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摘要：本文从原理角度对基于频率响应法的电力变压器绕组变形分析技术进行了介绍，对绕组频率响应特性的物理含义、以及其与绕组形态的内在联系进行了分析，对相关技术的优缺点、影响因素与未来发展方向进行了探讨，希望能够对基于频率响应法的绕组变形分析技术的进一步发展进步与推广应用提供一定借鉴。
关键词：电力变压器，电气试验，频率响应，绕组变形
引言
作为与社会生产生活密不可分的能源供应体系，电力系统的安全性与可靠性正面临着越来越高的要求，不仅体现在运行管理方面，同时也体现在设备维护方面。其中，变压器作为输电、变电、配电等多个环节中的关键装备，其投资造价高，服役周期长，已经成为电力系统中最为核心的装备之一。一旦发生故障，将对供电系统及用户造成极大的影响。对大型电力变压器来说，在经历短路故障电流冲击后，变压器内部绕组的机械损伤往往不会在短时间内显现出来，投入运行后存在巨大的安全隐患。实际运行经验表明，短路冲击，尤其是近距离的短路冲击所带来的电动力对变压器绕组的影响极大，极易造成绕组机械性能下降、位置偏移、绝缘恶化等缺陷00，这些隐患在变压器经受再次冲击后将逐渐积累、扩大，最终可能造成严重损毁事故，导致巨大经济损失。因此，发展并应用变压器绕组变形检测与分析技术有着巨大的现实意义与经济价值。
目前，绕组变形检测技术以短路阻抗法和频响分析法为主。其中，短路阻抗法通过在低电压、小电流环境下对变压器短路阻抗进行测量，并以其出厂值或历史值为标准进行校验，来作为绕组变形的判断依据0。短路阻抗数值与绕组的空间结构、几何形态、以及各绕组之间的相对位置密切相关，因此能够在一定程度上反应出绕组变形程度。同时由于测量电压、电流水平较低，具备较好的可操作性，因此在现场试验中得到了大量应用。但是，低电压短路阻抗试验仅能够得到单一的阻抗值作为依据，对绕组变形缺陷的反映并不全面，同时缺乏成熟有效的判断标准，一般起到辅助作用。
频率响应分析法（Frequency Response Analysis Method，FRA）的基本原理在于通过测试变压器单个绕组的频率响应特性来反映其空间几何特征00。由于变压器绕组空间位置与几何尺寸的变化必然使绕组感抗以及绕组对地、绕组饼间的耦合电容发生改变，必然会影响其频率响应特征。因此，通过在一定范围内对该网络的频率响应特性（以幅频曲线为主）进行测试，并与出厂数据、历史数据或同类设备数据进行比对校验，便能够判断绕组是否发生变形、以及判断绕组形变的发生位置和严重程度。与短路阻抗法相比，FRA方法具有灵敏度高、可重复性强、数据内容丰富、对绕组形变的反映更加全面等优点，得到了广泛的关注与应用，同时也对相关测试与分析方法提出了挑战。
本文围绕基于FRA的大型电力变压器绕组变形测试与分析问题，对其技术原理进行了阐述，对测试结果分析与故障判断方法进行了介绍，对未来FRA技术的发展与应用进行了展望。
FRA技术原理
图1 FRA绕组变形测试示意图0
FRA的基本原理是通过对绕组施加特定频率的电压激励，测量其响应幅值并绘制幅频响应特性曲线，测试接线如图1所示。在频率响应特性分析中，大型电力变压器的高、中、低压绕组可分别视为一组等效的串联电感，而在各绕组之间、绕组对地、甚至绕组的层间与匝间都存在耦合电容，其等效电路如图2所示。图中，L为绕组分布电感，C1、C2分别为绕组对地电容和纵向电容。对实际变压器来说，其电感、电容并不是均匀分布的，而是会受绕组空间位置、物理结构等复杂因素影响00。
图2 变压器绕组等效电路图
当输入频率较低时，绕组感抗较小、容抗较大，使整个网络呈感性；而当输入频率较高时，绕组感抗增加、容抗下降，整个网络呈容性。在一定频率变化范围内，网络将在不同的频率位置发生谐振，谐振点频率、响应幅值等与网络的电容、电感参数分布有关，并将受到绕组线圈空间结构、尺寸、布局的显著影响。这样一来，便建立了绕组物理形变与其频率响应特征之间的联系。
