變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法綜述1

1、變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法綜述何平,文習(xí)山(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢430072摘要:目前對繞組頻率響應(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、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量的因素2方面討論了繞組頻率響應(yīng)的測量,認(rèn)為應(yīng)建立原始的繞組頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)庫,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)。關(guān)鍵詞:變壓器;繞組變形;頻率響應(yīng)分析法;頻譜特性;故障診斷中圖分類號(hào):TM406文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(tǒng)中主要的電氣設(shè)備,其正常運(yùn)行對電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和可靠性意義重大。據(jù)統(tǒng)計(jì),約25%的變壓器故障由繞組變形引起1。用頻率響應(yīng)分析法檢測變壓器繞組變形,具有檢測靈敏度高、現(xiàn)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(yōu)點(diǎn),在電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)國內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2000年以前全國已測量了>2000臺(tái)次的變壓器繞組頻率響應(yīng)2。1996 2002年廣東省用頻率響應(yīng)分析法測量110kV 電壓等級(jí)的變壓器臺(tái)數(shù)已>2000臺(tái)次3,2004年江蘇省用頻率響應(yīng)分析法檢測新投運(yùn)的220kV及以上電壓

11、等級(jí)的變壓器76臺(tái)4。文5,6表明頻率響應(yīng)分析法檢測繞組變形基本涵蓋各類型和電壓等級(jí),成為變壓器繞組變形現(xiàn)場試驗(yàn)的主要方法。應(yīng)用頻率響應(yīng)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(jì)90年代初我國開始研究頻率響應(yīng)分析法檢測變壓器繞組變形8。將頻率響應(yīng)分析法成功應(yīng)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(yīng)的測量,即如何獲得穩(wěn)定、真實(shí)的變壓器繞組的頻率響應(yīng)曲線;73第32卷第5期2006年5月高電壓技術(shù)High Voltage EngineeringVol.32No.5May.2006二是分析繞組的頻率響應(yīng)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(nèi)外關(guān)于頻率響應(yīng)分析法檢測變壓器繞組變形的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述并對其今后的發(fā)展方向進(jìn)行了分析,以促進(jìn)該研究的進(jìn)一步發(fā)展。1頻率響應(yīng)分析法原理當(dāng)頻率較高時(shí),變壓器繞組視為一個(gè)由線性電阻、電感(互感、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H(j的極點(diǎn)和零點(diǎn)分布與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的元件參數(shù)密切相關(guān)。繞組發(fā)生局部機(jī)械變形后其內(nèi)部的電感、電容分布參數(shù)必然發(fā)生相對變化,繞組的傳遞函數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化,即網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。頻率響應(yīng)分析法是在較寬的頻帶上測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。因注入繞組的信號(hào)不同,有兩種不同的方法測量繞組的頻率響應(yīng):將一穩(wěn)定的正弦波掃

13、頻信號(hào)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(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),即得繞組的頻率響應(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9。脈沖電壓的幅值為100V2kV,荷蘭的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。德國的Feser和Christian等人對此法作了大量研究11216。脈沖響應(yīng)法的測量時(shí)間比掃頻法要短,但德國的Wenzel認(rèn)為時(shí)域信號(hào)很小的誤差會(huì)對高頻段傳遞函數(shù)造成很大的影響17,另

14、外,掃頻法相對于脈沖響應(yīng)法有以下優(yōu)點(diǎn):信噪比好;在整個(gè)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(shè)備少18。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量。2變壓器繞組頻率響應(yīng)的測量通常將掃頻的頻率范圍選為1k Hz 1M Hz19,這是因?yàn)樽儔浩骼@組的頻率響應(yīng)特性通常具有以下特征:當(dāng)頻率<1k Hz時(shí),其頻率響應(yīng)特性受繞組電感、鐵心及鐵心中剩磁影響18,諧振點(diǎn)通常較少,對分布電容的變化不夠敏感;當(dāng)頻率>1 M Hz時(shí),繞組的電感又被分布電容所旁路,諧振點(diǎn)相應(yīng)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(jié)果造成明顯影響

