1、III变压器绕组变形测试方法目录-V-目录目录 V第一章 绪论 .11.1. 变压器绕组变形检测的实际意义11.2. 变压器绕组变形的检测方法21.2.1. 短路阻抗法21.2.2. 低压脉冲法31.2.3. 频响分析法（Frequency Response Analysis，简称 FRA 法） .41.2.4. 电容量变化法41.2.5. 超声波检测法51.2.6. 振动法51.3. 国内外频响分析法检测变压器绕组变形的研究现状61.4. 本课题所做的主要工作81.5. 本章小结9第二章 变压器结构及绕组变形分析 .112.1. 电力变压器结构112.1.1. 铁芯112.1.2. 绕组12
2、2.2. 变压器绕组的变形形式132.3. 变压器绕组变形分析142.3.1. 绕组的制造工艺和应力设计142.3.2. 绕组所受冲击力的类型152.4. 本章小结16第三章 频响曲线不同频段灵敏度分析 .173.1. 灵敏度计算分析173.1.1. 灵敏度定义173.1.2. 频响曲线对不同参数灵敏度的计算173.1.3. 灵敏度分析183.2. 频率响应仿真193.2.1. PSPICE 仿真软件简介 193.2.2. 仿真电路193.2.3. 仿真结果及分析203.3. 本章小结21-VI-第四章 绕组变形与电感、电容参数变化的关系 .234.1. 绕组电感的计算234.2. 绕组纵向电
3、容的计算234.3. 绕组变形与电感、电容参数变化的关系244.4. 本章小结24第五章 绕组变形统计分析 .255.1. 出现整体变形的例子255.2. 出现局部变形的例子265.3. 绕组变形统计275.4. 本章小结28第六章 结论 .29绪论-1-第一章 绪论1.1. 变压器绕组变形检测的实际意义变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其安全运行对于保证电网安全意义重大。如果一台大型电力变压器在系统运行时发生事故，则可能导致大面积停电。变压器的检修期一般要达到半年以上 1，不但花费大，而且影响面广。因此有必要对变压器进行故障分析、增强故障检测手段、降低故障率，以保证电网的安全运行。近些年
4、来，我国的电力事业发展很快。据最新资料统计，截至 2006 年底，中国发电装机容量达到 62200 万千瓦，居世界第二位 2。随着电网容量的不断增大，超高压与特高压电力系统的逐步建立，大容量、大区域互联和西电东送等复杂系统的即将形成，对电力系统的安全运行和供电可靠性都提出了更高的要求。特别是随着超高压输电系统全国联网、紧凑型输电线路的建成、带有串补或静补的交流柔性超高压输电系统的采用，输电系统的短路电流将达到较高水平，如 63kA3 。这就要求各变压器产品都能承受较高短路电流所产生的较大电动力和机械力。据有关统计资料介绍，变压器绕组是变压器事故损坏的主要部位。变压器绕组抗短路能力差是造成变压器
5、运行损坏的主要原因。广州电网在 2000 年以来，由广州电力局管辖的变电站已有两台 220 千伏主变压器因遭受外部短路故障冲击，直接引起变压器内部突发性短路故障损坏（伍仙门站 2 号变和瑞宝站 1 号变） 。另有三台110 千伏主变压器在运行中因遭受过电压引起绝缘损坏，其中松仔岭站 1 号主变因系统过电压引起变压器主绝缘击穿后造成线圈匝间和层间短路故障；大涌站 1 号主变因雷击引起过电压，造成 B 相高压线圈端部电容屏击穿引发的线圈匝间和层间短路故障；荔城电厂降压站 1 号主变因在空载充电过程出现过电压，引发 C 相套管末端均压罩对变压器内箱壁放电，由于放电能量大，造成变压器箱体破裂以及高压侧
6、套管错位喷油。另一台不属于广州电力局管辖的番禺砺江电厂（地方电厂）110 千伏 3 号升压变，因 B 相高压套管端部密封不良造成高压引线及线圈端部进水受潮，在运行中突发绝缘损坏事故。 4随着电网容量的日益增大，短路容量亦随之增大，短路故障造成的变压器损坏事故呈上升趋势。而因外部短路造成变压器绕组变形，又是变压器运行过程中的常见故障，严重威胁着系统的安全运行。当变压器在运行过程中遭受短路故障电流冲击时，在变压器绕组内将流过很大的短路电流，短路电流在与漏磁场的互相作用下，产生很大的电动力，这时每个绕组都将承受巨大的、不均匀的径向电动力和轴向电-2-动力，另外，变压器在运输、安装等过程中也可能受到意
