變壓器繞組變形測試儀選頻濾波特性校驗技術研究

劉 勇， 彭 倩， 王 劍,， 王 鵬

(1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610039; 2. 四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引 言

變壓器是電網的核心設備，繞組變形是電力變壓器最常見的內部故障之一。在電動力和機械力的作用下，繞組的尺寸或形狀發生不可逆的變化，繞組發生局部變形后，即使沒有立即損壞，也有可能留下嚴重的故障隱患[1-3]?！斗乐闺娏ιa重大事故的二十五項重點要求》[4]和《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》[5]把變壓器繞組變形試驗放在十分重要的位置，規定頻響法測試繞組變形為110（66）kV及以上變壓器必須進行的試驗項目。

對變壓器繞組變形進行測試，通常采用基于頻率響應分析法（frequency response analysis，FRA）的變壓器繞組變形測試儀[6-8]（以下簡稱測試儀）。頻率響應分析法將變壓器的等值電路當作是共地的二端口網絡，當繞組變形后，內部參數變化將導致傳遞函數發生變化，通過分析和比較變壓器的頻率響應特性曲線，可發現變壓器繞組是否發生變形[9-10]。

測試儀具備一個正弦波激勵信號輸出接口和兩個獨立的信號檢測接口[11]，作為一種測試儀器，其通用技術部分應符合GB/T 6587——2012 《電子測量儀器通用規范》[12]的要求。為滿足現場測試，減小其他頻率信號對測試結果的影響，其抗干擾能力，即選頻濾波性能（濾掉除掃頻信號以外的干擾信號的能力），作為測試儀的基本功能要求。在電力行業標準DL/T 911——2016 《電力變壓器繞組變形的頻率響應分析方法》[13]中雖然已經提及，但缺乏對應的校準方法對該性能指標進行科學的評估和判定。為判定測試儀選頻濾波性能，一般采用頻譜分析儀進行測試。然而，測試儀掃頻信號輸出和響應信號檢測均集成在儀器內部，響應信號檢測端的濾波器性能測試需要拆解或破壞測試儀[14-15]。因此需要研究一種更有效、直接的判定方法，便于測試儀校準時對選頻濾波特性進行判定。

本文開展對變壓器繞組變形測試儀的選頻濾波性能測試研究，提出相應的判定方法，并對HR 1000、TDT6U變壓器繞組變形測試儀選頻濾波性能進行測試。通過開展四川電力生產單位變壓器繞組變形測試儀器現場判定試驗和性能評價工作，證實了提出的方法可靠，符合測試儀實際的工作情況。最后對提高測試儀的選頻濾波性能提出建議。

1 頻率響應分析法

繞組局部變形后，繞組的相對電阻、電感、電容等參數都會發生變化，這是測量繞組變形的基礎。自1966年Lech和Tyminski提出了低壓脈沖法（LVI）確定變壓器是否通過短路測試后，一系列的變壓器繞組變形檢測方法已在國內外發展，例如低電壓短路阻抗、頻率響應分析法（FRA）、掃頻阻抗法、振動檢測法等。

變壓器繞組在一定頻率范圍可等效成二端口電路網絡。它由有限的部分組成，每一部分可看作由串聯電容Cs、并聯電容Cg、電感Lij、互感Mn和電阻R構成的π型電路[16]，圖1為變壓器繞組的等效電路。

圖1 變壓器繞組等效電路圖

圖2為變壓器繞組變形測試儀（transformer winding deformation tester，TWDT）測試接線圖。正弦激勵信號Vs(ω)注入繞組的一端，通過激勵信號檢測端口測得的Vs(ω)用V1(ω)表示，響應信號V2(ω)由響應檢測端口在繞組的另一端測得。通常用V1(ω)和V2(ω)這兩個信號的均方根值計算電壓比，結果以對數刻度上的頻率和振幅的形式給出，其表達式為

圖2 TWDT測試接線圖

2 選頻濾波判定方法

2.1 判定原理

根據DL/T 911——2016對選頻濾波性能的要求，其－6 dB帶寬應小于掃描頻率的2%，即測試儀的選頻濾波功能對檢測到的位于輸出正弦頻率值±2%處的信號，應至少衰減為該信號原幅值的二分之一。干擾信號對測試儀的影響主要是對激勵信號輸出的幅值造成干擾，使響應信號檢測端口的正弦信號有效值發生變化，影響增益檢測的準確度。

因此，可通過增益檢測值來判斷選頻濾波性能是否滿足要求?；舅悸肥菍L/T 911——2016提出的頻帶衰減要求轉換成增益要求，利用測試儀的增益檢測結果對選頻濾波特性進行間接判定，利用增益檢測的誤差值表示測試儀選頻濾波特性優劣程度。

選頻濾波判定試驗接線圖如圖3所示。設置測試儀為單頻點檢測模式，輸出固定頻率的正弦信號，信號發生器輸出已知頻率和幅值的正弦干擾信號；加法器將測試儀輸出的信號和信號發生器輸出的信號同相相加后用標準衰減器進行衰減；計算測試儀檢測的增益值與已知的標準衰減器的誤差，若誤差小于判定值|?δ|，即可認為選頻濾波性能滿足要求。

圖3 試驗接線圖

2.2 判定指標推導

設測試儀輸出正弦信號V1(t)的頻率為f0，幅值為A，相位為φ0；信號源輸出正弦信號V2(t)作為干擾信號，頻率為k倍信號V1(t)的頻率，即kf0，幅值為α倍信號V1(t)的幅值，即αA，相位設為φ1，則有：