由于变压器绕组等效电路中电感、电容拓扑连接关系的复杂性，在不同输入频率条件下，发生谐振的方式也有着巨大的差异。而串联谐振、并联谐振等不同的谐振形式，以及不同的谐振发生位置等，也将在频率响应特性曲线上有所体现0。图2中给出了一个典型的绕组幅频响应特性曲线。
图3 典型绕组FRA测试响应曲线
如图2所示，FRA测试得到的幅频特性曲线往往具有多个波峰与波谷特征，反映了不同的谐振位置与谐振方式等信息0。对于波峰位置来说，说明该频率下以串联谐振为主导；而对于波谷位置来说，则说明该频率位置以并联谐振为主。当绕组发生物理形变时，必然导致耦合电容与电感数值与分布的改变，进而导致谐振频率出现变化。反映在频率响应特性曲线上，即波峰与波谷位置发生移动。因此，通过对频率响应特性曲线进行分析，即可了解绕组的物理形变情况。
需要指出的是，在不同的频率范围内，频率特性曲线与谐振点所反映的信息侧重点是不同的，不同位置与程度的绕组形变往往只有在某个特定的频率范围内才能得到体现。考虑到变压器自身结构的特殊性、以及现场试验的可操作性，需要对测试频率范围做出一定限定，以在充分体现变压器绕组物理变形缺陷的同时，缩短测试时间，降低检测成本，提高试验结果的针对性和可对比性。因此，一般按照输入频率将响应曲线划分为低频、中频和高频三个区域，对三个区间内的曲线相关系数进行分别考量和分析0。
分析方法与判据
通过FRA能够得到绕组在一定频率范围内的响应特性曲线，这一曲线的波形与绕组的空间形态与特征密切相关，并将通过不同频率位置的响应幅值来体现。文献0中对变压器绕组不同状态的对应频率范围进行了归纳，如表1所示。
表1 频率范围与绕组状态对应表0
根据图2给出的变压器绕组等效电路可见，在低频率范围内，绕组的对地电容及饼间电容的容抗较大，整个绕组以电感为主导。因此，一般认为频率响应曲线中20kHz以下的低频段部分发生偏移时，则预示着绕组整体电感发生变化，可能存在匝间短路、饼间短路等缺陷，也可能是由于铁心变形或剩磁引起。这些缺陷除了会引起频率响应特性的变化以外，往往还能够通过油化验等其他项目得到准确判断。
在中频段范围内，绕组的频率响应特性受到饼间电容、绕组电感等多重因素的复合影响，在曲线上存在着多个波峰与波谷。当绕组发生局部变形时，必然会引起饼间电容的变化，进而使中频段的谐振点发生改变。因此，当绕组在中频段的响应特性改变时，通常表明绕组局部发生扭曲、鼓包等变形缺陷，是判断绕组局部变形的主要依据；
在高频段范围内，变压器绕组的等值感抗增大，容抗减小，可被等值为一个容性网络。由于绕组的饼间电容远大于对地电容，其特性以绕组对地电容为主导0。因此，当幅频响应特性曲线高频段范围内的波峰或波谷位置发生变化时，通常表明绕组存在整体轴向变形或移位、引线接头移位等情况。
虽然不同的绕组缺陷能够通过绕组频率响应曲线的不同特征来体现，但具体应如何判定响应曲线是否正常仍需要进一步探讨。对此，首先可以通过同一变压器、同一电压等级A、B、C三相的频率响应曲线的横向对比来判断各相绕组是否发生变形，在必要时可以借助同批次、同型号变压器的测试结果。此时，需要保证在不同相的测量中外界条件与测试方法一致。当某相响应特性曲线与其他两相相比具有明显差异时，即可初步判定该相绕组可能存在绕组变形缺陷。在实际应用中，还可以通过相关系数来提升FRA方法易用性。在当前广泛应用的各种FRA绕组变形分析设备中，相关系数计算已成为其中不可或缺的一项功能。按照规程要求，在低频、中频、高频段的相关系数要求分别如表2所示。
表2 频率范围与绕组状态对应表