7、外的碰撞冲击、颠簸和振动等。在这些力(电动力或机械力)的作用下，绕组可能产生机械位移和变形，并可能引发绝缘损伤、绕组短路和烧毁等严重的变压器事故。此外，保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受短路电流作用的时间长，这也是绕组发生变形的原因之一 5。因此，研究变压器绕组发生变形的原因、诊断方法和防治措施，对减少变压器事故的发生具有重要意义。目前进行变压器绕组变形检测深受国内外关注，已经成为变压器安全运行的重大研究课题，有些国家甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置，我国国家电力公司在国电发【2000】589 号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中，也明确把绕组变形试验列入变压
8、器出厂、交接和发生短路事故后的必试项目。 61.2. 变压器绕组变形的检测方法对于新安装和故障后的变压器，一般需要进行绕组变形检测。目前，我国通常采取出厂前检验、现场安装后检验、运行期间进行常规检测和故障后的全面检测等方式。通过对相关特征量进行测量分析，从而判断绕组是否有变形、位移等异常现象发生。变压器绕组变形后，通常会表现出各种异常现象，许多特征量如电气参数、物理尺寸、几何形状以及温度等与正常状态相比有较大差异，以此为基础形成了多种绕组变形检测方法。目前，各种绕组变形检测方法均没有通用的状态量对绕组的状态进行描述和判断，也没有通用指标去量化绕组变形程度，都是依据自己的测量理论基础，采用相应经
9、验和判断标准而进行最后的绕组变形程度和变形位置判断。变压器承受短路冲击以后，运行单位一般都用常规电气试验项目和绝缘油分析来检查变压器的绝缘状况。检查结果表明，有的变压器电气试验和绝缘油分析均在预防性试验规程所规定的范围内，但吊罩检查却发现绕组己明显变形或绝缘垫块严重松动，说明常规电气、油化试验项目不能有效地发现变压器绕组变形性缺陷 7。而吊罩检查虽很直观，但需花费大量的人力、物力、财力，而且对判断内侧绕组有无变形仍有困难 8。为了满足电力系统要求，弥补常规电气方法和吊罩检查方法所存在的不足，国内外对变压器绕组变形的检测均进行了大量研究，并逐步形成了以下几种较为成熟的检测方法。1.2.1. 短路
10、阻抗法变压器的短路阻抗是指变压器的负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗，反绪论-3-映了绕组之间或绕组和油箱之间漏磁通形成的感应磁势。短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量，对于 1l0kV 及以上的大型变压器，电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压器的短路电抗分量，就是变压器绕组的漏电抗。在频率一定的情况下，变压器的漏电抗值是由绕组的几何尺寸所决定的，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变 9。短路阻抗法最早由苏联提出，该方法的基本思想就是基于测试变压器绕组中漏感的变化，其原理接线如图 11 所示 10。其中 A 为
11、电流表，V 为电压表，绕组的高压侧接到工频交流电源上，低压侧短接。利用测得的电流和电压值即可计算出绕组的短路阻抗( 漏抗) 值。通过比较变压器绕组变形前后的短路阻抗值，即可判断绕组是否发生变形或位移。图 1 1 短路阻抗法测试绕组变形接线图利用短路阻抗法测量变压器绕组变形大多是在低电压、小电流的条件下进行，测量比较方便。但到目前为止仍没有确切的判别标准，在 IEC 标准和国标 GB 1094.5-85 中都规定了额定电流下的阻抗变化限值，IEC 建议相对变化量超过 3%为异常，国标规定根据绕组结构的不同，相对变化量取 2%4%比较合适 11。另外，该方法灵敏度太低，且需动用沉重的试验设备和大容
12、量的试验电源，试验时间较长，难以推广使用，误判率较高 12。1.2.2. 低压脉冲法变压器绕组在较高频率的电压作用下，其铁芯的磁导率几乎与空气的一样，绕组本身可以看作一个由线性电阻、电感、电容等组成的无源线性分布参数网络 13，其等效电路如图 12 所示。图中，L 为饼间电感， K 为纵向电容，C 为对地电容。图 1 2 变压器绕组的等效电路-4-低压脉冲法是 1996 年由波兰的 Lech 和 Tyminski 提出。其基本原理是在变压器绕组的一端施加稳定的低压脉冲信号，并且同时记录该端子和其它端子的电压波形，通过将时域中的激励与响应做比较，可对绕组的状态做出比较正确的判断。当变压器的绕组发
