频率响应分析法作为一种行之有效的变压器绕组变形检测方法,目前已在国内外得到广泛使用,成为检测变压器绕组变形的主要方法。至九十年代初期起,我国很多研究所及公司机构就开始对频率响应法进行了尝试,通过数十年来不断的分析改进目前取得了较好的成效,诊断出了一批变形严重的变压器。
基于频响分析法的绕组变形测试系统通常由测试仪器和测量分析软件两部分组成。就仪器而言,国外主要采用网络分析仪(Network Analyzer)和扫频响应分析仪(Sweep Frequency Response Analyzer),但由于它们价格昂贵,因此没有在国内广泛使用。为了降低成本、推广频响分析法,目前电力行业内很多研究所及公司机构,如:武高所、电力科学院等都自行研制了变压器绕组变形测试设备,并在我国电力系统得到广泛应用,取得了很好的效果。测试设备由扫频信号发生和宽带数据信号采集两个功能模块组成,目前开发者通常将这两个模块集成于一张板卡上,使仪器更加轻巧便携。
系统测量分析软件通常由信号发生模块、数据存储模块、相关分析模块及界面显示模块组成。相关分析模块是测量分析软件核心,根据频响分析法的诊断原理编写代码实现。频响分析法的诊断技术建立在频响幅值曲线横向或纵向比较的基础上。横向比较法利用同一台变压器各侧三相绕组进行比较,当三相之间频谱特性不一致时,参照同厂同期生产同型号变压器绕组频谱特征进行判断,如果同期生产变压器三相之间一致性良好则初步断定该变压器绕组发生形变。而纵向分析法则将变压器目前记录和正常工作时的历史记录幅频特性进行比较,如果两者差距超过某程度就可初步断定绕组发生了形变。
在频响分析法使用初期,我国普遍采用全频域范围内对频响曲线做相关性比较,即对1kHz-1MHz内的采样点做相关性计算,以曲线间相关系数为特征量比较曲线间的相似程度。同时,参考两条频响曲线在坐标内谐振点的空间位置进一步判断绕组变形情况。
但在1kHz-1MHz的频段上对该网络加以分析,其频响曲线所反映的信息是不同的。根据电工学理论,变压器绕组是一个电感绕组,且绕组之间、绕组与接地部分之间,甚至同一绕组的层与层、匝与匝之间都存在电容,即变压器绕组等效电路是如图所示的无源线性二端口网络。当频率较低时,绕组的电感和电容都比较小,导致容抗较大,感抗较小,等值电路呈感性,可忽略纵向电容;随着频率增加,感抗变大,容抗变小,电路要考虑为最详尽的模型,所有参数都包括在电路中;当频率继续增大时,感抗将非常大,而容抗很小,电路呈纯容性,电路等效为一个电容链型网络。即随着频率的改变绕组的特征不断变化,网络在不同频率下电感、电容谐振点的分布变化所反映的信息也是不同的。因此,在全频域范围内分析曲线间的相关性不能有效的反映绕组变形位置及程度。
为了克服全频域相关分析的不足,西安交通大学王环博士等人提出:将测量频段分为高、中、低三段,将三频段和全频域上幅度谱的相关系数作为绕组变形判断基础。从而增加了反映绕组相对变形的信息量,也体现了不同类型的绕组变形导致频响曲线在不同频率区间的变化。目前,这种分频段计算相关系数的思想已经被广泛采用,并纳入国家电力行业标准。
中华人民共和国电力行业标准之《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》中建议将测量频段分为高、中、低三段计算相关系数,联合三频段上频谱的相关系数与全频段相关系数分析绕组变形情况。
国家电力行业标准之《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》发布后,用频响曲线在高、中、低三个频段上及全频域的相关系数判断绕组变形的诊断方法得到推广。分频段计算相关系数后,绕组频率特性曲线在每个频率范围内的相关程度更加明显的体现出来了。但是频响分析法始终建立在绕组频响幅值曲线纵向和横向比较的基础上,缺乏统一量化标准以及深层次的诊断手段,因此该方法虽然已经推广了二十几年,进展却非常缓慢。
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