绕组变形诊断方法及其可靠性分析

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：据文献报道,变压器绕组变形的诊断方法主要有低压脉冲法、频率响应法和短路阻抗法等。由于每台变压器都对应有自己的响应特性,所以绕组变形后,其内部参数变化将导致传递函数的变化。实测表明,它能有效地检出变压器绕组变形。但为了防止发生突发性事故,决定解体检查,检查后发现低压绕组已严重变形。应当指出,这种方法在目前使用中,由于缺少原始试验记录,常用三相绕组的频率响应特性相互比较来做判

据文献报道,变压器绕组变形的诊断方法主要有低压脉冲法、频率响应法和短路阻抗法等。

1.低压脉冲法

当频率超过1k Hz时,变压器铁芯基本上不起作用,每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感和电容等分布参数组成的无源线性二端口网络,如图1-12所示。

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图1-12　单相变压器绕组的简化等值电路

L0—单位长度电感;K0—单位长度纵向电容;C0—单位长度对地电容

低压脉冲 (LVI)法就是利用等值电路中各个小单元内分布参数的微小变化造成波形上的变化来反映绕组结构 (匝间、饼间相对位置)上的变化。当外施脉冲波具有足够的陡度,并使用有足够频率响应的示波器,就能把这些变化清楚地反映出来。

测试时,可采用持续时间很短的脉冲波形,如0.1/5、0.3/1.5、0.1/1.0μs,重复脉冲发生器输出50～1250V 脉冲电压,重复频率为1000次/s或更高一些。将脉冲电压施加于电力变压器高压 (低压)绕组,低压 (高压)绕组三相并联在一起经一个电阻 (1～75Ω)接地,用电子示波器进行测量。其原理接线图如图1-13所示。

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图1-13　低压脉冲法原理接线图

测量接线有电压接线法、电流接线法和差分接线法等。其中差分接线法具有更高的灵敏度,其原理接线图如图1-14所示。吉林省电力试验研究所等单位曾应用此法对某台2000kVA、60kV、Y,d11接线的电力变压器低压绕组进行测量,得到的波形图如图1-15所示。

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图1-14　差分法原理接线图

(a)星形接线;(b)三角形接线

低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线,保持测量的可重复性。

低压脉冲法是波兰的W.李奇 (Lech)和L.塔米斯基 (Tyminski)于1966 年提出的,后来英国和美国又对其改进,主要用于确定变压器是否通过短路试验,现已被列入IEC 及许多国家的电力变压器短路试验导则和测试标准中。

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图1-15　低压绕组真实变形的测量波形

实线—变形前X;虚线—变形后Y

随着计算机技术及数字存储技术的发展,将时域信号以数字形式记录,并传输给计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。例如对数字形式的信号可进行平滑、滤波、频谱分析、相关分析及传递函数分析等。这些手段的引入较之单纯的时域分析能更有效地提取信号特征,更准确地对信号畸变的原因给出判断。基于上述思想,西安交通大学等单位对传统的低压脉冲法进行了改进,组成了以计算机为中心的低压脉冲法绕组变形测试系统,其测试原理框图如图1-16所示。其中低压脉冲源产生幅值800V、前沿0.25μs、半幅宽2.5μs的单极性脉冲电压信号;数据采集单元为两通道、8 位、20 M/s采样率的数据采集板,直接插在PC 机扩展槽内。对施加在变压器绕组上的低压脉冲信号及响应信号进行记录,并将数据传输给计算机。计算机软件对采集到的输入、输出信号进行处理、分析,并将信号曲线进行显示或以硬拷贝形式输出。

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图1　16 低压脉冲法测试原理框图

目前已在模型变压器上获得了一些有益的测试结果,为将这种方法应用于实践奠定了基础。

2.频率响应分析法

为了克服低压脉冲法的一些缺陷,1978 年加拿大的E.P. 迪克 (Dick)和C.C. 伊尔温 (Erven)提出了频率响应分析 (FRA)法,并在世界各国获得了较为广泛的应用。