13、生变形时，相应部分的电感、电容等参数都会发生变化，当在输入端施加脉冲电压激励时，将引起输出端响应的变化。西安交通大学的李彦明教授 1415、重庆大学的孙才新教授 16在利用小波分析法剔除干扰，利用模极大值等作为故障特征量，进而提高变压器绕组变形判断的灵敏度方面作了很多研究工作，并取得了良好的效果。低压脉冲法现己被列入 IEC 及 IEEE 电力变压器短路试验导则和测试标准 17。但该方法应用于现场试验中，尚受测试过程中各种电磁干扰的影响，可重复性较差18，且对绕组首端位置的故障响应不灵敏，较难判断绕组变形位置 19。1.2.3. 频响分析法（Frequency Response Analysi
14、s，简称 FRA 法）频响分析法最早是由加拿大的 E.P.Dick 和 C.C.Erven 提出并应用的 17。其工作原理为，在频率较高的情况下，变压器绕组可以等值为一个由电容、电感等分布参数所组成的两端口网络（电阻很小，可忽略不计） ，其等效电路如图 1-2 所示。将输入激励与输出响应建立函数关系，并逐点描绘，就得到了反映变压器绕组特性的传递函数特性曲线。变压器结构一定时，变压器绕组的参数和函数曲线也就随之确定，当变压器内部发生变化时，其绕组的分布参数就会发生改变，相应的函数曲线也会随之改变。频响分析法的具体实施过程为：将一稳定的正弦扫频信号施加于被试变压器绕组的一端，同时记录该端子和其他端
15、子上的电压幅值及相位，从而得到被试绕组的一组频响特性。实践证明，频率响应法确实能够为变压器绕组变形的诊断提供一个较为准确的依据 20。频响分析法对比于低压脉冲法，避免了仪器笨重和测试结果重复性差等缺点 20，降低了电磁干扰的影响，可重复性较好 18，且可以较为直观地分析频率响应曲线，测试灵敏度较高 20。目前该方法己在国内外变压器运行和生产部门得到推广应用，并取得了成效。但由于测试结果受很多不确定性因素的影响，其诊断结果尚具有某种不稳定性。1.2.4. 电容量变化法电力设备预防性试验规程规定：变压器绕组的 tan 每一至三年测试一次。在变压器投运前和预防性试验时，我们只须用常规的 QS1 电桥
16、(或抗干扰电桥)测量绪论-5-各级绕组的 tan ，同时计算出对应绕组的电容量，不需要增加新仪器 20。如果发现变压器某绕组的电容量与以前的数据相比有明显的变化，说明变压器绕组有可能存在异常。因为变压器每个绕组可以看成是一个由电阻、电容、电感等构成的网络，所以绕组的等值电容量直接反映出各绕组间、绕组对铁心、绕组对箱体及地的相对位置和绕组的自身结构等。变压器产品出厂后，其各绕组的电容量基本上是一定的。只要变压器没有受过短路冲击，即使在有温度、湿度影响的情况下，其电容量变化也很小。当变压器遭受短路冲击后，若绕组无变形或变形轻微，其电容变化量也较小；若某侧绕组变形严重，则其电容量变化较大。所以根据变
17、压器绕组的电容变化量，能够判断出该变压器绕组是否发生变形。这种测试方法简单、方便、工作量小，在实际工作中已被福建省全面推广使用，但由于绕组电容量本身具有一定的分散性，因此对鼓包、扭曲等故障的测试灵敏度很差，只能作为补充测试方法 21。1.2.5. 超声波检测法超声脉冲反射法测距的基本原理是，利用放置在被测对象表面的超声探头发射某种频率的超声波，超声波在被测对象内部以纵波模式进行传播，当遇到两种介质交界面时，即发生反射，再沿一定路径返回并为超声探头接收。通过测量发射和接收超声波的时间，就可以得到超声往返于被测介质的传播时间段 t22。超声波检测变压器绕组变形的方法是将超声探头接触变压器外壳钢壁上
18、某一位置，通过耦合剂（黄油）使探头与变压器外壳紧密接触，并使探头中心对准需要测量的绕组。在同步信号作用下，发射电路激励超声探头发射超声波，超声波在穿过钢壁、变压器油后到达变压器绕组，并在其表面发生反射，反射回波沿着一定路径返回，同样的穿过变压器油、变压器钢壁外壳，到达超声接收探头并产生接收电脉冲信号，通过相关电路处理，可以得知超声波在变压器钢板和油中传播、往返一次所用的时间 t。对于变压器绕组和外壳钢壁而言，绕组表面上每一点到油箱表面之间的距离都是一个恒定值。如果绕组发生凹进、凸出或者移位等异常故障，距离会发生相应改变，通过比较，就可以得知绕组变形状态 23。该方法原理简单，操作容易，直接性好
