頻響測試儀講義

1、變壓器繞組變形頻響測試儀講義電力變壓器在運行或者運輸過程中不可避免地要遭受各種故障短路電流的沖擊或者物理撞擊，在外界的運輸、 短路電磁力動力作用下，變壓器繞組可能失去穩(wěn)定性，導致局部扭曲、繞阻結構的變形、移位，這樣將嚴重影響變壓器的安全運行。按國家電力行業(yè)標準DL/T9112004采用頻率響應測試法測量變壓器的繞組變形，是通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應特性，并對檢測結果進行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應特性的變化程度，判斷變壓器繞組可能發(fā)生的變形情況。大型電力變壓器的多數(shù)絕緣和機械事故最初均由繞阻結構的機械變化引起。在變壓器事故之前檢測繞阻變形可降低維護費用，提高系統(tǒng)可靠性。一、變壓器繞組變形

2、測量方法國內外大量研究成果表明， 利用現(xiàn)代網絡測試技術的典型方法頻率響應測試法（ FRA），在較高頻率的電壓作用下，通過測量變壓器各個繞組的傳遞函數(shù) H（jw ），并對測試結果進行縱向或橫向（三相之間）比較，可靈敏有效的診斷出繞組的局部扭曲、繞阻結構的變形、移位等變形現(xiàn)象。變壓器的每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感（互感） 、電容等分布參數(shù)構成的無源線性雙口網絡，設繞組單位長度的分布電感、縱向電容和對地電容分別為 L、K、C，并且忽略繞組的電阻（通常很小），則繞組的等值網絡可用圖 1 表示。根據(jù)電工學理論，它是可以通過傳遞函數(shù) H(jw) 對其特性進行描述的。如果繞組發(fā)生了軸向、徑向尺寸變化

3、等機械特性變形現(xiàn)象，勢必會改變網絡的 L、K、C 等分布參數(shù)，導致其傳遞函數(shù) H(jw) 的零點和極點分布發(fā)生變化。圖 1 變壓器單相電氣原理圖圖中： L 單位長度電感量K單位長度電容量C單位長度對地電容量由于電力變壓器繞組的傳遞函數(shù)H(jw) 主要取決于其內部電感、電容等分布參數(shù)，變壓器繞組的頻率響應特性通常具有如下特征：a. 當頻率低于 1kHz 時，其頻率響應特性主要由線圈的電感所決定，諧振點通常較少，對分布電容的變化較不敏感；b. 當頻率超過 1MHz時，繞組的電感又被分布電容所旁路，諧振點也會相應減少，對電感的變化較不敏感，而且隨著頻率的提高，測試回路 ( 引線 ) 的雜散電容也會對

4、測試結果造成明顯影響，反而不利于判斷；c. 在 1kHz1MHz的范圍內，繞組的分布電容和電感均發(fā)揮作用，其頻率響應特性具有較多的諧振點， 能夠靈敏地反映出繞組電感、 電容的變化情況；變壓器結構一定時， 變壓器繞組的分布參數(shù)確定， 相對應的傳遞函數(shù)特征曲線也就隨之確定， 當變壓器繞組變形或移動后， 其繞組的分布參數(shù)就會發(fā)生改變，相應的傳遞函數(shù)特征曲線也會隨之改變。為了測量傳遞函數(shù)， 必須在一端施加測量電壓， 一般為正弦信號，稱其為激勵信號（ U1 ）。另一端產生的電壓稱為響應信號（ U2），測量 U1 和 U2 的幅度和相位，可得傳遞函數(shù) H(jw) 。輸入信號和輸出響應的幅度關系稱為幅頻響應

5、曲線，相位關系稱為相頻響應曲線工程上為簡化傳遞函數(shù) H(jw)( 復變函數(shù) ) 的表達 , 可用幅度（模）和相位變量表達 . 由于相位測量要求高 , 測量重復性不如幅度量 , 而且幅度量實際物理意義明確易懂， 實際應用一般用幅度變化來替代復雜的傳遞函數(shù) H(jw) 的表達 , 把復雜的復數(shù)計算簡化為實數(shù)計算。為了進一步直觀，把傳遞函數(shù) H(jw) 的幅度變化通過曲線來表達，就得到一條幅度 - 頻率曲線，并以此作為繞組變形判斷的依據(jù)。用頻率響應測試法檢測變壓器繞組變形，是通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應特性， 并對檢測結果進行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應特性的差異，來判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形

6、。二、繞組變形頻響測試儀工作原理變壓器繞組的幅頻響應特性采用圖 2 所示的頻率掃描方式獲得。連續(xù)改變外施正弦波激勵源 US 的頻率 f ，測量在不同頻率下的響應端電壓 U2和激勵端電壓 U1 信號的幅值之比，獲得指定激勵端和響應端情況下繞組的幅頻響應曲線。圖中 L 為繞組單位長度的分布電感、 K 為繞組單位長度的分布電容、 C 為繞組單位長度的對地分布電容，在前面解釋過了。頻響測試儀一般都包含正弦波發(fā)生電路（頻率合成）用于正弦波激勵輸出，中心控制單元控制正弦波發(fā)生電路輸出掃描頻率（ 1K 1MHz），同時采集激勵輸入和響應輸入這兩路信號到輸入處理電路，計算兩路信號的電壓幅值之比， 并逐點描繪出

