電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法.doc

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目 次 前言 Ⅱ 1　范圍 1 2　規(guī)范性引用文件 1 3　術(shù)語(yǔ)和定義 1 4　檢測(cè)原理 2 5　檢測(cè)儀器的要求 2 6　檢測(cè)方法 3 7　繞組變形的分析判斷 3 附錄A（規(guī)范性附錄） 用相關(guān)系數(shù)R輔助判斷變壓器繞組變形 6 附錄B（資料性附錄） 變壓器繞組變形的典型幅頻響應(yīng)特性曲線 7 前 言 本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委《關(guān)于確認(rèn)1999年度電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制、修訂計(jì)劃項(xiàng)目的通知》（國(guó)經(jīng)貿(mào)電力［1999］40號(hào)）安排制定的，目的是規(guī)范和指導(dǎo)電力變壓器繞組變形頻率響應(yīng)分析法（不包括低壓脈沖法）的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 用頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形具有檢測(cè)靈敏度高、現(xiàn)場(chǎng)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)，現(xiàn)已在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用。 本標(biāo)準(zhǔn)的附錄A為規(guī)范性附錄，附錄B為資料性附錄。 本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。 本標(biāo)準(zhǔn)由電力行業(yè)高壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口并負(fù)責(zé)解釋。 本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國(guó)電力科學(xué)研究院、廣東省電力試驗(yàn)研究所、福建省電力試驗(yàn)研究院、安徽省電力科學(xué)研究院、華北電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所。 本標(biāo)準(zhǔn)起草人：王圣、高克利、林春耀、歐陽(yáng)旭東、張孔林、余國(guó)鋼、何宏明、馬繼先、梅剛。 電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法 1 范圍 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形的基本要求。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于6kV及以上電壓等級(jí)電力變壓器及其他特殊用途的變壓器。 2 規(guī)范性引用文件 下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵(lì)根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。 GB1094.1 電力變壓器 第一部分 總則（eqv IEC 60076–1：1993） GB1094.5 電力變壓器 第五部分 承受短路的能力（neq IEC 60076–5：1976） DL/T596 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程 3 術(shù)語(yǔ)和定義 下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。 3.1 繞組變形winding deformation 指電力變壓器繞組在機(jī)械力或電動(dòng)力作用下發(fā)生的軸向或徑向尺寸變化，通常表現(xiàn)為繞組局部扭曲、鼓包或移位等特征。變壓器在遭受短路電流沖擊或在運(yùn)輸過程中遭受沖撞時(shí)，均有可能發(fā)生繞組變形現(xiàn)象，它將直接影響變壓器的安全運(yùn)行。 3.2 雙口網(wǎng)絡(luò)bilateral network 指具備一對(duì)輸入端口和一對(duì)輸出端口的網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)是由線性的電阻、電感（包括互感）和電容元件組成，且內(nèi)部不含任何獨(dú)立電源，則稱之為無(wú)源線性雙口網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)頻率較高時(shí)，變壓器繞組可視為無(wú)源線性雙口網(wǎng)絡(luò)。 3.3 傳遞函數(shù)transfer function 用拉普拉斯變換形式表示的無(wú)源雙口網(wǎng)絡(luò)的輸出與輸入之比。傳遞函數(shù)極點(diǎn)和零點(diǎn)的分布與雙口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部元件參數(shù)、連接方式以及端口連接的阻抗密切相關(guān)。 