19、，重复性也较好 22。但这一方法在有油和无油状态下的结果差异较大，另外，试验结果还会受温度的影响，因此该方法还有待于进一步完善和发展 24。-6-1.2.6. 振动法振动法是通过贴在变压器器身上（油箱）的振动传感器，在线监测绕组及铁芯的状况，良好状态变压器的振动特征向量（包括绕组和铁芯振动信号的频谱、功率谱、能量谱等）作为指纹留用，一旦变压器绕组发生故障，当前振动特征向量的变化就会快速地反映出来 25。这种方法最早是在电抗器上采用，对于在电力变压器上使用振动测试，加拿大、俄罗斯及美国等国已进行了多方面的研究。这种方法的优点是，测试系统与整个电力系统没有电气连接，可安全、可靠地达到在线监测的目的
20、 25。其缺点在于，电力变压器在运行过程中随时可能发生短路故障，如果在突然短路的变压器内部绕组发生故障，将导致带电绕组与油箱接触，油箱可能带有很高电压，另外，暂态感应也会在变压器器身上产生高电位，对测试仪器和人身安全都有影响 26。综上所述，短路阻抗法需动用庞大的实验设备，且费时、费力，而且灵敏度不高，难以保证测量精度，在现场使用有困难。低压脉冲法在间隔较长时间时，重复性差，且对变压器绕组的首端故障不灵敏。频响分析法的测试重复性比较好，可用于系统中运行变压器变形的检测。电容量变化法受绕组本身电容的影响，对鼓包、扭曲等故障的测试灵敏度很差。超声波检测法受油温以及有油无油状态影响严重。而振动法对测
21、试仪器以及人身安全都有影响。总之，频响分析法与以上各种方法相比，具有试验设备简单轻巧，测试灵敏度高，实验图谱分析直观，数据量值分析具有可比性等优越性 24。1.3. 国内外频响分析法检测变压器绕组变形的研究现状频响分析法从问世以来，就得到了国内外大量工作者的广泛关注。丹麦的B.B.Jensen 博士 272829和澳大利亚的 Ialam 博士 30等都走到了该领域的前列。另外还有荷兰的 Vssen.P.T 等 31、法国的 Moreau.O 等 32、英国的 McDowell.G W 等 33在这方面也都做了大量工作。目前频响分析法在欧洲各国得到了广泛的应用，成为检测变压器绕组变形的主要方法
22、34。我国在变压器绕组变形诊断技术方面的研究起步较晚，自 1990 年以来，由北京电力科学研究院、武汉高压研究所、西安交通大学对频率响应法进行了尝试，取得了一定的成效 35。后来电力系统各单位和变压器生产厂家也都用频响分析法进行了普测，积累了大量数据和经验，并及时检测出绕组变形故障，避免了重大事故的发生 83637。就频响分析法所采用的测试设备而言，国外，主要采用的是网络分析仪绪论-7-(Network Analyzer)18和扫频响应分析仪 (Sweep Frequency Response Analyzer ) 38，但由于其价格昂贵，很难在国内推广使用。目前，武高所、电力科学研究院和华北
23、电科院都自行研制了变压器绕组变形测试设备，并在电力系统得到广泛应用，取得了很好的效果。在诊断技术方面，频响分析法一直都是建立在比较频域幅度的基础之上，即同一台变压器的目前记录和历史记录的幅频比较、相同型号的变压器与同厂同期生产的变压器之间幅频的比较、同一台变压器不同相之间的频响比较。如果绕组的频率响应不同，就可初步断定绕组发生了变形故障。就提取特征量方面而言，在国外，1995 年 J.Bak-Jensen 等人引入了频谱随机方差 J，即： (1 1)211-,0-NMmJnIn其中，M 是测试次数，N 是数据点数，I mm(n)是第 n 点的平均值，I m(m, n)是第 m 次测试第 n 个
24、点的值。并以 J 作为辅助判断参数，主要研究了绝缘油或矿物质、铁心上沟槽及绕组的短路故障和绝缘老化的影响 29。华北电力集团的刘连睿等把变压器绕组的变形分为轻微变形、中度变形和严重变形 3 种。利用差值计算公式来描述频响曲线的变化，其计算公式为 (1 2)22212111nEVVV式中 E12 为两条频响曲线之间的差值，n 为采样点数， V1n 为第一条频响曲线第 n 点的频响幅值，V 2n 为第二条频响曲线第 n 点的频响幅值 39。绕组变形判断的经验数据为 1.6MVA 以上变压器三相绕组间的 E12 及各绕组与原始数据相比差值均不应大于 3.5dB。具体绕组变形程度判定的推荐值见表 1-
