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)語和定義 1 4　檢測原理 2 5　檢測儀器的要求 2 6　檢測方法 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、修訂計劃項(xiàng)目的通知》（國經(jīng)貿(mào)電力［1999］40號）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)場應(yīng)用。 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)，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)由中國電力企業(yè)聯(lián)合會提出。 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)委員會歸口并負(fù)責(zé)解釋。 本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國電力科學(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、歐陽旭東、張孔林、余國鋼、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)語和定義 下列術(shù)語和定義適用于本標(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，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 指具備一對輸入端口和一對輸出端口的網(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，則稱之為無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)頻率較高時，變壓器繞組可視為無源線性雙口網(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信號源的頻率，測量網(wǎng)絡(luò)在不同頻率下的輸出信號與輸入信號之比，并繪制出相應(yīng)的幅頻響應(yīng)或相頻響應(yīng)曲線。 4 檢測原理 在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個繞組均可視為一個由線性電阻、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)，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)分析法檢測變壓器繞組變形，是通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應(yīng)特性，并對檢測結(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源US的頻率f（角頻率w＝2pf），測量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓U2和激勵端電壓U1的信號幅值之比，獲得指定激勵端和響應(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度的分布電感、分布電容及對地分布電容，U1、U2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵端電壓和響應(yīng)端電壓，US為正弦波激勵信號源電壓，RS為信號源輸出阻抗，R為匹配電阻。 圖1 頻率響應(yīng)分析法的基本檢測回路 測得的幅頻響應(yīng)曲線常用對數(shù)形式表示，即對電壓幅值之比進(jìn)行如下處理 H（f）=20log［U2（f）/U1（f）］ 式中： H（f） ——頻率為f時傳遞函數(shù)的模｜H（jw）｜； U2（f），U1（f）——頻率為f時響應(yīng)端和激勵端電壓的峰值或有效值｜U2（jw）｜和｜U1（jw）｜。 5 檢測儀器的要求 5.1 掃頻檢測范圍 掃頻檢測范圍應(yīng)為1kHz～1MHz，可分成若干個頻段分別檢測。 5.2 掃頻檢測方式 采用線性分布的掃頻檢測方式。 5.3 掃描頻率精確度 信號源輸出正弦波信號的頻率精確度應(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 檢測儀器應(yīng)具備一個正弦波激勵信號輸出端和兩個獨(dú)立的信號檢測端。其中，正弦波信號源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變壓器繞組的激勵端連接；兩個獨(dú)立信號檢測端的輸入阻抗不應(yīng)低于1MW，且應(yīng)通過同軸屏蔽電纜分別連接到被測變壓器繞組的激勵端和響應(yīng)端，并在被測繞組的響應(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，電纜長度宜為15m～20m。 5.6 檢測精確度 檢測儀器應(yīng)具備–100dB～20dB的動態(tài)檢測范圍，且在–80dB～20dB范圍內(nèi)的檢測精確度應(yīng)小于1dB。 5.7 選頻濾波特性 檢測儀器應(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)存儲格式 應(yīng)采用純文本格式保存檢測數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)的傳遞和比較。 6 檢測方法 6.1 變壓器繞組變形檢測應(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，逐一對變壓器的各個繞組進(jìn)行檢測，分別記錄幅頻響應(yīng)特性曲線。 6.2 接線要求 6.2.1 檢測前應(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)離被測變壓器套管。對于套管引線無法拆除的變壓器，可利用套管末屏抽頭作為響應(yīng)端進(jìn)行檢測，但應(yīng)注明，并應(yīng)與同樣條件下的檢測結(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，或者應(yīng)保證每次檢測時分接開關(guān)均處于相同的位置。 6.2.3 因檢測信號較弱，所有接線均應(yīng)穩(wěn)定、可靠，減小接觸電阻。 6.2.4 兩個信號檢測端的接地線均應(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)按照圖2所示的方式選定信號的激勵（輸入）端和響應(yīng)（檢測）端，以便日后對檢測結(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 縱向比較法是指對同一臺變壓器、同一繞組、同一分接開關(guān)位置、不同時期的幅頻響應(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)排除因檢測條件及檢測方式變化所造成的影響。 圖3是某臺變壓器在遭受突發(fā)性短路電流沖擊前后測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，可判定變壓器繞組發(fā)生變形。 圖3 某臺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 橫向比較法是指對變壓器同一電壓等級的三相繞組幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行比較，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(yīng)特性，來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是某臺三相變壓器在遭受短路電流沖擊以后測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期制造的同型號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，繞組的對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。對于絕大多數(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，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，波峰和波谷分布位置主要以對地電容的影響為主。 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)有兩個長度為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可按照下列公式計算。 A.1 計算兩個序列的標(biāo)準(zhǔn)方差 A.2 計算兩個序列的協(xié)方差 A.3 計算兩個序列的歸一化協(xié)方差系數(shù) A.4 按照如下公式計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的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.4 SFPSZ7–150000/220變壓器低壓繞組變形時的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.5 SF9–31500/110變壓器低壓繞組變形時的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.6 SF7–6300/110變壓器低壓繞組變形時的頻率響應(yīng)曲線 圖B.7 SFZ–31500/110（H）變壓器低壓繞組變形時的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.8 SSPSO3–120000/220變壓器高壓繞組變形時的幅頻響應(yīng)曲線 圖B.9 SFSLZ7–50000/110變壓器低壓繞組變形時的幅頻響應(yīng)曲線