频率响应分析法(SFRA)在新钢变压器故障诊断中的应用

摘要:用频率响应分析法(扫频测量技术,简称SFRA)测量变压器的绕组变形具有较高的检测灵敏度和准确性,对变压器绕组故障的判断,防止变压器事故的发生具有非常重要的作用。

关键词:频率响应分析法　变压器绕组变形　故障诊断

1、概　述

新余钢铁集团公司是大型钢铁企业之一,随着新钢公司三期技改的投入运行,供电负荷也不断加大,目前容量在30000kVA以上电压等级110kV的总降主变有20余台;容量在20000kVA电压等级35kV的站用主变有10余台。其他电压等级和容量的电力变压器、特种变压器有数百台。大家都知道,变压器在运行或者运输过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击或者物理撞击,在短路电流产生的强大电动力作用下,变压器绕组可能失去稳定性,导致局部扭曲、鼓包或移位等永久变形现象,这样将严重影响变压器的安全运行。用什么方法能够在变压器不调罩的条件下,方便地检测出变压器存在的绕组变形现象,并对变形发生的部位、程度和种类进行仔细的分析和判断,从而为维修决策提供依据呢?实践表明,用频率响应分析法(扫频测量技术,简称SFRA)测量变压器的绕组变形具有较高的检测灵敏度和准确性,我公司通过应用频率响应分析法(sFRA)对新安装和运行中的变压器进行故障诊断取得了很好的效果。

2、频率响应分析法检测原理

在较高频率的电压作用下,变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感(互感)、电容等分布参数构成的无源线性双口网络,其内部特性可通过传递函数H(jω)描述。如果绕组发生变形,绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变,导致其等效网络传递函数H(jω)的零点和极点发生变化,使网络的频率响应特性发生变化。

用频率响应分析法检测变压器绕组变形,是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性,并对检测结果进行纵向或横向比较,根据幅频响应特性的差异,判断变压器可能发生的绕组变形。

变压器绕组的幅频响应特性采用频率扫描方式获得。连续改变外施正弦波激励源Us的频率f(角频率ω=2πf),测量在不同频率下的响应端电压U2和激励端电压U1的信号幅值之比,获得指定激励端和响应端情况下绕组的幅频响应曲线(如图1所示)。图1中:L、K及c分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容,U1、U2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压,Us为正弦波激励信号源电压,Rs为信号源输出阻抗,R为匹配电阻。

测得的幅频响应曲线常用对数形式表示,即对电压幅值之比进行如下处理:

H(f)=2log[U2(f)/U1(f)]式中H(f)――频率为f时传递函数的模|H(jω)|;

U2(f)、U1(f)――频率为时响应端和激励端的峰值

或有效值|U2(jω)|和|U1(jω)|。

3、绕组变形的分析判断

用频率响应分析法判断变压器绕组变形,主要是对绕组的幅频响应特性进行纵向或横向比较,并综合考虑变压器遭受短路冲击的情况、变压器结构、电气实验及油中溶解气体分析等因素。根据相关系数的大小,可较直观地反应出变压器绕组幅频响应特性的变化。

纵向比较法是指对同一台变压器、同相绕组、同一分接开关位置、不同时期的幅频响应特性进行比较,根据幅频响应特性的变化判断变压器的绕组变形。该方法具有较高的检测灵敏度和判断准确性,但需要预先获得变压器原始的幅频响应特性,并应排除因检测条件及检测方式变化所造成的影响。

横向比较法是指对变压器同一电压等级的三相绕组幅频响应特性进行比较,必要时借鉴同一制造厂在同一时期制造的同型号变压器的幅频响应特性,来判断变压器绕组是否变形。该方法不需要变压器原始的幅频响应特性,现场应用较为方便。但应排除变压器的三相绕组发生相似程度的变形,或者正常变压器三相绕组的幅频

4、现场应用

案例一:

2003年11月28日,我公司四总降3号主变在检修完毕后由于误操作造成主变35kV侧短路,3号主变受短路冲击后故障跳闸退出运行。11月29日对该主变进行绕组变形测试,结果如图2所示。从图中可以看出,高压绕组有轻微变形,中压绕组Bm相波形严重变形,Cm相有变形,Am相无变形,低压绕组有变形。经电气试验发现,中低压之间的绝缘电阻为零且中低压的直流电阻不平衡。变压器在南京变压器厂大修时吊检发现:中压线圈Bm、Cm两相在电动力的作用下挤压了低压线圈,造成中压、低压线圈之间的层间和匝间短路,高压线圈无变形现象,绝缘支架无损坏,引线无过热。

高压绕组

中压绕组

低压绕组

案例二:

2007年3月16日,我公司一总降1号主变因外部故障受到短路冲击,取变压器油进行色谱分析,乙炔已经达到了60:1/l。停电对变压器进行常规试验检查未发现异常。进行绕组变形测试,结果如图3所示。可以看到,除高压绕组低频段和低压绕组的中频段有轻微异常外,其它无任何异常。2007年4月20日计划检修对该变压器停运吊芯检查,发现有三块绝缘垫块脱落、绕组上压板松动,经进行压板调整、安装绝缘垫块、紧固轭铁、滤油等处理后,变压器运行至今无异常。

高压绕组

低压绕组

5、结束语

频率响应分析法能快速准确地对变压器绕组是否发生有害变形进行诊断,以便及时应用于变压器绕组故障的判断和决策实践,并有计划地进行吊罩检查和检修,不但可节省大量的人力、物力,对防止变压器事故的发生也有及其重要的作用。