基于FRA的变压器绕组变形的分频段研究

　　电力变压器是电力系统中不可或缺的设备,其正常运行对电力系统的安全生产和可靠性意义重大.据统计,约25%的变压器故障由绕组变形引起.[1]2000年以前,全国已测量了2 000多台次的变压器绕组频率响应; 2004年,江苏省用FRA检测了新投运的220 kV及其以上电压等级的变压器76台.[2-3]在短路电流产生的强大电动力和运输过程中的撞击作用下,变压器的绕组可能会失去稳定性,从而导致绕组局部扭曲、鼓包或移位等永久变形现象,严重时将直接造成突发性损坏事故.[4]FRA通过扫频技术来获得绕组的频响曲线[5],用FRA检测变压器绕组变形具有现场使用方便、检测灵敏度高、可在变压器不吊罩情况下判断变压器绕组变形等优点[6],在电力行业已得到广泛应用.除了FRA之外,脉冲响应法也是检测绕组变形的常用方法,德国的FESER和CHRISTIAN等人[7-8]对其进行了大量研究.本文将Multisim, Matlab软件和FRA结合起来对绕组等效模型进行研究,可更加直观、准确地得到绕组不同频段的等效模型,为绕组变形的进一步研究打下基础.

　　1　频率响应分析法原理

　　变压器绕组在较高频率的电压作用下,每个绕组本身均可视为一个由线性电阻、电容、电感(互感)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.变压器绕组等效电路和频率响应分析测试电路见图1,框内为变压器绕组等效无源线性双口网络;L,K及C分别代表绕组单位长度的分布电感、纵向分布电容及对地分布电容; V1,V2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压; Vs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.

　　变压器的内部结构是固定的,即绕组单位长度的电感、纵向电容和对地电容是不变的.因此,图1中双口网络的频率响应特性就已确定.变压器绕组变形之后,等效电感和电容的参数值将发生改变,导致其等效双口网络传递函数H(jω)的零点和极点发生变化,从而使网络的频率响应特性发生变化.[9]变压器绕组的幅频响应特性采用扫频检测法获得,即连续改变激励端的频率f (角频率ω=2πf),测量不同频率下的响应端电压V2和激励端电压V1的信号幅值之比,并进行如下处理:

式中H(f)表示频率为f时传递函数的模|H(jω)|; V2(f),V1(f)分别表示频率为f时响应端和激励端电压的峰值或有效值|V2(jω)|,|V1(jω)|.

　　2　变压器绕组变形的判断依据

　　采用频率响应分析的关键是将基准频响特性曲线和测得的频响曲线进行比较分析,判断绕组是否已产生变形.对两条曲线X和Y进行分析,若得到两组测试数据{Xi}和{Yi},i=1,2,3,…,N,N为每组数据测试的总点数,则有