15、;在1k Hz1M Hz范圍內(nèi),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(yàn)及現(xiàn)場測量結(jié)果表明,變壓器繞組在1k Hz1 M Hz范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)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(xiàn)象。德國的Gharehpetian等人通過建模及測量,發(fā)現(xiàn)在110M Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)因繞組諧振引起的高頻過電壓現(xiàn)象20,21。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10M Hz范圍內(nèi)變化影響頻率響應(yīng)測量結(jié)果的因素有:并聯(lián)電阻、高壓套管、變壓器中性點(diǎn)

16、接地方式、測量引線。結(jié)果表明,測量引線和并聯(lián)電阻對高頻下的測量結(jié)果影響最大,在減小測量系統(tǒng)影響條件下,>1M Hz頻段的測量結(jié)果更能反映繞組微小的變化22?；谏鲜鲅芯?2005年M.Wang等人提出了HIFRA法,將最高頻率擴(kuò)展到10M Hz,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23。該方法的主要指導(dǎo)思想是盡量減小測量系統(tǒng)對頻率響應(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10 M Hz,但在現(xiàn)場只做到3M Hz。頻率響應(yīng)分析法是基于比較的方法,測量的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)與參考頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)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(jié)果的重復(fù)性

17、有一定影響,其中包括測試系統(tǒng)和變壓器本身對測試結(jié)果的影響。測試系統(tǒng)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(hào)源位置6,24226、并聯(lián)電阻對頻率響應(yīng)測量中頻率應(yīng)用范圍的影響。文22,23研究了變壓器繞組導(dǎo)納的頻率響應(yīng),認(rèn)為測量時(shí)使用的并聯(lián)電阻越小,頻率響應(yīng)(FRA測量的靈敏度就越高。當(dāng)并聯(lián)電阻為50時(shí),頻率范圍最高為500k Hz,10時(shí)最高為3 M Hz,1時(shí)最高為10M Hz。另外,接線人員在一定距離內(nèi),其身體與變壓器套管的遠(yuǎn)近、有無接觸套管等因素對測量結(jié)果有影響5,27。變壓器本身對測試結(jié)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(guān)位置3,6,24,25、變壓器本體接地電阻22225、鐵心的接地狀態(tài)6、高壓套管22,23、聯(lián)結(jié)組別28,29、變壓器油,包括變壓器內(nèi)部是否充油、油溫、油的種類、油老化程度等6,30。當(dāng)兩次測量中的油的狀態(tài)明顯不同時(shí),文18建議最好再進(jìn)行相間比較。3頻率響應(yīng)曲線的分析目前對頻率響應(yīng)的分析方法主要是基于幅頻響83May.2006HighVoltageEngineering Vol.32No.5應(yīng)曲線的分析,即是對繞組的幅頻響應(yīng)曲線進(jìn)行縱、橫向比較。通過曲線上的諧振頻率的偏移、消失或產(chǎn)生來判斷繞組變形故障?？v向比較法是對同一臺(tái)變壓器、同一繞組、同一分接開關(guān)位置、不同時(shí)期的幅頻響應(yīng)

