暂态过电压检测电力变压器绕组匝间短路故障.pdf

第 5 2卷第 l 2期 2 0 1 5年6月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r ume nt a t i o n V0 1 5 2 No 1 2 J u n 2 5。 2 0 1 5 暂态过 电压检测 电力变压 器绕组匝 间短 路故 障 米 夏珩轶 ， 唐跃林 ， 杨华忠 ， 陈晓聪 ， 汪力 ， 魏刚 ， 赵仲勇 ， 李成祥 ， 姚陈果 ( 1 重庆电力公司检修分公 司， 重庆 4 0 0 0 3 9 ； 2 重庆大学 输配电装备与 系统安全及新技术 国家重点实验室， 重庆 4 0 0 0 4 4 ) 摘要 ： 变压器在运行过程 中， 其 内部初始故障最终有可能发展成灾难性事故 ， 导致设备停运和电网停 电， 绕组变 形被认为是变压器内部 的最主要的故障之一 。利用变压器运行时遭受过 电压信号 冲击 的特性 ， 提出利用暂态 过电压可实现绕组变形故障的在线检测。首先 ， 介绍了该方法 的基本原理 ， 在此基础上搭建 了验证性试验平 台， 进行 了匝间短路故障模拟试验。试验结果表明， 该方法在一定程度上可实现绕组 匝间短路故障的检测 ， 具 有一定的参考价值 。 关键词 ： 绕组变形 ； 暂态过电压 ； 匝间短路故障； 试验研究 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 20 0 7 3 0 4 De t e c t i n g s ho r t e d t ur n s f a i l ur e o n t h e wi n di n g s o f p o we r t r a n s f o r me r b y t r a ns i e n t o v e r v o l t a g e Xi a He n g y i ，T a n g Yu e l i n ，Ya n g Hu a z h o n g ，C h e n Xi a o e o n g ， W a n g L i ，W e i Ga n g ，Z ha o Zh o n g y o n g ，Li Ch e ng x i a n g ，Ya o Ch e n g u o ( Ma i n t e n a n c e B r a n c h o f C h o n g q i n g E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9， C h i n a 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y of P o w e r T r a n s mi s s i o n E q u i p m e n t &S y s t e m S e c u r i t y a n d N e w T e c h n o l o g y C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e i n i t i a l f a u l t s i n s i d e t r a n s f o r me r w o u l d e v e n t u a l l y d e v e l o p i n t o c a t a s t r o p h i c f a i l u r e d u r i n g i t s o p e r a t i o n， wh i c h c o u l d c a us e t h e o u t a g e o f e q u i p me n t a n d e n t i r e n e t wo r kW i n d i n g d e f o r ma t i o n i s c o n s i d e r e d t o b e t h e mo s t c o n- mo n f a ul t s i ns i d e t r a n s f o r me r As p o we r t r a n s f o rm e r s u f f e r s t h e s u r g e o f o v e r v o l t a g e d u r i ng i t s o p e r a t i o n，t h e me t h o d o f t r a ns i e n t o v e r v o l t a g e c o u l d be u s e d t o r e a l i z e o n l i n e de t e c t i n g t r a n s f o r me r wi n d i n g de f o rm a t i o n i s p r o po s e d i n t h i s p a - pe r Fi r s t l y，t h e b a s i e p r i n c i p l e o f t h i s me t h o d i s i n t r o d u c e d，t h e n a v e r i f y i n g t e s t p l a t f o r m i s s e t u p，a n d t h e s i mu l a t i o n t e s t o f s h o r t e d t u r n s f a i l u r e i s c o mp l e t e d T h e t e s t r e s u l t s h