于感应式振荡冲击耐压试验的变压器故障诊断技术[J].高电压技术,2019,45(02):549-556.

[3]陈乃川,孙波,李宏达.纳秒脉冲响应法的变压器绕组检测技术研究[J].沈阳理工大学学报,2019,38(01):73-78.

[4]姚创,段明辉等.基于有限元法的变压器绕组变形临界点分析[J].现代工业经济和信息化,2018,8(17):25-26.

[5]涂正宏,李磊等.基于多点阵列式三维成像的变压器绕组超声波检测系统研究[J].机电工程,2018,35(06):613-617.