3.4 頻率響應(yīng)frequency response 指在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H（jw）與角頻率w 的關(guān)系。通常把H（jw）幅值隨 w 的變化關(guān)系稱為幅頻響應(yīng)，H（jw）相位隨w 變化的關(guān)系稱為相頻響應(yīng)。 3.5 頻率掃描frequency sweep 連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)信號(hào)源的頻率，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)在不同頻率下的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比，并繪制出相應(yīng)的幅頻響應(yīng)或相頻響應(yīng)曲線。 4 檢測(cè)原理 在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性雙口網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部特性可通過傳遞函數(shù)H（jw）描述，如圖1所示。如果繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變，導(dǎo)致其等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H（jw）的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。 用頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形，是通過檢測(cè)變壓器各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應(yīng)特性的差異，判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形。 變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性采用圖1所示的頻率掃描方式獲得。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源US的頻率f（角頻率w＝2pf），測(cè)量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓U2和激勵(lì)端電壓U1的信號(hào)幅值之比，獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下繞組的幅頻響應(yīng)曲線。圖中：L、K及C分別代表繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、分布電容及對(duì)地分布電容，U1、U2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓和響應(yīng)端電壓，US為正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓，RS為信號(hào)源輸出阻抗，R為匹配電阻。 圖1 頻率響應(yīng)分析法的基本檢測(cè)回路 測(cè)得的幅頻響應(yīng)曲線常用對(duì)數(shù)形式表示，即對(duì)電壓幅值之比進(jìn)行如下處理 H（f）=20log［U2（f）/U1（f）］ 式中： H（f） ——頻率為f時(shí)傳遞函數(shù)的模｜H（jw）｜； U2（f），U1（f）——頻率為f時(shí)響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的峰值或有效值｜U2（jw）｜和｜U1（jw）｜。 5 檢測(cè)儀器的要求 5.1 掃頻檢測(cè)范圍 掃頻檢測(cè)范圍應(yīng)為1kHz～1MHz，可分成若干個(gè)頻段分別檢測(cè)。 5.2 掃頻檢測(cè)方式 采用線性分布的掃頻檢測(cè)方式。 5.3 掃描頻率精確度 信號(hào)源輸出正弦波信號(hào)的頻率精確度應(yīng)不大于0.01％。 5.4 掃描頻率間隔 掃描頻率的間隔應(yīng)小于2kHz。 5.5 阻抗匹配方式 檢測(cè)儀器應(yīng)具備一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)輸出端和兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)檢測(cè)端。其中，正弦波信號(hào)源US的輸出阻抗RS應(yīng)為50W，且輸出端應(yīng)通過同軸屏蔽電纜直接與被測(cè)變壓器繞組的激勵(lì)端連接；兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)檢測(cè)端的輸入阻抗不應(yīng)低于1MW，且應(yīng)通過同軸屏蔽電纜分別連接到被測(cè)變壓器繞組的激勵(lì)端和響應(yīng)端，并在被測(cè)繞組的響應(yīng)端連接50W的匹配電阻R。 所使用的同軸屏蔽電纜的波阻抗應(yīng)為50W，電纜長(zhǎng)度宜為15m～20m。 