对横向比较来说，重点需要排除三相绕组均发生类似形变的可能性。此外，由于三相绕组在变压器中的空间布局、引线连接等均存在一定差异，因此即使对正常绕组来说，其三相频率响应特性之间也可能存在一定差异。这一问题往往出现在变压器低压侧绕组当中，尤其在含有平衡绕组的变压器中体现的更加明显。因此，在横向比较的基础上，还需要通过纵向比较来进一步提升判断的准确性，即将本次测试得到的响应曲线与变压器出厂、交接、修后试验中得到的正常响应曲线进行比对。在实际应用中，往往将横向比较与纵向比较两种方式结合使用，以充分发挥二者的各自优势。
影响因素分析
基于FRA的变压器绕组变形测试能够准确感知绕组的频率响应特征，同时不易受到外部电磁信号的干扰。但是，由于变压器自身频率响应特性与其电气参数密切相关，变压器的运行方式、接地状态、接线方式等都极易对其响应特性造成影响，进而影响绕组变形诊断精度错误！未找到引用源。0。因此，在实际应用中应特别注意以可能对测试结果造成影响的环境因素，以保证测试结果的可对比性与可重复性，包括：
（1）必须确保测试引线的连接状态与屏蔽性能良好。由于FRA设备的测试引线和线夹均采用高频屏蔽结构，在低温、油污、潮湿等复杂现场应用环境下，容易造成测试引线接触不良等问题。同时，由于引线一般较长，在反复缠绕、折叠过程中极易造成线芯断开或屏蔽层开裂。这些测量线路的故障将直接影响频率响应测试结果，并可能表现为无波形、波形整体偏移、波形跳跃、干扰增大、或出现明显有违实际的无意义杂乱波形等等。对于这一情况，可以通过人工检查或万用表测量等方式来进行故障诊断；
（2）FRA测量仪器、引线屏蔽层、以及匹配阻抗必须保证良好接地，同时在多次测量中应尽量保证采用同样的接地方式和位置以保证结果的一致性。当引线或设备接地不良时，可能造成设备或引线对地杂散电容也参与到频率响应中来，造成测试波形在中高频率范围内出现偏差、散乱等问题，影响试验的正常进行；
（3）需要保证被试品变压器自身状态满足测试要求。变压器的出口引线对其频率特性会造成较大影响，因此一般要求在测量时需拆除变压器全部引线，对于电缆出线以及引线难以全部拆除的情况，需要确保历次测试环境的一致性；需要确保变压套管末屏、铁心等接地良好，铁心充分消磁、绕组充分放电，避免对测试过程产生干扰；需要保证历次测量中变压器分接开关位置一致，使各次测试结果具备对比价值。
（4）需要尽量保证外界环境在历次测试中的合理性与一致性。对于变压器临近设备应尽量停运、屏蔽或接地，以避免对测试过程产生干扰；对变压器上层油温、环境温度等需做好记录，从而在分析中排除其对测试结果的影响。
未来发展与应用
FRA由于其抗干扰能力强、可重复性好、测试灵敏度高、分析诊断方法简便等特点，目前在国内外变压器生产、运行和管理部门得到了极为广泛的应用，并取得了一定成效。然而，由于FRA测试仍然受到很多不确定性因素的影响，同时缺少有针对性的准确故障挖掘与诊断手段，因此仍存在着一定的改进空间，主要体现在：
一是提高测试装备与方法的准确性与适用性。目前，受内部算法、抗干扰能力等性能指标的影响，不同厂家、不同型号的测试装备在实际应用中可能无法得到完全一致的结果，需要建立详细有效的设备评价标准与准入机制，避免因装备差异造成的缺陷误判或无效数据。此外，大量不同出线类型、不同电压等级的大容量变压器得到了广泛应用，要求绕组变形测试方法对不同设备类型均具有适应能力。尤其是对采用电缆出线等特殊接线模式的变压器来说，必须采用合理有效的绕组变形测试方法与手段来避免电缆电容等附加因素的影响，并深入了解测试结果的物理意义。
二是提高不同应用场景下测试结果分析的科学性与合理性。当前对绕组变形测试结果的纵向比较方式仍面临着历史数据难以获取或不可靠、不准确等问题，而横向比较方式以不同频段的相关系数为标准进行判断，没有深入利用绕组频率响应特性的物理含义，容易产生误判风险。尤其是对某些含有平衡绕组的变压器来说，即使绕组状态正常其三相之间的频率响应往往也无法保证一致性。因此，必须建立能够满足多种场景应用的FRA绕组变形科学分析判断方法体系。
结语