o w s t h a t t h e p r o p o s e d me t h o d c o u l d r e ali z e d e t e c t i n g s h o r t e d t u rns f a i l u r e s o f t r a n s f o rm e r w i n d i n g t o a c e rt a i n e x t e n t ，a n d t h i s me t h o d h a s a c e rt a i n r e f e r e n c e v a l u e Ke y wo r d s： t r a n s f o rm e r wi n d i n g d e f o r ma t i o n，t r a ns i e n t o v e r v o ha g e，s h o rte d t u r ns f a i l u r e，t e s t r e s e a r c h 0 引 言 绕组变形是电力变压器最为常见的故 障类型之 一 ，绕组发生轻微变形后， 变压器仍然能继续运行， 潜伏性故障难 以被及 时捕获 ， 这 就大大增加 了变压 器突发性故 障的概率 。特别 的， 变压器 出现 出 口短 路后 ， 绕组受到巨大短路电动力 ， 极有可能产生较为 严重的变形， 进而引发设备的突发停运。 目前 ， 绕组 变形检测的各类方法中， 频率响应法被认为是经济、 基金项 目： 国网重庆市电力公 司项 目( 2 0 1 4渝 电科技 自4 9 # ) 有效 、 重复性好 、 灵敏度高 的方式 l 1 J ， 得到 了最 为广 泛的关注和应用 ， 行 业先驱也先后制定 了中国行业 标准 _ 2 和 I E C标准 J 。但该方法要求变压器停运进 行离线测试 ， 例行检测 的测试周期较长 ， 绕组的状态 不能被及时获取和掌握。 如果能在线检测 电力 变压器绕组状况 ， 在绕 组 出现严重变形之前做 出预警 ， 并根据绕组状况有针 对地安排计划停电和维护， 将大大保障变压器运行 的可靠性 ， 提高其经济性能， 对 于整个 电网的发 展将 起到积极地推动作用。文章基 于变压器正常运行 时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 2期 2 0 1 5年6月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r ume nt a t i o n V0 1 5 2 No 1 2 J un 2 5。 2 01 5 遭受过电压 冲击 的特性 ， 提 出利用 暂态过 电压的方 式实现绕组变形故障的在线检测。 1 方 法简介 国内外研究结果 表明， 在频率大于 1 k H z时变压 器绕组可等效为一个 由电阻 、 电容 和电感 构成 的无 源二端 口分布参数网络 4 j ， 其特性 由网络的频率响 应曲线表示。当在绕组 的一端施加频率变化 的激励 信号 ， 在绕组另一端可获得 随激励信号频率而改变 的响应信号 ， 进而构建 网络 的频率响应特性 曲线l ， 如式 ( 1 ) 所示 。变压器在制作完成后 ， 其绕组 的结构 和铁芯的相 对位置将会保 持 固定 ， 等效二端 口网络 中的分布参数保持不变 ， 进而频率响应特性 曲线将 不会变化 。 。 B m ( = 2 0 lg 磬 ( 1 )I ( 式 中 i ( 为绕组的响应电压 电流信号 ； U 。 ( 为绕 组的激励 电压信号。 当绕组发生变形、 位移和短路等故 障时 ， 等效二 端 口网络 中的参数将会发生变化 ， 进而造成频率 特 性仙线的改变 ， 通过对 比分析频率响应 曲线的变化 ， 能够达到辨识绕组的变形故 障的 目的。 另一方面 ， 电力变压器在正常运行过程 中， 难免 会遭受过 电压 的冲击 ， 由于变 电站 的防雷措施和进 线端保护的作用 ， 侵人变压器 的大气过 电压将会非 常微弱， 因此 ， 变压器所遭受 的过电压 冲击主要是 由 内部过 电压造成， 一般情况下操作过 电压波形波头 时间要 比暂时过 电压 的短 ， 特别 的 ， 操 作过 电压 的 波头时间在特定系统运行方式下 ， 其波头时间可能比 图 1 原 理 图说 明 Fi g 1 Di a g r a m o f b a s i c prin c i p l e - - - 7 4 - 雷电过电压更短 _ 9 J 。图 1所示 为暂态过电压在线检 测单相变压器绕组变形故障的原理图。 结合变压器运行期 间过 电压 的特点可知 ， 绕组 首端遭遇的过电压波头时间可达到微秒级别 ， 同时， 过电压幅值高， 携带能量大， 其波形特点决定了携带 丰富的频谱分量， 如果将过电压信号作为绕组的激 励信号 ， 并测量绕组对应端的响应信号 ， 可在线获取 绕组 的频 率 响应 曲线 ， 进 而评 判分 析绕组 的变形 状 况 。 2 验证性试验研究 为了验证上文所提 出的方法具备检测变压器绕 组变形故 障的潜力 ， 本节 开展了绕组故 障模 拟试验 研究 。试验时 ， 绕组故 障选择 了故 障率 最高的匝 间 短路故障， 分别对健康绕组 和模拟 匝问短路 故障绕 组进行了试验测试 。