频率响应分析法的原理是基于变压器的等值电路可以看成是共地的二端口网络。该二端口网络的频率特性可以用传递函数H(jω)=U0(jω)/Ui(jω)来描述。这种用传递函数描述网络特征的方法称为频率响应分析法。由于每台变压器都对应有自己的响应特性,所以绕组变形后,其内部参数变化将导致传递函数的变化。分析和比较变压器的频率响应特性,就可以发现变压器绕组是否发生了变形。诚然,绕组变形前的频率响应特性是分析和比较的基础。

图1-17给出了北京电力科学研究院研制的变压器绕组变形测试装置主接线。测量时,首先由计算机发出命令,让扫描发生器单元输出一系列频率的正弦波电压,加到被试变压器上。同时,让双通道分析单元分析、处理Ui、U0信号,并传送到计算机存贮起来,待试验数据采集完毕后,计算机判断被试变压器有无绕组变形,并以屏幕显示或绘制被试变压器频率响应特性曲线。

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图1-17　变压器绕组变形测试装置主接线

运行中的变压器在用频率响应分析法测试前,需将被试变压器隔离,并将所有套管上的母线拆开,这是为了把随变压器安装位置的不同及不平衡母线电容的影响降到最小。用适当长度的电阻为50Ω 的同轴电缆将频响仪和变压器连接起来,所有电缆都匹配到它们的特性阻抗,以减少反射。

测量被试变压器高压绕组的频率响应特性时,对星形接线,频响仪的输出电压加在高压绕组中性点与箱壳接地线之间,测量任一高压绕组端子对地电压与输出电压之比得到响应。对三角形接线,则频响仪的输出电压施加在任意线端上。根据实测结果,扫频范围以10k Hz～1 MHz为宜。高于1MHz时,分布网络参数主要由电容决定,进入线性范围。

北京电力科学研究院已用上述测试装置对百余台电力变压器进行测试。实测表明,它能有效地检出变压器绕组变形。图1-18给出某台31.5 MVA、35kV电力变压器事故前后的频率响应特性曲线。由图1-18 (a)可见,事故前,低压绕组三相的频率响应特性完全一致。由图1-18 (b)可见,近距离短路事故后,三相低压绕组的频率响应特性曲线一致性很差,然而该变压器的电气试验和色谱分析结果均属正常。但为了防止发生突发性事故,决定解体检查,检查后发现低压绕组已严重变形。

这种测试装置的优点是抗干扰能力强,测量重复性好,灵敏度高和操作方便。每台变压器的频率响应特性测试可在2h内完成。

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图1-18　31.5 MVA、35kV电力变压器频率响应特性曲线

(a)事故前;(b)事故后

目前,原电力部电力科学研究院和武汉高压研究所都自行开发研制了变压器绕组变形测试系统,并在电力系统中推广应用,取得良好的效果。

应当指出,这种方法在目前使用中,由于缺少原始试验记录,常用三相绕组的频率响应特性相互比较来做判断,因此,判据的确定需要一定的经验,也存在一定的不确定性。如普遍采用此方法后,建立原始“指纹”库,当对变压器绕组变形有怀疑时,可以与原有“指纹”进行比较,得出较确切的判断。

3.短路阻抗法

短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法,它主要是测量电力变压器绕组的短路阻抗,与原始阻抗值进行比较,根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度。

前苏联曾用此法检验出几十台330kV及以下电力变压器绕组变形缺陷。

【例1】前苏联有一台400MVA、330kV的双绕组电力变压器。经色谱分析发现该变压器油中含有CH4为30.5ppm,C2H2为35.3ppm,C2H6为5.1ppm,C2H4为245ppm,H2为713ppm。这个结果说明油中存在火花放电。但经常规法检测合格,未发现异常。后采用短路阻抗法进行测量,其结果如表1-10所示。

表1-10　ТДЦ—400MVA、330　kV短路阻抗测试结果

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注表中ΔZ′KX%为相间偏差,ΔZ′KX%= (Z′Kmax-Z′Kmin)/Z′Kmin。

由表1-10可知,A 相高压绕组2—低压绕组的ΔZK为1.09%,相间偏差ΔZ′KX为3.28%。据此认为A 相的高压绕组2—低压绕组存在变形。实际检查在高压绕组2的A 相发现有两条弯曲变形,变形最大幅度为40mm,绕组第17和55线饼之间内侧撑条沿变形区高度有放电痕迹。

