基于MATLAB的变压器绕组变形频率响应法仿真研究

摘要：变压器绕组变形会影响变压器绕组的频率响应特性。通过建立变压器绕组的数学模型，对变压器绕组变形频率响应法进行仿真试验，论证了绕组变形的理论基础，为变压器绕组变形提供了理论分析手段。

关键词：变压器；绕组变形；频率响应法；仿真

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）32-0017-03

1　概述

近年来对全国大型电力变压器事故统计表明，内部绕组变形是造成变压器损坏的主要原因之一。由于变压器在运输和安装过程中受到机械碰撞以及运行时发生短路事故，都会造成其轴向或径向尺寸变化、位移、扭曲、鼓包等，使其内部绕组发生变形，并且随着运行时间和短路次数的增加，变形程度会逐渐累积，危害也逐渐显现。

绕组变形的危害主要有以下两种情况：第一，绕组的绝缘距离发生变化或绝缘材料受到损伤，使其绝缘强度下降，在过电压甚至正常工作电压作用下产生局部放电或击穿甚至突然损坏烧毁；第二，绕组偏离正常位置，稳定性下降，在下次短路中损坏。由此可见，及时掌握变压器绕组变形情况对于变电站甚至电网的安全稳定运行具有十分重要的意义。

频率响应法是通过将一组不同频率的正弦波信号注入到变压器绕组的一端测量绕组端口特性参数的一种方法。由于同类型的变压器绕组结构的类似性，其测得的频率响应曲线具有可比性。故障前后的频率响应曲线能反映出变压器绕组变形的程度，通过对测试结果纵向或横向比较，并综合考虑变压器的运行情况，从而诊断绕组是否存在扭曲、鼓包、位移等变形情况。频率响应法优异的可重复性，使之成为当前使用最广泛的绕组变形测试

方法。

本文对某变电站主变压器绕组建立其数学模型，并通过在MATLAB平台进行仿真实验，理论上验证了变压器绕组变形的影响，为变压器绕组变形试验奠定了理论基础。

2　变压器绕组的高频物理模型和仿真试验

高频信号作用下，变压器绕组可视为一个由电阻、电感和电容构成的无源线性双口网络。如果绕组发生变形，则其内部分布电感和电容参数的改变将导致电路网络的传递函数的零极点发生变化，从而使网络的频率响应特性发生变化。

绕组由多匝线圈串联连接构成，因此绕组高频模型可以看成是线圈模型的组合，类似于传输线模型。绕组的位移则可认为是阻抗的变化。线圈对地存在对地电容Cg；线圈具有内阻R和电感L，两者串联；线圈与线圈之间存在电容Cs和绝缘电阻Rs，两者并联且并联线圈内阻R和电感L；线圈和油箱地之间存在绝缘电阻Rg，其并联对地电容Cg。

变压器绕组变形主要引起电容值的变化，而内阻和电感值基本不变；变压器由于运行时间过长或者设计制造工艺造成的绝缘性能下降，导致绝缘电阻减小。变压器绕组模型参数见下表1：

本文主要研究以下造成变压器绕组变形的原因：变压器绕组不同位置的位移造成匝间电容的变化；变压器绕组不同位置的轴向位移造成对地电容的变化；变压器绕组绝缘性能下降导致匝间绝缘电阻的减小；变压器绕组绝缘性能下降导致的对地绝缘电阻的减小。

3　变压器绕组变形仿真试验结果

3.1　匝间电容变化导致的频率响应的变化

该实验主要验证变压器绕组底部和顶部三个不同位置的位移导致匝间电容变化50%而造成的频率响应的变化。以上实验结果表明，在100kHz～1MHz频率区间内，随着频率的增加，系统谐振越发强烈，而且绕组变形导致的匝间电容的变化会在高频区使系统谐振频率点发生明显偏移。

3.2　对地电容变化导致的频率响应的变化

该实验主要验证变压器绕组底部和顶部两个不同位置的位移导致对地电容变化10%而造成的频率响应的变化。图3、图4分别是其试验结果：

以上试验表明，在100kHz～1MHZ频率区间内，随着频率的增加，系统谐振越发强烈，而且绕组变形导致的对地电容的变化会在全频使系统谐振频率点发生明显偏移。

与匝间电容变化试验相比，对地电容对绕组变形的影响越发明显和强烈。

3.3　匝间绝缘电阻减小导致的频率响应的变化

该实验主要验证变压器绕组变形导致的匝间绝缘性能变差而造成的频率响应的变化。图5是其试验结果：

匝间绝缘电阻衡量绕组匝间绝缘性能，匝间电阻减小极易导致变压器内部击穿。从图5实验结果表明当匝间绝缘电阻大大减小时，系统谐振点在频域上没有发生位移，但是峰值在频率较高点会大大减小。

3.4　对地绝缘电阻减小导致的频率响应的变化

该实验主要验证变压器绕组变形导致的对地绝缘性能变差而造成的频率响应的变化。图6是其试验结果：

图6　绕组对地绝缘性能变差

对地电阻衡量绕组匝间绝缘性能，对地电阻减小极易导致变压器对地击穿。从图6实验结果表明当匝间绝缘电阻大大减小时，系统谐振点在频域上没有发生位移，但是峰值在全频段都会大大减小。相比匝间电阻实验结果，对地绝缘电阻的减小在效果上对绕组变形的频率响应影响更加剧烈。

4　结语

本文主要讨论变压器绕组自身几个寄生电气参数对绕组变形的频率响应的影响，而不涉及套管、分接头和匹配电阻的讨论。

通过对变压器绕组物理模型的搭建以及对线圈匝间电容、匝间电阻、对地电容和对地电阻影响的仿真试验，实验结果表明这几个对变压器绕组变形频率响应的重要影响。匝间电容和匝间电阻的影响主要表现在500KHz和1MHz之间的高频段，而对地电容和对地绝缘电阻的影响在全频段都有影响，但在高频区域影响更为明显。因此，在变压器绕组变形实际测试时，在500KHZ和1MHz之间的高频区域应该引起足够的重视。

本文所有的实验都基于变压器绕组物理模型的建立，从而本文也证明了变压器绕组模型的有效性和准确性，为绕组变形问题的理论问题指出了一个行之有效的分析工具。

作者简介：吕玮（1986-），男，浙江新昌人，供职于浙江省送变电工程公司，硕士，研究方向：高压试验。