由于变压器低压侧 短路 电流较 大 ， 该侧绕组 更容易发 生变形 ， 本文 选择 的绕组 为 1 1 0 k V变压器 的低压绕组 ， 同时为 了保 证结果可对 比， 试验中所有 的绕 组均 为 同一 型号 ， 接线 如 图 2 所示 流 图 2试 验接 线 图 Fi g 2 T e s t wi rin g d i a g r a m 2 1试验设 置 为 了模拟过 电压信号波形特征 ， 试 验可控 电源 采用课题组 自行研 制的微秒 脉冲电压发生器 ， 该发 生器可输 出上升 沿 为 l O O n sl O O p , s ， 脉 宽为 2 0 2 0 0 0 s ， 重复频率为 1 H z 3 0 H z ， 幅值为 01 0 k V的 双指数电压 波形 ， 脉冲参数可实现调节 。试 验采用 上升沿 4 0 0 n s ， 半脉宽 2 0 1 x s ， 幅值 4 0 0 V的脉 冲， 用于 模拟上升沿较快的过电压信号， 作为绕组的激励 信号 。 试验 中采用 T e k t r o n i x P 5 I O O A探头测量激励 电 压信号 ， 采用 P e a r s o n 1 0 1线圈测量响应 电流信号， 电 压和电流传感器的工作频带较宽 ， 满足频率响应分 析法的频带要求 ， 同时采用 T e k t r o n i x数字荧光 示波 器 D P O 4 0 5 4测量显示和记录波形 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 2期 2 0 1 5年6月 2 5日 电测与仪表 Ei e c t dc a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t a fio n V0 1 5 2 No 1 2 J u n 2 5， 2 01 5 2 2试验 结果 分析 对健康绕组和模拟 匝间短路故 障绕组分别 开展 测试 ， 以验证本方法能够实现检测绕组 匝间短路故 障。同时对模拟 匝问短路故障绕组设置了不 同故障 严重程度和故障发生位置分别进行试验 ， 以验证本 方法具备检测不 同故 障程度和故 障位置的潜力 。为 了避免接线方 式和接线长度引入 的误差 ， 所 有试 验 接线方式和采用的电线 电缆型号都完全相同。采用 输入电压和输出电流进行频率响应分析 ， 如公式 ( 1 ) 所示。 ( 1 )健康绕组与匝间短路故障绕组试验 在进行故障模 拟时 ， 人 为在模拟 匝间短路 故障 的绕组上设置了故障。试验结果绘制的频率响应 曲 线如图 3所示 ， 与健康绕组相 比， 匝间短路故障绕组 频响曲线整体比较相似 ， 曲线整体上抬 ， 第一个波峰 点前移 ， 第二个波峰点后移 ， 第一个波谷点前移 。这 与文献 1 0 的结果一致 ， 从理论和试验上反映 了暂 态过电压信号能够实现绕组变形故障检测。 复 S 图3 健康绕组与匝间短路故障 绕 组试验 结果 对 比 Fi g 3 Te s t r e s ul t s c o mp a ris o n b e t we e n h e a l t h y wi n d i n g a n d s h o r t e d t u r ns f a u l t wi n d i n g ( 2 ) 不同严重程度匝间短路故障试验 上文验证了暂态过电压对绕组变形检测 的有效 性 ， 接着研究该方法受故 障严 重程度 的影响。在模 拟匝间短路故 障的绕组首端设置 2匝， 5匝和 1 0匝 匝间短路， 开展短路位置相 同而短路 匝数不 同的试 验。试验结果如图 4所示 。 与健康绕组相 比， 匝 间短路故 障严 重程度不 同 的绕组其频率 响应 曲线形态 基本相同 ， 只是 曲线整 体发生了上抬 和后移 ， 不同故障严重程度不会改变 该故障下频率响应 曲线的整体特性 ， 而且 ， 随着故 障 严重程度的上 升 ， 响应 曲线 的上抬和后移程度不 断 增 加 。 ( 3 ) 不同故障位置匝间短路故障试验 为了研究本文提出的方法受故障位置变化 的影 响。在模拟匝间短路故障的绕组中部和末端分别设 置 5匝匝间短路 ， 开展短路匝数相同而短路位置不同 的试验。试验结果如图 5所示 。 复 彗 图 4 不 同故 障严 重程度 绕组 试验 结果 对 比 Fi g 4 Te s t r e s u l t s c o mp a r i s o n f o r d i f f e r e n t f a u l t d e g r e e wi t h s a me l o c a t i o n 图 5 不 同故 障位 置绕组 试验 结果 对 比 F i g 5 T e s t r e s u l t s c o mp a r i s o n f o r d i f f e r e n t f a ul t l o c a t i o n s wi t h s a me d e g r e e 试验结果表明 ， 不 同故障位置不会改 变该故 障 下频率响应 曲线的整体特性， 而且 ， 首端和末端故 障 的响应 曲线 十分 相似 ， 说 明了故 障具 有一 定对 称 特性。 ( 4 ) 试验小结 与健康绕组相 比， 匝间短路故 障绕组 的频率 响 应曲线呈现出了明显的差异性 ； 同时 ， 随着故障严重 程度和故障位置不同 ， 频率 响应 曲线整体形 态变化 不大 ， 但波峰和波谷发生偏移 ， 说 明该方法在一定程 度上能够实现绕组匝问短路故障的检测。 3 结束语 文章提 出了利用 电力系统暂态过 电压实 现变压 器绕组变形故障的在线检测 ， 并且开展 了试验研究 ， 结果初步表 明提出的方法具有检测变压器绕组 匝间 短路故障的潜力。需要说 明的是 ， 本文所 描述 的数 据采集方法以及试验研究均以绕组末端直接接地 的 一 7 5 一 O 0 O O 0 O O 0 O 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m