FRA变压器绕组变形测试的一些影响因素

©OMICRONelectronicsGmbH2020-01-101/5FRA变压器绕组变形测试的一些影响因素SomeInfluenceFactoroftheFrequenceResponseMethod(黄文庆OMICRON上海代表处)摘要Abstract在现场采用频响法测试变压器，常会遇到变压器没有发生绕组变形但频响曲线却发生了变化，这些现象经常造成现场分析的困惑，干扰了我们对变压器绕组变形的正确判断。本文试图认识并分析这些影响频响曲线的因素，以便于在现场更好的分析频响曲线，正确地判断变压器的绕组变形的情况。ItveryoftenhappensthattheFrequenceResponsecurvehaschangedbutnowindingdistortionintransformer.Thesephenomenawillmakesomedoubttoanalysethewindingdistortion,sothisarticlewantstotrytorealizetheseexternalfactorthatleadchangeoffrequenceresponsecurve,toavoidsomeinfluencefromthesephenomenaon-site.关键词：绕组变形频响曲线影响因素Keywords:WindingdistortionFrequenceresponsecurveInfluencefactor1FRA绕组变形测试概述变压器在运行时遭受出口或近区短路的冲击，故障时的大电流或冲击电流将产生很大的电动力将可能导致线圈发生变形。变压器在运输、安装、吊罩大修过程机械碰撞也会造成线圈的变形。在上述的电动力与机械力的作用下，绕组尺寸与形状将可能发生不可逆转的变化，造成绕组或铁心的器身位移、松散、扭曲、鼓包等。绕组变形是变压器安全运行的隐患，变压器绕组的许多绝缘故障都是由于绝缘的最初机械损伤造成的，变形严重的可能直接伴随绝缘材料的损伤，甚至绝缘破裂。因此，绕组发生局部变形后，即使没有立即损坏，也可能留下程度不同的故障隐患。同时变压器发生绕组变形后，一般的绝缘试验与油的试验都较难发现，所以绕组变形也常表现为潜伏性故障。由于线圈的任何变形都将引起内部一些局部电容的改变。例如匝间、线圈与外壳、其他线圈等。因此，目前常采用FRA方式（频率响应分析）进行测试，在测试结果中谐振频率的改变能反映相应的内部线圈变形。FRA方式（频率响应分析），是一项很有效的诊断测试技术，通常FRA方式的测试频率范围从10-50Hz升到几个MHz.。其测试频响曲线在10Hz-20kHz的低频范围主要受到铁心故障、剩磁、匝间短路影响，20kHz-2MHz的频率范围是主线圈的响应范围，而2MHz-20MHz的范围则主要是有载分接开关与套管的引线和线圈接头的响应范围。FRA频响曲线实质上是由在一个很宽的频率范围内对变压器线圈的阻抗测量值组成，并与一个参考值来比较这些测量结果。理想情况下，这个参考值是同一个变压器的同一个线圈历史测量值。如果没有同一线圈的测量值可用，也可参考同一变压器同侧的其它相线圈，但该相线圈应已知或假定没有损坏。将测量曲线与参考曲线进行比较分析，通过两者之间的差异来分析判断绕组的变形情况。通常绕组发生变形，将在曲线比较的以下方面体现出来：-曲线图的全部形状发生改变-新的谐振频率出现或已有的谐振频率消失-已有的谐振频率发生较大改变如果变压器没有遭受过外力（电动力与机械力）的冲击，绕组是不会发生任何变形的。因此，采用FRA方式测试的频响曲线与之前测试的参考曲线比较，理论上应该是没有任何的差异。但是在现场的实际应用中，我们经常会遇到变压器没有发生绕组变形但频响曲线却发生了变化，这些情况下的频响曲线的变化并不是绕组变形所造成，这些现象经常造成现场分析的困惑，影响并干扰了我们对变压器绕组变形的正确判断，甚至造成对FRA测试方式有效性的怀疑。