25、1。表 1 1 绕组变形程度判定推荐值西安交通大学的王钰博士等人提出：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和均方差作为绕组变形判断基础。相关系数主要用来描述两条曲线间的相似程度，而均方差则描述两者之间的绝对差值 1540。若两组测试数据分别为x n,ynn=1,2,N，其中 N 为测量总点数，则有绕组状态 正常 中度变形 严重变形差值/dB 1.0，则绕组正常；0.5R xy1.0，则绕组轻微变形；R xy0.5，则绕组；明显变形。1.4. 本课题所做的主要工作变压器绕组变形检测及诊断是个很复杂的过程，本文对目前使用比较广泛的频响分析法，做了一定的研究工作，主要研究
26、内容如下：1、 对目前我国电力发展形势、变压器使用现状及故障情况、现阶段国内外所使用的电力变压器绕组变形检测方法以及绕组变形检测的发展趋势作了大量调研，并就这些测量方法的优点和存在的不足进行了深入的探讨；2、 对电力变压器的结构进行了深入分析，从而深入了解了绕组变形的机理；3、 根据现场生产经验，在使用频率响应法（FRA）检测变压器绕组变形时，变压器结构及绕组变形分析-9-绕组的频率响应曲线的中频段部分能较好地反应出绕组的变形情况。本文在此基础上，对变压器绕组的频响曲线在不同频段对不同绕组参数的改变的灵敏度进行了一定的仿真计算。首先利用灵敏度的概念，对绕组的幅频特性曲线进行了灵敏度分析，大致地
27、了解了不同参数变化时，频响曲线在不同频段的变化情况。然后利用 PSPICE软件对变压器绕组的等效模型（即由电容、电感等分布参数组成的无源网络）进行了仿真，选取绕组模型的级数为 5 级，分别通过改变电感、电容等分布参数，来模拟变压器绕组变形，以分析电感、电容参数大小的变化对其频响的影响，寻找规律性；4、 通过绕组分布参数的计算公式，深入分析了绕组的变形形式与分布参数改变之间的关系；5、 对电力变压器绕组变形现象作了大量调查和分析，搜集了大量绕组变形数据，并对绕组的变形形式进行了统计分析；6、 根据以上的计算、分析，找到了生产实践中利用中频段频响曲线来诊断变压器绕组变形的理论依据，并通过生产中遇到
28、的实例对该结论进行了验证。1.5. 本章小结本章简要介绍了开展本课题的背景、目的和意义。首先分析了目前我国的电力发展形势以及变压器事故现状，由此得出变压器绕组变形检测的必要性和紧迫性。然后对目前国内外所使用的几种变压器绕组变形检测方法进行了简单描述，并就这些检测方法的优点和存在的不足进行了探讨，最后重点介绍了频响分析法的国内外研究现状。本章结尾处，对本课题所做的主要工作进行了概括。-10-变压器结构及绕组变形分析-11-第二章 变压器结构及绕组变形分析2.1. 电力变压器结构变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它的结构原则是：两个或两个以上互相绝缘的绕组套在一个共同的铁芯上，它们之间有磁的耦合
29、，但没有电的直接联系。41按照绕组数目的多少，变压器分为双绕组变压器、三绕组和多绕组变压器以及自耦变压器；根据变压器的铁芯结构，分为心式变压器和壳式变压器；按相数的多少，分为单相变压器和三相变压器；按变压器的冷却方式和冷却介质的不同，分为空气冷却的干式变压器和用油冷却的油浸式变压器等。电力变压器主要由五个部分组成：铁芯、带有绝缘的绕组、变压器油、油箱、绝缘套管。 42铁芯和绕组是变压器进行电磁感应的基本部分，称为器身。油起冷却和绝缘作用；油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用；套管主要起绝缘作用。下面简要介绍一下铁芯和绕组。2.1.1. 铁芯铁芯是变压器的磁路部分。为了提高磁路的磁导率和降低铁芯内
30、的涡流损耗，铁芯通常用厚度为 0.35mm、表面涂绝缘漆的含硅量较高的硅钢片制成。铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分，铁芯柱上套绕组，铁轭将铁芯柱连接起来，使之形成闭合磁路。根据结构型式，铁芯又分为芯式和壳式两种。它们的主要区别是磁路形式不同，即铁芯与绕组相对位置不同，绕组被铁芯包围的，称为壳式；铁芯被绕组包围的，称为芯式。图 21 和图 22 分别是单相芯式和壳式变压器的铁芯示意图。 41图 2-1 中，1 为铁芯柱，2 为铁轭，3 为低压绕组，4 为高压绕组。铁芯的装配方法一般采用交错式装配，它是把剪成一定尺寸的长方形硅钢片交错叠装而成。在叠装时，相邻层的接缝要错开。为了减少装配工时，通常用 23
