牵引变压器绕组变形检测与频率响应曲线数据库建立

[摘 要]与电力系统变压器相比，牵引变压器的负荷具有变化范围大、次数频繁、突变性强等特点，这就造成了牵引变压器绕组须耐受更高的绕组变形应力。目前的绕组变形检测方法主要有低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法。本文将提出基于绕组频率响应特性曲线的纵向比较，建立绕组变形程度与位置数据库，从而为最终实现绕组变形定位与缺陷程度提供依据。

[关键词]牵引变压器；绕组变形；频率响应法；数据库

中图分类号：TP303.03 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0340-01

引言

牵引变压器是铁路供电系统的源头，其安全运行对于保证接触网连续安全供电，乃至电力系统安全运行都有重大意义。有关资料表明，变压器绕组是发生故障较多的部件之一。相对于电力系统变压器而言，牵引变压器的负荷是与供电臂内机车的数量与功率成正相比的。随着高速铁路迅速发展，客运列车运行速度的不断加快，运输机车的牵引动力的不断增加，导致了单台机车的功率急剧增加。当机动车驶入和驶出供电臂时，牵引变压器的负荷在短时间内急剧变化，长时间的重复冲击对于牵引变压器绕组参数的影响可能造成某种程度的绕组变形。变压器绕组发生变形后，由此导致绕组漏感、匝间电容、匝地电容等电气参数值发生改变。如不及时发现并修复变形，可能引发牵引供电系统，甚至电力系统故障。因此，对于牵引变压器而言，更应当加强绕组变形的监测。

1 现有绕组变形检测方法简述

（1）低压脉冲法

低压脉冲法（LowVoltageImpulse，LVI），是将一个比较稳定的低压脉冲电压信号施加于被试变压器的一端，同时记录该端和另一端上的电压波形，响应信号在变压器绕组变形前后的变化反映出绕组变形的信息。

低压脉冲法原理：当频率超过1kHz时，变压器的铁心基本不起作用（铁心在高频下的磁导率几乎与空气中相同），此时，变压器绕组可看作一个由电阻、电感及电容分布参数组成的线性无源二端口网络。当变压器绕组固定后，其内部的电阻、电感及电容值相对确定，当绕组出现变形后，绕组的布置将发生变化，这就导致绕组的分布电阻、电感及电容等参数改变，网络的响应也将改变。如果将一相同的低压脉冲信号施加于变压器绕组上，则响应信号在变压器绕组变形前后的变化就能反映出绕组变形的信息。

（2）频率响应法

频率响应法（FrequencyResponseAnalysis，FRA），同低压脉冲法原理相同，在高频情况下，频率响应法是把变压器绕组看作一个由线性的电阻、电感和电容等参数组成的无源线性二端口网络。

频率响应法与低压脉冲法的区别在于各频率分量输入和输出信号的幅值；理想情况下，低压脉冲信号的频域展开图为一条直线，包含所有频率成分，但由于实际中脉冲自身能量的限制，每一频率分量的幅值不可能做的很大，且随着频率的增加，幅值呈下降趋势；频率响应法则可以理解为对低压脉冲法的各个频率分量进行展开测量的过程。由于小信号不易测量，更加容易受到外界干扰信号的影响，所以频率响应法较低压脉冲法测量结果更加可信。

（3）短路阻抗法

短路阻抗法（Short-Circuit Reactance，SCR），是最早在不对变压器结构做出变化（如吊罩等）的情况下用于检测变压器绕组是否出现变形的方法。由于测试方法简单，重复性好等优点，被普遍使用。在变压器工作时，除了有工作磁通外，还有一部分磁通通过非磁性介质和变压器的一个绕组匝链，这部分磁通被称作漏磁通。在工作频率一定的情况下，变压器的漏电抗是由绕组的结构所决定的，可由短路阻抗求出。它对漏磁磁路的变化十分敏感，从而可以反映出绕组的变形等故障情况。有关标准规定，变压器在进行短路试验前后，都要测量每一相的短路阻抗，并把试验前后所测量的电抗值加以比较，把其变化的程度，作为判断被试变压器是否合格的重要依据之一。