加法器為同相比例相加，設比例系數為1，經過加法器后的信號V(t)表達式為

設衰減器的衰減量為δdB，即信號幅值衰減輸入信號的10δ/20倍，則通過標準衰減器后的信號Vδ(t)表達式為

測試儀內部對輸入信號在頻率f0處具有選頻濾波功能，會對除f0以外信號幅值衰減。測試儀響應信號檢測端口的輸入信號為Vδ(t)，設測試儀選頻濾波器對頻率為k倍f0輸入的干擾信號幅值衰減為β倍，則經過測試儀選頻濾波后的信號Vout(t)為

式中φ2為濾波器對干擾信號的移相角。

測試儀按照下式計算掃頻增益Am，其表達式為

其中Vout和Vin為正弦信號的均方根值。

Vout(t)的信號均方根值Vout_rms由下式給出：

測試儀激勵信號檢測端測得輸入的激勵信號均方根值Vin_rms由下式給出：

測試儀輸出正弦信號頻率下的理論增益δf0為

選頻濾波判定時可用絕對誤差來表示，由于外接的標準衰減器衰減量δ已知，所以，不同參數對選頻濾波校準的影響可用下式來表示：

從式（10）可知，影響選頻濾波性能指標的因素為外部干擾信號對激勵信號的幅值倍數α和濾波器自身對干擾信號的衰減倍數β。

根據要求，測試儀對檢測到的位于（1±2%）倍輸出正弦頻率值處的信號應至少衰減為該信號原幅值的二分之一，即β≤0.5。試驗時設輸入干擾信號的幅值與測試信號的相同，即α=1，可以得出判定的指標為

因此，在此種情況下選頻濾波校準的指標為

表1給出了不同選頻濾波衰減指標下的校準理論要求（α=1）。

表1 不同衰減下的判定指標

3 試驗驗證

為驗證提出的選頻濾波性能試判定方法的正確性，選用目前國內各電力企業普遍配備的兩種變壓器繞組變形測試儀HR1000和TDT6U進行驗證，兩種TWDT的參數如表2所示。

表2 TWDT儀器參數

選頻濾波判定試驗的接線按圖3進行連接，試驗步驟為：

1）測試儀設置為單頻點掃描檢測模式，掃描頻率Fo分別設置為1，10，100，500，1000 kHz；

2）數字示波器同時測量加法運算器兩個輸入端的信號幅度及頻率；

3）信號發生器輸出正弦信號，頻率分別設置為0.98Fo和1.02Fo，設置輸出幅值與測試儀輸出正弦波信號幅值相同；

4）加法器由寬帶運算放大器搭建而成，幅值運算線性度宜優于1%，用于把測試儀和信號發生器輸出的正弦波信號進行同相比例相加，比例系數取為1；

5）選擇標準衰減器的衰減量為-20 dB。

在測試儀以頻率Fo進行單頻點掃描檢測過程中，分別記錄施加頻率為0.98Fo和1.02Fo正弦波信號時的掃頻增益檢測數據，試驗結果記錄如表3所示，試驗數據繪制折線圖如圖4所示。

表3 實驗結果

圖4 選頻濾波性能

圖4表明了不同中心頻率處外加干擾信號的檢測增益值?？梢钥闯?，在低頻段（1～100 kHz）選頻濾波性能最好，干擾信號對測試儀的增益檢測影響最??；在中頻段（100～600 kHz），干擾信號對測試儀增益檢測準確度的影響開始凸顯，檢測結果在一個較小范圍內波動；在高頻段（>600 kHz），干擾信號對增益檢測準確度的影響最大，出現最大0.6 dB的檢測誤差，但是仍然滿足<0.9691 dB的選頻濾波指標。因此，從表3和圖4可以判定，試驗采用的兩個測試儀選頻濾波性能均符合DL/T 911——2004的要求。

按照中心頻率±2%的選頻范圍，隨著頻率增加，選頻濾波的中心頻率頻帶增大。掃頻為1 kHz時，選頻帶寬為0.98～1.02 kHz，測試結果受0.04 kHz、較窄帶寬的干擾信號影響；掃頻信號1 000 kHz時，選頻帶寬為980～1 020 kHz，測試結果受40 kHz、較大帶寬的干擾信號影響。因此，為提高測試儀選頻濾波性能，模擬濾波時應在高頻段設計具有較好濾波性能的濾波器，數字濾波時應提高高頻段采樣精度和增加采樣點數。

4 結束語

針對基于頻率響應分析法的變壓器繞組變形測試儀選頻濾波性能要求，本文提出了一種新的選頻濾波性能判定方法，即外接干擾信號的情況下進行增益檢測。當檢測的增益絕對誤差小于給定值時，判定選頻濾波性能滿足要求，并給出了詳細的推導過程和判定依據。研究發現：

1）由于采用檢測增益的絕對誤差值判定，因此，判定指標與試驗時標準衰減器具體值無關，在試驗時無需選擇特定的衰減器，但應知其衰減量。

2）本方法屬于綜合判定法，將DL/T 911——2016提出的頻帶衰減要求轉換成增益要求，采用增益絕對誤差值間接表示，利用測試儀的檢測結果對選頻濾波特性進行綜合判定，無需拆卸測試儀內部的選頻濾波器，符合現場測試和校準以及儀器的工作原理。

3）測試儀工作在低頻段（1～100 kHz）、中頻段（100～600 kHz）時，儀器選頻濾波性能較好，干擾信號對增益檢測影響較??；處于高頻段（>600 kHz）時，增益檢測值誤差增大，但仍然能滿選頻濾波的指標要求。為了分析測試儀的選頻濾波性能，可在高頻區間設定更多頻率點進行試驗判定。

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