31、 张硅钢片作一层。铁芯柱一般做成阶梯形的多边形。阶梯的级数越多，截面越接近于圆形，空间利用率就越高，但制造工艺就越复杂。-12-图 2 1 单相芯式铁芯 图 2 2 单相壳式铁芯2.1.2. 绕组绕组是变压器的电路部分，一般用包有绝缘纸的铝线或铜线绕成。变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。高、低压绕组之间的相对位置有同芯式和交迭式两种不同的排列方式。根据绕组绕制方法的不同，变压器绕组可分为圆筒式、饼式、连续式、纠结式和螺旋式等几种主要形式。图 23 与图 24 给出了同芯式和交迭式绕组的示意图。 42单相变压器 三相变压器 1）高压绕组 2）低压绕组图 2
32、 3 同芯式绕组 图 2 4 交迭式绕组圆筒式绕组是最简单的一种绕组形式，它是由一根或几根并联的绝缘导线沿铁芯柱高度方向连续绕制而成，一般用作 1063kVA 三相变压器的高压绕组或低压绕组。饼式绕组是由一根或几根并联的绝缘扁线沿铁芯柱的径向一匝接着一匝地串联绕制而成，数匝成一饼。连续式绕组是由很多个线饼沿轴向串联绕成，一般用于三相容量为 630kVA 及以上、电压为 3110kV 的变压器。纠结式绕组的外形与连续式绕组类似，但焊接头较多，这种绕组的线匝不是依次排列的，而是前后纠结在一起，一般用于三相容量为 6300kVA 及以上、电压为 110330kV 的变压器。螺旋式绕组是由多根扁线沿径
33、向并联排列，然后沿铁芯柱轴向高度像螺纹一样，一匝跟着一匝地绕制而成，这种绕组一般用于三相容量为 800kVA 及以上、电压为 35kV 及以下的大电流变压器。变压器结构及绕组变形分析-13-2.2. 变压器绕组的变形形式变压器绕组在过电流作用下受到的电动（特别是在出口短路情况下）如果超过其可以耐受的机械强度，将会使得其发生永久性变形，一般可能并不导致立即损坏。变压器遭受短路电流冲击的次数越多，承受最大短路峰值电流的概率也就越高，越可能导致绕组变形。变压器绕组变形的主要形式有以下几种，详见图 25。 43永久弯曲变形 局部曲翘变形 轴向力引起的永久变形绕组位移 绕组中部撑开 导线变斜 绕组倒塌图
34、 2 5 绕组变形的主要形式1正常运行时电动力引起的损坏正常运行时电动力虽小，若绕组制造过程中存在线段松动、导线不平或有毛刺、换位的弯折处进入垫块、换位处绝缘破损或卡破、垫块不正等缺陷，电动力引起的振动会使这些缺陷扩大，导线间或导线与垫块之间长期互相摩擦，终至绝缘损坏而放电，这就出现正常运行中绕组突然损坏。2横向电动力引起的永久弯曲变形与局部曲翘变形对外绕组，横向电动力使导线受拉应力。拉应力过大，导线被拉长，绕组直径扩大，发生永久变形，导线间的匝绝缘也同时被拉长以至匝间绝缘破裂，形成匝间短路，引起弧光将绕组烧毁。-14-对内绕组，横向电动力使导线受压应力。内绕组内壁是由撑条支撑的，压应力过大，
35、两撑条间导线作为受压力的梁因弯矩过大而发生永久弯曲变形。这种损坏绕组在整个圆周上的永久变形是基本对称的（图 25a ）整个绕组并未失去稳定性，这种损坏比较少见。内绕组由于压缩力而损坏的常见一种形式，是结构失去稳定的局部曲翘变形（图 25b） ，这是由于内绕组在压缩力的作用下，局部首先变形并扩大而形成的。3突然短路时主要由纵向电动力引起的损坏饼式绕组沿圆周由鹗尾垫块支撑，纵向电动力过大时，两垫块间导线作为受压力的梁因弯矩过大而发生永久变形（图 25c） ，这种变形通常是圆周对称的。纵向电动力还可以使绕组纵向发生位移，如一个绕组整个向上提升，或一个绕组中部某处撑开（图 25d，e） 。这种损坏，往
36、往是绕组制造或装配不良，高低压绕组间原始状态由位移而引起安匝不平衡所致。4突然短路时由纵向及横向电动力同时作用引起的损坏在绕组端部主要是由纵向漏磁的纵向和横向分量产生的横向和纵向电动力综合作用所引起。在绕组中部主要是由纵向磁场的纵向分量所产生的横向电动力和横向磁场所产生的纵向电动力所引起。主要损坏现象为绕组发生扭转，端部出头沿圆周位移，绕组导线歪斜甚至倒塌（图 25f，g） 。2.3. 变压器绕组变形分析当变压器受到机械力或者电动力的冲击后，绕组是否发生变形以及变形程度如何，主要受以下两个因素的影响：(1)变压器绕组承受冲击力的能力，这主要取决于绕组的材料、结构、制造工艺和应力均匀性等。(2)