目前，基于FRA的绕组变形分析技术由于其测试灵敏度高、可重复性好、抗干扰能力强、数据分析方便等优点而得到了广泛使用。本文从原理角度对基于频率响应的电力变压器绕组变形分析技术进行了介绍，对测试结果的物理含义、判断依据与影响因素进行了分析，对相关技术的局限性与未来发展方向进行了探讨，希望能够对基于频率响应的绕组变形分析技术的进一步发展进步与推广应用提供一定借鉴。
参考文献
[1]武中利. 电力变压器故障诊断方法研究[D]. 华北电力大学, 2013.
[2]弓艳朋. 变压器绕组变形的扫频短路阻抗诊断方法研究[J]. 高压电器, 2016, 52(5): 121-125.
[3]郑含博, 李予全, 王晓辉,等. 变压器绕组变形的低电压阻抗诊断方法及实列研究[J]. 绝缘材料, 2016, 49(01): 66-70.
[4]Yousof M F M, Ekanayake C, Saha T K. Frequency response analysis to investigate deformation of transformer winding[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2015, 22(4): 2359-2367.
[5]孙翔, 何文林, 詹江杨,等. 电力变压器绕组变形检测与诊断技术的现状与发展[J]. 高电压技术, 2016, 42(04): 1207-1220.
[6]Bagheri M, Naderi M S, Blackburn T. Advanced transformer winding deformation diagnosis: moving from off-line to on-line[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2012, 19(6): 1860-1870.
[7]何平, 文习山. 变压器绕组变形的频率响应分析法综述[J]. 高电压技术, 2006, 32(05): 37-41.
[8]赵建永. 频率响应分析法测量电力变压器绕组变形原理研究及应用[D]. 浙江大学, 2011.
[9]Ludwikowski K, Siodla K, Ziomek W. Investigation of transformer model winding deformation using sweep frequency response analysis[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2012, 19(6): 1957-1961.
[10]Bagheri M, Naderi M S, Blackburn T, et al. Practical challenges in online transformer winding deformation diagnostics[C]// International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems. 2011: 1-6.
[11]钱苏翔, 宋家由, 颐小军. FRA在变压器绕组变形故障诊断中的应用[J]. 机械设计与制造, 2013(09): 120-123.
[12]林剑, 马明, 龚列谦,等. 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[J]. 电力学报, 2010, 25(3):225-227.
论文作者:曲童,于浩,王军,张锡喆
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/7
标签：绕组论文; 频率论文; 变压器论文; 测试论文; 曲线论文; 谐振论文; 特性论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;