5.6 檢測(cè)精確度 檢測(cè)儀器應(yīng)具備–100dB～20dB的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍，且在–80dB～20dB范圍內(nèi)的檢測(cè)精確度應(yīng)小于1dB。 5.7 選頻濾波特性 檢測(cè)儀器應(yīng)具備選頻濾波功能，通頻帶的寬度應(yīng)小于選頻濾波器中心頻率的5％。 5.8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 應(yīng)采用純文本格式保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)的傳遞和比較。 6 檢測(cè)方法 6.1 變壓器繞組變形檢測(cè)應(yīng)在所有直流試驗(yàn)項(xiàng)目之前或者在繞組充分放電以后進(jìn)行。應(yīng)根據(jù)接線要求和接線方式，逐一對(duì)變壓器的各個(gè)繞組進(jìn)行檢測(cè)，分別記錄幅頻響應(yīng)特性曲線。 6.2 接線要求 6.2.1 檢測(cè)前應(yīng)拆除與變壓器套管端部相連的所有引線，并使拆除的引線盡可能遠(yuǎn)離被測(cè)變壓器套管。對(duì)于套管引線無(wú)法拆除的變壓器，可利用套管末屏抽頭作為響應(yīng)端進(jìn)行檢測(cè)，但應(yīng)注明，并應(yīng)與同樣條件下的檢測(cè)結(jié)果作比較。 6.2.2 變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性與分接開關(guān)的位置有關(guān)，宜在最高分接位置下檢測(cè)，或者應(yīng)保證每次檢測(cè)時(shí)分接開關(guān)均處于相同的位置。 6.2.3 因檢測(cè)信號(hào)較弱，所有接線均應(yīng)穩(wěn)定、可靠，減小接觸電阻。 6.2.4 兩個(gè)信號(hào)檢測(cè)端的接地線均應(yīng)可靠連接在變壓器外殼上的明顯接地端（如鐵芯接地端），接地線應(yīng)盡可能短且不應(yīng)纏繞。 6.3 接線方式 應(yīng)按照?qǐng)D2所示的方式選定信號(hào)的激勵(lì)（輸入）端和響應(yīng)（檢測(cè)）端，以便日后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理。 圖2 變壓器的幾種常用檢測(cè)接線方式 7 繞組變形的分析判斷 7.1 用頻率響應(yīng)分析法判斷變壓器繞組變形，主要是對(duì)繞組的幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行縱向或橫向比較，并綜合考慮變壓器遭受短路沖擊的情況、變壓器結(jié)構(gòu)、電氣試驗(yàn)及油中溶解氣體分析等因素。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，可較直觀地反映出變壓器繞組幅頻響應(yīng)特性的變化，通常可作為判斷變壓器繞組變形的輔助手段。用相關(guān)系數(shù)輔助判斷變壓器繞組變形的方法見附錄A。 7.2 縱向比較法 縱向比較法是指對(duì)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)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。該方法具有較高的檢測(cè)靈敏度和判斷準(zhǔn)確性，但需要預(yù)先獲得變壓器原始的幅頻響應(yīng)特性，并應(yīng)排除因檢測(cè)條件及檢測(cè)方式變化所造成的影響。 圖3是某臺(tái)變壓器在遭受突發(fā)性短路電流沖擊前后測(cè)得的低壓繞組幅頻響應(yīng)特性曲線。遭受短路電流沖擊以后的幅頻響應(yīng)特性曲線（LaLx02）與沖擊前的曲線（LaLx01）相比較，部分波峰及波谷的頻率分布位置明顯向右移動(dòng)，可判定變壓器繞組發(fā)生變形。 圖3 某臺(tái)變壓器在遭受短路電流沖擊前后的幅頻響應(yīng)特性曲線 7.3 橫向比較法 橫向比較法是指對(duì)變壓器同一電壓等級(jí)的三相繞組幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行比較，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，來(lái)判斷變壓器繞組是否變形。該方法不需要變壓器原始的幅頻響應(yīng)特性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為方便，但應(yīng)排除變壓器的三相繞組發(fā)生相似程度的變形或者正常變壓器三相繞組的幅頻響應(yīng)特性本身存在差異的可能性。 圖4是某臺(tái)三相變壓器在遭受短路電流沖擊以后測(cè)得的低壓繞組幅頻響應(yīng)特性。曲線LcLa與曲線LaLb、LbLc相比，波峰和波谷的頻率分布位置以及分布數(shù)量均存在差異，即三相繞組的幅頻響應(yīng)特性一致性較差。而同一制造廠在同一時(shí)期制造的同型號(hào)變壓器的三相繞組的幅頻響應(yīng)特性一致性卻較好（圖5所示），故可判定變壓器在遭受突發(fā)性短路電流沖擊后繞組變形。 