19、特性進(jìn)行比較,根據(jù)幅頻響應(yīng)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(jí)的三相繞組幅頻響應(yīng)特性,必要時(shí)借鑒同一制造廠在同一時(shí)期制造的同型號(hào)變壓器的幅頻響應(yīng)特性,判斷變壓器繞組是否變形。在使用三相間頻率響應(yīng)比較時(shí),應(yīng)注意頻率響應(yīng)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(cè)繞組的相間相關(guān)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(cè)繞組相間的相似性較好。發(fā)電廠變壓器中,主變壓器的高壓側(cè)繞組相間相似性較好,低壓側(cè)繞組較為復(fù)雜;啟動(dòng)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(cè)繞組的相似性普遍較差。此外還發(fā)現(xiàn),繞組電壓等級(jí)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(yīng)曲線間的比較上不一致。3.1頻段劃分通過幅頻響應(yīng)曲線判斷繞組變形的關(guān)鍵是認(rèn)識(shí)曲線上波峰波谷的位移、諧振頻率的產(chǎn)生或消失對應(yīng)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(dǎo)作用不同,使繞組的某些變形往往只涉及到頻率響應(yīng)曲線的部分頻段上的變化,所以通常將整個(gè)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(diǎn)變化引起,文32采用了等分極點(diǎn)法,將測試頻域按極點(diǎn)數(shù)分為3段,使每段包含的極點(diǎn)數(shù)相同。文33進(jìn)一步應(yīng)用這種方法,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),總結(jié)了YNd聯(lián)結(jié)變壓器高、低壓繞組的頻率劃分范圍。文34分類統(tǒng)計(jì)了不同類型、不同廠家的變壓器的頻譜曲線上的極點(diǎn),提出了統(tǒng)一的中低頻和中高頻分頻點(diǎn)。3.2幅頻響應(yīng)曲線分析澳大利亞的Islam在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了繞組參數(shù)和繞組故障類型的對應(yīng)關(guān)系,見表135?？梢?變壓器繞組變形故障時(shí),主要是繞組電感和對地電容發(fā)生變化,繞組的幅頻響應(yīng)曲線相應(yīng)變化。頻率較低時(shí),繞組的對地電

22、容及餅間電容形成表1變壓器繞組參數(shù)與故障類型的對應(yīng)關(guān)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(jī)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(shí),主要反映是繞組的電感發(fā)生變化,導(dǎo)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(shí),幅頻響應(yīng)曲線在< 300k Hz出現(xiàn)諧振頻率偏移。幅頻響應(yīng)曲線的中頻段是頻率響應(yīng)分析的重點(diǎn)范

23、圍。該頻段上幅頻響應(yīng)曲線的諧振點(diǎn)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(yàn)表明,中頻段諧振頻率和諧振峰幅值的變化能反映繞組發(fā)生扭曲、鼓包、斷股等局部變形現(xiàn)象27,28,37。文38表明線圈松動(dòng)、斷股、扭曲、上夾件破裂等故障使幅頻響應(yīng)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(yán)重時(shí),200500k Hz范圍內(nèi)的諧振點(diǎn)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(shí),幅頻響應(yīng)曲線上的200500k Hz范圍內(nèi)的諧振頻率發(fā)生變化。頻率較高時(shí),繞組的感抗較大,容抗較小,由于繞組的餅間電容遠(yuǎn)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(yīng)曲線高頻段變化的主要因素18,27。由于測量系統(tǒng)本身對頻率響應(yīng)的高頻段影響較大,頻率響應(yīng)曲線高頻段變化較大時(shí),應(yīng)排除測量系統(tǒng)的影響。圖1為典型的變壓器繞組幅頻響應(yīng)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(yīng)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(fā)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(chǎn)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(jīng)吊罩后,發(fā)現(xiàn)低壓繞組A相出現(xiàn)匝間短路、明顯的局部較大鼓包和扭曲現(xiàn)象。值得注

25、意,以上討論的是各種變形對幅頻響應(yīng)曲線各個(gè)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(gè)頻段上曲線的變化:<500k Hz的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移,>500k Hz的諧振峰幅值發(fā)生變化;文27表932006年5月高電壓技術(shù)第32卷第5期 圖1典型的變壓器繞組幅頻響應(yīng)曲線Fig11Typical FRA results of a transformer(L V winding明繞組整體變形位移時(shí),幅頻響應(yīng)曲線上10200 k Hz內(nèi)諧振點(diǎn)減少或向高頻方向信號(hào)幅度增大。另外,變形輕微的繞組的幅頻響應(yīng)曲線受相鄰損壞嚴(yán)重的繞組影響而畸變30。所以,幅頻響應(yīng)曲