7、幅值之比跟隨頻率變化的響應曲線。圖2 頻率響應測試法的基本檢測回路圖中： U1 等效網絡的激勵端電壓U2 等效網絡的響應端電壓US 為正弦波激勵信號源電壓RS 為信號源輸出阻抗R 為響應端匹配電阻頻率響應測試儀測量系統(tǒng)的結構如圖3圖 3 中測量模塊的功能如下：1、掃頻電壓發(fā)生器產生激勵信號，一般為正弦波發(fā)生器。采用DDS（頻率直接合成）技術，產生一個頻率可準確控制，波形畸變小的正弦波，通過功率放大后輸出，作為激勵信號Vs。輸出電壓較低，一般3-20V。提高Vs 的輸出電壓有利于提高測試系統(tǒng)的信噪比。圖 3 測量系統(tǒng)組成框圖2、雙通道檢測單元輸入兩路電壓信號（ Vo，Vi ），完成信號的模數(shù)轉換

8、，將電壓信號轉換為數(shù)字信號，傳送到計算單元（計算機）處理。Vi分濾波A/D 轉換處理單元壓信號放大Vo分濾波A/D 轉換處理單元壓信號放大檢測單元示意圖3、處理單元（計算機）信號數(shù)字化后傳到處理單元（計算機），完成信號的處理。 由 Vo和 Vi 計算得到幅度比（ dB），顯示線圈頻響曲線。4、測試線測試線是測量系統(tǒng)的重要組成，對測量結果有一定影響。測試線按要求為 50同軸電纜線。在實際變壓器變形測試中，采用頻率響應測試方法時的工作原理可分為兩類：1、傳統(tǒng)方法， 將交流信號輸入電壓轉換成有效值，再通過 AD采集數(shù)據(jù)進行計算。該方法所轉換得到的有效值包含整體信號的各個頻率分量，容易受現(xiàn)場雜波干擾和

9、波形畸變的影響。其原理框圖如4 所示。功率放正弦波頻率合成激勵輸出大發(fā)生1K1MHz顯示激勵輸入交流濾波轉換放大有效值交流轉換響應輸入放大濾波有效值直流中AD 采集心按鍵計算直流控外部制接口AD 采集存儲PC圖 4 采用有效值轉換方法的頻率響應測試儀原理框圖2、采用數(shù)字信號處理方法， 通過 AD同步采集大量數(shù)據(jù)， 采用 DFT（離散傅里葉變換） 算出基波信號的有效值再進行計算。該方法排出了雜波干擾和波形畸變的影響， 所得到的響應曲線穩(wěn)定度極高。其原理框圖如 5 所示。功率放正弦波頻率合成激勵輸出大發(fā)生1K1MHz顯示交流放大濾波AD 采集中激勵輸入采用心按鍵同步采集DFT計計算算基波控外部交流

10、AD 采集幅值制接口響應輸入放大濾波存儲PC圖 5 采用 DFT數(shù)字信號處理方法的頻率響應測試儀原理框圖四、變壓器繞組變形測試儀（頻響法）操作規(guī)范變壓器繞組變形的頻率響應法試驗操作步驟1、準備工作1）檢測前應拆除與變壓器套管端部相連的所有引線，并使拆除的引線盡可能遠離被測變壓器套管。2）變壓器繞組變形檢測應在所有直流試驗項目之前或者在繞組充分放電以后進行。3）宜將變壓器繞組的分接開關放置最大分接檔，并保證每次檢測時分接開關處于相同的位置。4）準備好合格有效的試驗儀器、筆記本電腦及測試線等。5）試驗人員在試驗區(qū)域設置安全圍欄，并向外懸掛“止步，高壓危險”標示牌，試驗區(qū)域的面積應能滿足高壓試驗的安

11、全要求。6）應采用吊傳的方法進行上下工具和試驗引線的傳遞。7）試驗人員用專用接地線在變壓器主接地端引出，將變形試驗裝置的金屬外殼可靠接地，接地線應采用mm2及以上的多股裸銅線或外覆透明絕緣層的銅質軟絞線。8）試驗人員將變形裝置主機與筆記本電腦用專用連接線連接，并用專用信號線（輸入和檢測） 將主機與對應的激勵、響應端繞組相連接（各種儀器不同， 接線方式也有所不同， 操作人員應根據(jù)實際操作的儀器要求進行接線操作），同時保證各部分連接可靠。9）試驗人員將兩個信號檢測端的接地線均應可靠連接在變壓器外殼上的明顯接地端 ( 如鐵芯接地端 ) ，接地線應盡可能短并不纏繞。10）連接電源盤與動力電源箱的連線。

12、2、試驗裝置可靠性確認1）試驗負責人檢查試驗接線，確認正確無誤，試驗負責人下令“非試驗人員撤離試驗現(xiàn)場，試驗人員各就各位?！?）試驗操作人員將變形試驗裝置主機電源線與電源相連，打開電源確認主機工作指示燈正常；3）將筆記本電腦里的測試軟件打開，并確認與主機連接正常，匯報工作負責人“儀器裝置正常，可以試驗”。3、開始試驗1）試驗負責人再次檢查試驗接線，確認正確無誤，試驗負責人下令“非試驗人員撤離試驗現(xiàn)場，試驗人員各就各位?！?）試驗操作人員匯報試驗負責人：“各項準備工作已就緒， 可以試驗?！?）試驗負責人下令：“試驗開始?！痹囼灢僮魅藛T復合：“開始試驗。”試驗操作人員合上儀器電源，啟動開始測量，并通知所有試驗人員：“注意！試驗已開始。 ”4）試驗操作人員等待頻率掃描完成， 測試結束，將試驗曲線保存 （各種儀器不同，操作方式也不同， 操作人員應根據(jù)實際操作的儀器要求進行操作），斷開儀器電源，匯報試驗負責人： “試驗已結束，結果已保存，電源已斷開”。5）試驗負責人檢查試驗結果是否符合要求，確認就緒后，下令：“更改試驗接線”。6）重復 1） 5）步驟進行其他相別和繞組的測試工作，直至所有測試工作完畢，試驗結束。4、試驗結束1