圖4 某臺(tái)變壓器遭受突發(fā)短路后三相低壓繞組的幅頻響應(yīng)特性曲線 圖5 與圖4同型號(hào)變壓器的三相低壓繞組幅頻響應(yīng)特性曲線 7.4 繞組變形分析 7.4.1 典型的變壓器繞組幅頻響應(yīng)特性曲線，通常包含多個(gè)明顯的波峰和波谷。經(jīng)驗(yàn)及理論分析表明，幅頻響應(yīng)特性曲線中的波峰或波谷分布位置及分布數(shù)量的變化，是分析變壓器繞組變形的重要依據(jù)。變壓器繞組變形的典型幅頻響應(yīng)特性曲線參見附錄B。 7.4.2 幅頻響應(yīng)特性曲線低頻段（1kHz～100kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組的電感改變，可能存在匝間或餅間短路的情況。頻率較低時(shí)，繞組的對(duì)地電容及餅間電容所形成的容抗較大，而感抗較小，如果繞組的電感發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致其頻響特性曲線低頻部分的波峰或波谷位置發(fā)生明顯移動(dòng)。對(duì)于絕大多數(shù)變壓器，其三相繞組低頻段的響應(yīng)特性曲線應(yīng)非常相似，如果存在差異則應(yīng)及時(shí)查明原因。 7.4.3 幅頻響應(yīng)特性曲線中頻段（100kHz～600kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。在該頻率范圍內(nèi)的幅頻響應(yīng)特性曲線具有較多的波峰和波谷，能夠靈敏地反映出繞組分布電感、電容的變化。 7.4.4 幅頻響應(yīng)特性曲線高頻段（＞600kHz）的波峰或波谷位置發(fā)生明顯變化，通常預(yù)示著繞組的對(duì)地電容改變，可能存在繞圈整體移位或引線位移等情況。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(duì)地電容，波峰和波谷分布位置主要以對(duì)地電容的影響為主。 附 錄 A （規(guī)范性附錄） 用相關(guān)系數(shù)R輔助判斷變壓器繞組變形 通過相關(guān)系數(shù)可以定量描述出兩條波形曲線之間的相似程度，通?？勺鳛檩o助手段用于分析變壓器的繞組變形情況，具體結(jié)果還應(yīng)根據(jù)變壓器的運(yùn)行情況及其他信息綜合判斷。 設(shè)有兩個(gè)長(zhǎng)度為N的傳遞函數(shù)幅度序列X（k）、Y（k），k = 0，1，…，N–1，且X（k）、Y（k）為實(shí)數(shù)，相關(guān)系數(shù)R可按照下列公式計(jì)算。 A.1 計(jì)算兩個(gè)序列的標(biāo)準(zhǔn)方差 A.2 計(jì)算兩個(gè)序列的協(xié)方差 A.3 計(jì)算兩個(gè)序列的歸一化協(xié)方差系數(shù) A.4 按照如下公式計(jì)算出符合工程需要的相關(guān)系數(shù)Rxy A.5 根據(jù)表A.1判斷變壓器繞組的變形程度 表A.1 相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系（僅供參考） 繞組變形程度 相關(guān)系數(shù)R 嚴(yán)重變形 RLF＜0.6 明顯變形 1.0＞RLF≥0.6或RMF＜0.6 輕度變形 2.0＞RLF≥1.0或0.6≤RMF＜1.0 正常繞組 RLF≥2.0和RMF≥1.0和RHF≥0.6 注：RLF為曲線在低頻段（1kHz～100kHz）內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RMF為曲線在中頻段（100kHz～600kHz）內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RHF為曲線在高頻段（600kHz～1000kHz）內(nèi)的相關(guān)系數(shù)。 附 錄 B （資料性附錄） 變壓器繞組變形的典型幅頻響應(yīng)特性曲線 圖B.1 SFPSZ7–120000/220變壓器低壓繞組變形時(shí)和修復(fù)后的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.2 SFPSZ7–150000/220變壓器低壓繞組變形時(shí)和修復(fù)后的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.3 SFPS8–31500/110變壓器低壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.4 SFPSZ7–150000/220變壓器低壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.5 SF9–31500/110變壓器低壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.6 SF7–6300/110變壓器低壓繞組變形時(shí)的頻率響應(yīng)曲線 圖B.7 SFZ–31500/110（H）變壓器低壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.8 SSPSO3–120000/220變壓器高壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.9 SFSLZ7–50000/110變壓器低壓繞組變形時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線