37、绕组所受冲击力的特性，即冲击力的大小、作用时间、作用频率以及作用方式和范围。2.3.1. 绕组的制造工艺和应力设计变压器绕组的引线、抽头、段间过线、换位处、分接线段、内部焊接点及因绕制或压缩不紧而存在间隙处，都是结构上的薄弱环节，容易引起变形。变压器绕组一般使用铜线或铝线绕制而成，而铜和铝都是典型的塑性材料。当应力很小时，应变与应力之间服从虎克定律，呈线性关系，当应力超过一定量时，会出现永久变形。当永久变形超过 0.2%时，应力应变曲线饱和，此时应力稍有增加就会导致永久变形的急剧增大 15。就力的计算而言，横向电磁力是很容易计算的。对轴向力而言，它是由横向漏磁场产生的。理论上讲，只要高、低压绕
38、组安匝完全平衡，即不考虑端部轴向漏磁变压器结构及绕组变形分析-15-通的弯曲，就不存在轴向电磁力。但是在一台实际变压器中，分接头是存在的，必然会产生剩余安匝，因此存在轴向电磁力 44。为了解决剩余安匝产生的轴向机械力，绕组端部漏磁弯曲产生的轴向力，以及绕组制造中高、低压不平衡产生的内部压力，就必须在绕组两端加压力，压紧绕组。综上所述，这不仅是计算问题，也是实际结构和工艺问题，更重要的是要将两个问题互相配合一致，才能达到所要求的机械强度。实际上，两者很难达到完全一致，这不仅因工厂不同而异，即使是同一厂、同一规格的产品，也往往难以一致（制造偏差、安全系数偏差、其他随机概率等） 。2.3.2. 绕组
39、所受冲击力的类型1正常运行时电动力正常运行时电动力通常较小，但如果绕组在制造过程中存在缺陷，如绕组松动，导线不平或有毛刺，换位的弯折处进入垫块，换位处绝缘损坏和垫块不平等，电动力所引起的振动会使这些缺陷进一步扩大，从而使绕组在正常运行时出现变形的可能，而且导线和垫块之间将可能长期互相摩擦，甚至引发绝缘损坏与放电。另外，如果绕组的热稳定性不够，也可能在正常运行时发生绕组变形故障。2突然短路电动力突然短路的短路电流为正常额定电流的数倍至数十倍，绕组所受的电动力与电流的平方成正比，因此在短路情况下，电动力为正常运行时的数十至数百倍 43。虽然短路时间很短，但强大的冲击电流将使变压器绕组承受巨大而不均
40、匀的电动力，尤其在变压器出口及附近处短路时，巨大的短路电流和较小的短路阻抗使电动力更大，这种强大的电动力将引发绕组产生各种类型的变形，这是变压器绕组变形的主要原因。3直接的机械冲击力变压器在制造、运输、安装、维修等过程中，往往会遭受到外部偶然的急速机械冲击力作用，根据牛顿力学定理 F ma，变压器外壳将产生和所受外力同向的加速或减速运动，改变其先前运动状态，其运动状态将会发生从静止变为运动、速度增加或减小以及从运动变为静止等变化。绕组位于内部，由于惯性，它将继续保持原来的状态，此时外壳和绕组发生了相对运动，这将成为绕组变形的起因。视变压器绕组与外壳连接状态的不同，绕组就将产生不同类型的变形或位
41、移。综上所述，变压器受到巨大的机械冲击力和电动力后，如果其机械强度不足以承受如此强大的冲击时，绕组将会产生各种类型的变形和位移等故障。-16-2.4. 本章小结本章首先简单地介绍了电力变压器的结构，包括变压器的分类，铁芯和绕组所使用的材料、装配工艺，以及每种铁芯或绕组的使用场合等。紧接着对变压器的绕组变形形式进行了总结。最后对影响绕组变形的因素进行了分析，包括变压器的制造工艺、应力设计以及绕组所受的冲击力的类型等。如果变压器的机械强度不够，则当其受到偶然的机械冲击力和电动力后，将会产生各种类型的变形和位移。频响曲线不同频段灵敏度分析-17-第三章 频响曲线不同频段灵敏度分析变压器结构一定时，绕
42、组的参数和频响曲线也就随之确定，当绕组发生变形时，其电感、电容等分布参数就会发生相应的改变，对应的频响曲线也会随之改变。不同参数的改变对频响曲线的影响是不同的，这一点始终被大家认同。有研究认为，绕组的电感发生变化，导致其幅频特性曲线低频部分的谐振频率明显变化 45；而高频部分则主要受电容参数的影响。为了寻求不同电感、电容参数变化与频响曲线变化之间关系的规律，本章进行了一系列的计算和仿真。本章的计算分析基于图 12的变压器绕组等效电路。3.1. 灵敏度计算分析为了了解电感、电容等参数的变化分别对频响曲线有什么样的影响，我们引入了灵敏度的概念。在不同的频率段找出对频响曲线影响最大的参数，从而对不同
43、电感、电容参数变化与频响曲线变化之间关系的规律有一定认识。3.1.1. 灵敏度定义灵敏度定义为：函数 F 的相对变化与参数 x 的相对变化之比，即： (3 1)ln0limFFxx xS由上式求 F 对 x 的灵敏度时，可求出 F 对 x 的偏导数，再乘以 x/F 即可 46。x 不大时，由灵敏度的定义式可得出： (3 2）/(/)xSA由此式可看出灵敏度越大，则由 x 引起的函数相对变化 F/F 也越大，即 F 对x 的变化较敏感。根据灵敏度的定义，如果在某个频段计算出频响曲线对某个参数的林名度远较其他参数大，则可认为在该频段，该参数的变化对频响曲线变化的影响最大。3.1.2. 频响曲线对不