【例2】前苏联有一台125 MVA、330/110～63kV的自耦变压器,短路阻抗测试结果见表1-11。由表1-11可知,在包括中压绕组的测量接线中,得到B、C相的Z′K与ZK的相应差值即ΔZK的绝对值都大于3%,C 相更大;ΔZ′K也都超过3%。同时,在没有中压绕组的接线中,如调压绕组—低压绕组的ΔZ′KX＜1%,ΔZK＜3%。

从运行资料得知,该自耦变压器曾流过超过其允许值的短路电流。根据表1-11 及运行资料分析,可以判断中压绕组的C相发生了变形。

实际检查发现,高压绕组—中压绕组间有绝缘位移,中压绕组的C 相沿圆周方向有两处突出的变形。

【例3】前苏联有一台240MVA、330/150～61kV的自耦电力变压器,其短路阻抗测试结果如表1-12所示。

表1-11　АТДЦТН125MVA、330/110～63kV自耦变压器绕组短路阻抗测试结果

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表1-12　АТДЦТП240MVA、330/150～61kV变压器短路阻抗测试计算结果

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由表1-12可知,除调压绕组—低压绕组C相的ΔZK略小于3%外,其余均大于3%,而ΔZ′KX则均大于3%,个别数据还大于10%。由此说明B、C相的低压绕组有变形,主漏磁通道尺寸增大,使得A 相的ΔZK%值明显减小。尤其是带额定分接的高压绕组—低压绕组和调压绕组—低压绕组的两测量值,在没有低压绕组且带额定分接的高压绕组—中压绕组中,ΔZK%和ΔZ′KX%均小于1。

从运行资料查出,在此次测试前两年中,该变压器所在的变电所的低压母线曾发生过短路。根据上述数据的分析,该变压器已不能继续安全运行,决定用一台新变压器取而代之。

我国镇江供电局曾用此法检查出一台发生过出口短路接地的OSFPSZ7—120000/230型主变压器的绕组变形。测试时以单相工频低电压来测量各相对绕组间的漏抗。5 个绕组 (自铁芯向外排列为11kV三角形连接的稳定绕组;38.5kV星形连接的低压侧绕组;121kV星形连接的中压侧绕组;230kV高压侧串联绕组带调压抽头)中一个通电流,一个可靠短路,其余均开路 (稳定绕组为三角形连接无法断开)。

测试结果表明,B、C 两相与中压绕组成对的绕组间的阻抗电压UK%都有了明显的变化,由测试结果进一步分析确定为B 相与C 相中压绕组产生了压缩变形。若以A 相各对绕组的UK%为基准,与B、C两相对应的各对绕组的UK%作比较,中压绕组与串联绕组间 (包括调压绕组)UK值B相增加了4%,C相增加了8%;与低压绕组间UK值B相减少了9.72%,C 相减少了17%;与稳定绕组间UK值B相减少了7%,C相减少了10.8%。可见B相与C 相中压绕组产生了压缩变形,致使它与外侧的高压串联绕组间的油隙增加,而与内侧的低压绕组及稳定绕组间的油隙减小。低压绕组与高压串联绕组之间及稳定绕组之间的UK%的数值无变化,可以判断为这三相绕组未发生变形。

这种方法的优点是:

(1)测试程序简单,并经多年实用,也得出了公认的定量判据,已被列入标准 (GB 1094.5 或IEC76.5)中。多年来,意大利还把漏抗试验 (用Makwell电桥)作为例行预防性试验,每3 年做一次。

(2)重复性很好,对变形的评估可靠性甚高。绕组无变形的变压器,10～20 年的测试结果相差不到0.2%;当差别达到2.5%时,需缩短测试周期并做绝缘检查;当相差超过5%时,立即停运,做绝缘检查。此方法的缺点是,当绕组变形较小时,短路阻抗变化不大,难以确认。此时应采用多种方法测试,进行综合分析比较,以正确判断。

绕组变形诊断方法及其可靠性分析

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