我们需要认识并分析这些影响频响曲线的因素，以排除这些影响因素，正确地分析与判断变压器的绕组变形。2一些影响频响曲线的因素没有受到任何影响的频响曲线图一：没有受到影响的频响曲线©OMICRONelectronicsGmbH2020-01-102/5Figure1:Normalfrequenceresponsecurve以下分析的影响频响曲线的因素均是基于非绕组变形的情况下2.1剩磁的影响图二：剩磁的影响Figure2:Influenceofremanence以上是同一台变压器的同一相在变压器直流电阻测试前后所做的FRA频响曲线测试结果，红色曲线为直流电阻试验前测试结果，绿色曲线为试验后测试结果，通过曲线比较，我们可以看出在500Hz-1000Hz之间，曲线受直阻试验后的剩磁影响，谐振峰发生了明显的变化。这并非绕组变形所导致的曲线改变。因此，为避免受到其他测试的影响，变压器退出后应考虑先安排进行FRA试验。另外，通过曲线比较我们还可以发现在频率100KHz位置，曲线的谐振峰也发生了变化，这也并非是绕组变形所致，而为直阻试验时，改变了有载分接开关档位所造成的。对于有载分接开关的影响，我们可以参阅下面更详细的曲线波形。2.2有载分接开关的影响图三：有载分接开关的影响Figure3:InfluenceofTapchanger红色曲线为有载分接开关处于初始位置，黑色曲线为下降5档、绿色曲线为下降6档、蓝色曲线为下降7档，可以清晰比较出在一些频率段受档位的影响非常明显，虽然谐振峰的数量基本不受影响，但是谐振峰的幅值随档位的下降而明显改变。因此，测试时应注意记录下变压器有载分接开关档位，特别是在与同一变压器的历史数据进行比较时，应该使测试在同样的有载分接开关档位下进行。2.3连接接触不良的影响图四：接触不良的影响Figure4:influenceofbadcontact©OMICRONelectronicsGmbH2020-01-103/5以上是我们现场经常遇到的测试曲线，这些测试曲线有许多的毛刺，严重影响了正确的分析与判断，造成许多毛刺的原因一般都是由于连接的接触不良，由于变压器的各相引线端接头及导电杆接触表面可能存在氧化或油污等情况，容易造成测试夹钳连接的接触不良，因此，测试前应检查连接的接触器情况，可用砂纸或锉刀等打磨以确保连接接触良好。2.4低压绕组短接与未短接影响图五：低压绕组短接的影响Figure5:influenceofLVwindingshorted这是对于一台两卷变，低压绕组分别处于短接与不短接的情况下，所测试的高压侧绕组的频响曲线对比。红色曲线为低压侧未短接，黑色曲线为低压侧短接。从曲线对比可以看出，在小于10KHz的低频部分，频响曲线相差很大。当高压线圈进行测量时，如果低压线圈被短接，则在变压器的等效电路图中，相当于短接了铁心中的磁通，即铁心被短接的线圈所屏蔽。响应曲线在低频范围所受影响显著。从图五中可以看到黑色曲线，在低频部分（小于10K）没有了谐振峰建议正常测试时低压侧不要短接，如果有低压侧短接情况则应进行明确的记录，特别是进行历史数据比较时，应确保在同样的测试条件下进行，比较才有相应的参考价值。如果在现场，变压器低压侧是采用电缆引出的，由于引线不方便拆卸，因此测试的曲线将受到很大影响，变压器的相间比较也会受电缆影响而产生差异，相应的频响曲线比较应采用相同试验条件下的历史数据作为参考曲线则更有价值。2.5变压器铁心磁路差异的影响图六：磁路的影响Figure6:influenceofmagnetismloop这是一组正常的变压器高压侧绕组测试频响曲线，红色曲线为A相绕组、绿色曲线为B相绕组、蓝色曲线为C相绕组，在频率范围500Hz－1000Hz处，可以看到B相与A、C相的谐振峰的明显差异。造成差异的原因为各相的铁心磁路差异，A、C相在两侧边柱，铁心磁路完全相同，B相在中间，有不同的铁心闭合磁路，因此在低频部分体现出不同的频响曲线。频响曲线进行相间比较时，应注意这个差异是正常的。