44、同参数灵敏度的计算对与图 12 等效电路，当只有一级时等效电路模型图如下图 31：-18-图 3 1 变压器绕组等效电路一级模型其电压传递函数 U2/U1 为： (3 3)212()sLKHC因为我们要考察的是网络幅频特性对各个参数的灵敏度，将上式中的 s 以 j 代替，得： (3 4)212()LKjC分别由灵敏度定义 31 求系统对 K1，C 2，L 的灵敏度，得： (3 5)14221112()()HKSLA (3 6)2 221CKC (3 7)0piDha3.1.3. 灵敏度分析根据公式 35，36，37，很容易知道：当 时，传递函数对电感参数的灵敏度最大；1LC当 时，传递函数对纵
45、向电容的灵敏度变大，此时幅频特性曲112线的变化主要反映匝间、饼间电容的变化；当 时，对地电容的影响逐渐变大，此时的幅频特性曲线变化主要受对1LC地电容和纵向电容的影响。一般电力变压器，对应于图 12 所示等效电路的分布参数，电感 L 一般在 10-频响曲线不同频段灵敏度分析-19-2H 数量级，纵向电容 K 一般在 10-11F 数量级，对地电容一般在 10-9F 数量级。 4748由此我们可以看出，在 100kHz 以下的低频段，分布电感参数的改变对频响曲线的影响最大，在一百到几百千赫兹的中频段，纵向电容的改变会最大地影响频响曲线地变化。以上计算分析均基于一级等效模型，为了验证结论地可推广
46、性，需要对多级模型进行分析研究。3.2. 频率响应仿真为了方便对多级模型中，对不同电感、电容参数变化与频响曲线变化之间关系的研究，本课题利用了 PSPICE 仿真软件对分布参数改变前后的频响曲线进行了仿真。3.2.1. PSPICE 仿真软件简介用于模拟电路仿真的 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件于 1972 年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用 FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。PSPICE 则是由美国Microsim 公司在 SPICE 2G 版本的基础
47、上升级并用于 PC 机上的 PICE 版本，并且引入了图形化界面。基于 Windows 平台的 PSPICE 可以对电路进行以下一些工作 49,50,51,52：1制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点(Bias Point)，进行直流扫描(DC Sweep) 与交流扫描 (AC Sweep )，显示检测点的电压、电流波形等。2估计元器件变化(Parametric )对电路造成的影响。3分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声(Noise )、频谱(Fourier )、器件灵敏度(Sensitivity )、温度(Temperature) 分析等。4优化设计。总之，PSPICE
48、是一个模拟的 “实验台”。利用该软件，可以做各种电路实验和测试，以便修改与优化设计。它为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具，利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计，对电子工程、信息工程和自动控制等领域工作的人员具有很高的实用价值。-20-3.2.2. 仿真电路变压器在较高频率（通常指 1kHz 以上）电压的作用下，其铁芯的磁导率几乎与空气的一样，绕组可以看作一个由线性电阻（很小，一般不考虑） 、电感、电容等组成的无源线性分布参数网络，其等效电路如图 12 所示。仿真中，用到的模型就是 5 级该分布参数网络，其中每级电路都是由一个电感、一个纵向电容和一个对地电容组成。纵向电容是指匝间电容及饼间电容。仿真电路如图 32。图 3 2 变压器绕组频率响应仿真电路3.2.3. 仿真结果及分析仿真中，各参数取值如下：表 31 计算机仿真参数参数 L K C数值 4.110-2 H 2.010-11 F 1.210-9 F仿真结果如下图 33，34，其中绿色曲