26、線分析繞組變形時(shí),應(yīng)綜合考慮變壓器遭受短路沖擊、變壓器結(jié)構(gòu)、電氣試驗(yàn)及油中溶解氣體分析等。3.3曲線相似指數(shù)目前研究最多的指數(shù)是相關(guān)系數(shù)。因整個(gè)頻段上的相關(guān)系數(shù)有時(shí)不能反映該頻段的曲線差異,故應(yīng)將整個(gè)頻率范圍分段后,分別在各個(gè)頻段上計(jì)算相關(guān)系數(shù)。文40提出的標(biāo)準(zhǔn)偏移與均方差屬于誤差平方和。文41認(rèn)為當(dāng)兩曲線形狀相似,幅值不同時(shí),計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差;使用誤差平方和時(shí),幅頻響應(yīng)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(shù)誤差的絕對和。另外,還有加權(quán)歸一化差值42、波譜偏移值43、可信區(qū)間12,44等指數(shù)。這些指數(shù)(含相關(guān)系數(shù)判斷繞組變形的不足是無統(tǒng)一的量化指標(biāo)。盡管有學(xué)者

27、提出一些指數(shù)的量化指標(biāo),新頒布的標(biāo)準(zhǔn)19給出了相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系的參考值,但這些量化指標(biāo)有待大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。4問題與展望變壓器繞組變形測量國內(nèi)始于1990年,得到各方面的重視,有了較多的現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn),對頻率響應(yīng)分析法的靈敏度及檢測故障的可靠性等方面進(jìn)行了大量的探討。但長期以來,用頻率響應(yīng)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(chǔ)上,即同一臺(tái)變壓器與其原始的頻率響應(yīng)曲線比較,同一臺(tái)變壓器不同相間的比較,相同型號(hào)變壓器間的頻率響應(yīng)的比較等,在目前還無明確的量化標(biāo)準(zhǔn)、缺乏深層次的診斷手段下,要有效應(yīng)用曲線圖譜比較方法,其關(guān)鍵是對現(xiàn)有的和新安裝的變壓器建立完善的頻率響應(yīng)原始

28、數(shù)據(jù)庫。原始數(shù)據(jù)庫除了記錄頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)外,還要記錄當(dāng)時(shí)的測量裝置、測量程序、信號(hào)處理方法、變壓器分接開關(guān)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(yàn)接線的不同,圖譜變化所在頻域也不同,因此,須進(jìn)行大量現(xiàn)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(shù)仍停留在物理概念分析和測試實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)上,幅頻響應(yīng)曲線的變化對應(yīng)的變形種類的研究有待進(jìn)一步細(xì)化,反映繞組變形程度的曲線相似指數(shù)的研究有待在大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出切實(shí)有效的量化標(biāo)準(zhǔn)。繞組變形的定位,文45用高頻變壓器模型對繞組變形進(jìn)行了理論分析,但少有此類研究的文獻(xiàn),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(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于頻率響應(yīng)法中,將相關(guān)系數(shù)和均方差值作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量,用B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷變壓器繞組變形。文47只以相關(guān)系數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量,但在BP算法中加入了動(dòng)量因子和學(xué)習(xí)率自適應(yīng)算法,使學(xué)習(xí)速度較快。文48構(gòu)造了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以變壓器繞組頻率響應(yīng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量,對12種繞組故障進(jìn)行了訓(xùn)練。各種因素對繞組狀態(tài)的影響使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別能力下降。隨著頻率響應(yīng)分析法在變壓器繞組變形檢測中的廣泛應(yīng)用,大量頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)的積累,為開展繞組變形的智能診斷研究(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別等提供了有利條件。參考文獻(xiàn)1Vandermaar A J

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