2.6绕组匝间短路的影响图七：匝间短路的影响©OMICRONelectronicsGmbH2020-01-104/5Figure7:influenceofshortedturns图八：匝间短路的影响Figure8:influenceofshortedturns变压器线圈的匝间短路也会在低频区域影响到频响曲线：图七中蓝色曲线为正常的A相绕组，绿色曲线为有匝间短路的B相绕组；图八中红色曲线为正常的绕组，蓝色曲线为有匝间短路的绕组。图中可以清晰看出，线圈的匝间短路改变了频率500Hz－1000Hz的范围内的谐振峰。这是由于线圈的匝间短路可能改变变压器铁心的磁化特性，由此会改变低频响应，如果短路回路电流足够大，改变方向的漏磁通进入铁心也会改变低频响应2.7现场噪声的影响[3]f/Hz1.000e+0021.000e+0031.000e+0041.000e+005dB-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20H1H2H2H3H3H1f/Hz1.000e+0021.000e+0031.000e+0041.000e+005°-150-100-50图九：噪声的影响Figure9:Influenceofnoise在现场的FRA测试，影响频率响应信号的噪声主要有工频噪声和背景噪声。在图中，可以注意到在50Hz附近存在一些噪声。即使FRA仪器的输出电压达到20V，在现场强电磁环境下完全消除50Hz噪声的影响也是很难实现的，不过由于工频噪声影响的频率范围是铁心磁特性的线性部分。而第一个谐振峰通常发生在130Hz以上，通常不会被工频噪声所影响，在图中，可以看到较之工频噪声，背景噪声的影响则是非常有害的。若干个谐振峰受到了较大的影响，由于这部分包含有重要的信息，这些谐振峰的比较与评估将变得困难，影响了绕组变形的诊断。在图中，可以看到一般低于-80dB的谐振峰受背景噪声影响很大。如果FRA仪器没有足够的动态范围，背景噪声将模糊频率响应信号，这将使结果的解释与评估变得困难。因此，FRA测试仪器的动态范围采用80dB是不够的。对于变压器的频率响应测试需要一个动态范围至少-100dB…20dB。这是我们消除背景噪声影响的基本条件。按现有的国内外相关规定，设定FRA仪器需要的动态范围不得小于-100dB…20dB。但市场上所使用的FRA仪器并非都是满足这个要求的，这需要我们用户有更多的了解与注意，以减少现场噪声对我们测试与分析的影响。2.8测试连接线的影响[2]工频噪声背景噪声©OMICRONelectronicsGmbH2020-01-105/5图十：连接线的影响Figure10:influenceofleads图十一：连接线的影响Figure11:influenceofleads现场测试的连接线也会影响到测试结果，对测试的影响主要体现在频响曲线的100kHz以上的高频部分。经过大量试验分析发现测试连接线的屏蔽与松散连接是影响高频部分测试结果的主要因素。如图10，蓝色曲线为测试连接线未屏蔽，并且随意松散连接。红色曲线为测试连接线采用屏蔽并且与套管紧贴连接。通过同一变压器绕组的测试曲线比较可以看出，在100kHz以上的高频部分，频响曲线相差非常大，严重影响了测试结果的分析与评估。如图11，蓝色曲线与红色曲线均为测试连接线未屏蔽且松散连接的重复性测试，测试结果证明其在高频部分的重复性很差，完全不能满足现场测试的要求因此，可以看出，任意松散的连接不仅导致在100kHz以上的高频部分，测试结果与真实情况的很大差异，影响到变压器同侧各相之间的横向比较，同时其很差的重复性也影响到自身历史数据的纵向比较，该部分是不具有参考价值的。因此，我们需要严格选用测试连接线并重视现场的正确安装，这是确保频响曲线高频部分准确性的基本条件，而不应将高频部分测试重复性不好视为一种必然，对于该频段所对应的绕组变形情况不予分析比较，进而影响到我们不能全范围的有效使用FRA方式来测试变压器绕组变形。3结论通过以上的分析，形成以下结论供现场参考：-先