综上可见：由于频率响应法对影响线圈电容和电感的变形都很灵敏，因此对于绕组变形的各种情况都有有显著的优越性。短路阻抗法在长期的生产实践中已建立严格的规范和标准，便于实施，易于判断。因此在实际运用中，灵活结合两种方法分析判断，对于准确判断变压器的绕组变形情况有非常积极的意义。

2 对于频率响应曲线的分析

目前对频率响应的分析方法主要是基于幅频响应曲线，即对绕组的幅频响应曲线进行纵、横向比较。纵向比较法是对同一台变压器、同一绕组、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。横向比较法是比较变压器同一电压等级三相绕组幅频响应特性，判断变压器绕组是否变形。

2.1 频段划分

通过分析幅频响应曲线判断绕组变形的关键是认识曲线上波峰波谷的位移、谐振频率的产生或消失对应绕组的何种变形。因在不同的频段，绕组等效电路中电感和电容占的主导作用不同，使绕组的某些变形往往只涉及到频率响应曲线的部分频段上的变化，所以通常将整个频段分为高、中、低频段分析。

频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容形成的容抗较大，感抗较小，绕组由于整体或局部的拉伸和压缩造成匝间距离变化以及匝间或饼间短路时，主要反映是绕组的电感发生变化，导致其幅频特性曲线低频部分的谐振频率明显变化。幅频响应曲线的中频段是频率响应分析的重点范围。该频段上幅频响应曲线的谐振点较多，呈较多的波峰和波谷，能反映出绕组电感、电容的变化。试验表明，中频段谐振频率和谐振峰幅值的变化能反映绕组发生扭曲、鼓包、断股等局部变形现象。频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，谐振峰的位置主要以对地电容的影响为主。线圈的整体及引线位移和松散等变形是造成频率响应曲线高频段变化的主要因素。

2.2 曲线相似指数

目前研究最多的指数是相关系数。因整个频段上的相关系数有时不能反映该频段的曲线差异，故应将整个频率范围分段后，分别在各个频段上计算相关系数。主要有标准偏移与均方差分析、加权归一化差值、波谱偏移值、可信区间等指数。这些指数（含相关系数）判断绕组变形的不足是无统一的量化指标。

2.3 建立频率响应曲线数据库

尽管不同变压器绕组的频率响应曲线各不相同，相互之间的可比较性较差；但是当绕组发生变形、鼓包等隐患时，同一类型的隐患，在频率响应曲线各个频段内的表现特征是相近的；通过建立频率响应曲线数据库，可以得到同一类型隐患的隐患程度与频段特征指标的对应关系，以及绕组隐患发生位置与谐振频率点的关系，从而为变压器的绕组变形检测与智能诊断提供可靠地依据。

在建立频率响应曲线数据库时，应当包括绕组隐患发生点、隐患类型、频率响应曲线及其各个频段内的谐振点幅值相对变化率、谐振频率等信息。

3 问题与展望

变压器绕组变形测量国内始于1990年，得到各方面的重视，有了较多的现场测试经验，对频率响应分析法的灵敏度及检测故障的可靠性等方面进行了大量的探讨。但长期以来，用频率响应分析法诊断变压器绕组变形还建立在比较曲线图谱的基础上，在目前还无明确的量化标准、缺乏深层次的诊断手段下，要有效应用曲线图谱比较方法，其关键是对现有的和新安装的变压器建立完善的频率响应原始数据库。原始数据库除了记录频率响应数据外，还要记录当时的测量装置、测量程序、信号处理方法、变压器分接开关位置等。

参考文献

[1] DLT911-2004电力变压器绕组变形的频率响应分析法.

[2] 林剑，马明，龚列谦，夏晓波，变压器绕组变形的频率响应分析法研究及实测中影响因素分析，电力学报，2010年6月，第3期.

[3] 郭秉义，张勇强，李俊萍，变压器绕组变形实例分析与诊断，2011自然科学学术论文.

[4] 王卫强，夏莅武，电力变压器绕组变形监测方法，电气时代，2013年第10期.