电力变压器绕组变形无损伤检测的频率响应分析法应用

电力变压器是电力系统的核心设备，其绕组因短路冲击、运输振动等易发生变形（如扭曲、鼓包、位移），若未及时检测会引发匝间短路甚至爆炸。传统检测需吊罩拆解，不仅耗时耗力还可能破坏绝缘。频率响应分析法（FRA）作为无损伤检测技术，通过分析绕组幅频特性差异识别变形，因操作简便、灵敏度高成为行业主流，其应用对保障变压器安全运行意义重大。

频率响应分析法的基本原理

电力变压器绕组可等效为“电阻-电感-电容”（RLC）分布参数网络，其中电感来自绕组导线的自感与互感，电容包括匝间、层间的分布电容及对地电容，电阻则是导线直流电阻与高频趋肤效应的综合。当绕组发生变形时，其几何结构改变会直接影响这些分布参数：比如绕组径向位移会增大对地电容，轴向扭曲会改变匝间互感，鼓包则可能导致局部电容骤增。

频率响应分析法通过向绕组施加扫频信号（通常覆盖1kHz-10MHz频段），测量输入与输出信号的幅频特性（即增益随频率的变化曲线）。正常绕组的幅频曲线具有稳定的谐振峰/谷特征，一旦发生变形，分布参数变化会导致曲线的谐振频率偏移、峰谷幅值变化或曲线形态扭曲——这就是FRA识别绕组变形的核心逻辑。

需注意的是，FRA的灵敏度与检测频段密切相关：低频段（1kHz-10kHz）主要反映绕组整体电感变化（如轴向位移），中频段（10kHz-1MHz）对应匝间/层间电容与互感的变化（如扭曲、鼓包），高频段（1MHz-10MHz）则对局部电容变化更敏感（如匝间绝缘损伤）。因此，全频段扫频是保证检测有效性的关键。

FRA检测的核心设备与操作流程

FRA检测的核心设备包括四部分：一是扫频信号源，需具备宽频段、低失真的特点（如输出阻抗50Ω，频率步进≤1kHz）；二是信号调理模块（宽带放大器），用于放大弱输出信号以提高信噪比；三是数据采集单元（如网络分析仪或高精度示波器），需支持幅频特性实时计算；四是专用软件，用于曲线存储、对比与分析。

现场操作流程需严格遵循《电力变压器绕组变形的频率响应分析法检测导则》：首先，变压器需断电并可靠接地，待绕组充分放电（一般≥10分钟）后，拆除高压、低压侧引线；其次，选择测试绕组（通常对每相绕组单独检测），采用“末端开路”或“末端短路”接线方式——对于Y型接线绕组，可将中性点作为公共端，测试相端子输入信号，末端（中性点）接地或开路；对于△型接线，需解开中性点连接后测试。

测试时，扫频信号需从低到高均匀覆盖1kHz-10MHz，每频点的信号幅值需保持稳定（避免因信号过强导致绕组局部谐振）。完成一组测试后，需重复测量2-3次以验证数据重复性——若同一绕组的多次测试曲线重合度≥95%，方可认为数据有效。

绕组变形类型与FRA特征对应关系

绕组变形的类型不同，其FRA曲线特征差异显著，这是现场定性分析的关键依据：

1、轴向位移：多因短路电流的轴向电磁力导致绕组沿轴线方向窜动，此时绕组整体电感（尤其是互感）变化明显。FRA曲线表现为低频段（1kHz-10kHz）谐振峰频率向低频偏移（因电感增大），且峰幅值降低——例如，某110kV变压器A相绕组轴向位移2mm后，低频段第一个谐振峰从8kHz降至5kHz，幅值从-10dB降至-15dB。

2、径向鼓包：多发生在绕组外层，因径向电磁力或运输碰撞导致局部绕组向外膨胀，会增大局部对地电容并改变匝间电容分布。FRA曲线的中频段（10kHz-1MHz）会出现新的谐振峰或原有峰谷的幅值突变——比如某35kV变压器B相绕组鼓包后，中频段200kHz处新增一个幅值-20dB的谐振谷，而原250kHz的谐振峰消失。

3、绕组扭曲：通常由短路电流的扭转力矩引起，会严重破坏匝间互感与电容的均匀性。FRA曲线表现为中高频段（1MHz-10MHz）曲线形态严重扭曲，多个谐振峰/谷的位置与幅值均发生无规律变化——例如某220kV变压器C相绕组扭曲后，高频段5MHz处的谐振峰从-5dB升至0dB，同时相邻的4.5MHz谷值从-25dB升至-18dB，曲线整体“平滑度”显著下降。

4、匝间短路：属于严重变形的前期阶段，因匝间绝缘损伤导致局部短路，会使短路点附近的电感骤降、电容骤增。FRA曲线的高频段（5MHz-10MHz）会出现“尖峰”状谐振峰，且对应频段的增益大幅提升——比如某10kV变压器匝间短路后，8MHz处出现一个幅值+5dB的尖峰，而正常绕组此处增益仅为-10dB。

FRA检测中的基准曲线获取策略

基准曲线是FRA检测的“参照系”——只有将当前测试曲线与基准曲线对比，才能识别出绕组参数的变化。若基准曲线缺失，即使曲线形态异常也无法确诊变形，因此基准曲线的获取是FRA应用的关键环节。

最理想的基准曲线是变压器出厂时的FRA测试曲线：此时绕组未受运行应力影响，曲线能真实反映“原始状态”。但实际中，很多老变压器缺乏出厂数据，此时可采用“同型参照法”——选取同型号、同批次、同厂家的健康变压器，测试其绕组FRA曲线作为基准（需保证测试条件一致，如接线方式、扫频范围、设备型号）。

对于运行中的变压器，“历史曲线法”更具实用性：定期（如每年一次）对变压器进行FRA检测，存储每次的曲线作为历史基准。当当前曲线与最近一次历史曲线的差异超过阈值（如某频段增益变化≥3dB，或谐振峰位置偏移≥10%），则需重点排查。

需注意的是，基准曲线的有效性依赖“测试条件一致性”：若两次测试的接线方式（如末端开路/短路）、扫频范围、设备型号不同，曲线差异可能源于测试条件而非绕组变形——因此，现场检测需严格记录测试参数，确保基准曲线与当前曲线的测试条件完全一致。

现场检测的干扰因素及抑制方法

现场环境复杂，电磁干扰、接地不良等因素会导致FRA曲线出现“假异常”，影响检测准确性，需针对性抑制：

1、电磁干扰：现场的高压线路、变频器、开关设备会产生高频电磁辐射，干扰扫频信号。抑制方法包括：使用带屏蔽层的测试线（屏蔽层两端接地）、将测试设备远离干扰源（≥5m）、选择在负荷低谷期（如深夜）检测（此时电网电磁噪声最低）。

2、接地不良：若变压器接地电阻过大（＞4Ω），会导致对地电容测量误差。解决方法是：检测前测量变压器接地电阻，若不满足要求，需临时增加接地极（如用2m长铜棒打入地下，与变压器接地端连接），确保接地电阻≤1Ω。

3、测试线接触不良：测试端子氧化或松动会导致接触电阻增大，使高频信号衰减。抑制方法：检测前用酒精擦拭测试端子（去除氧化层），测试线与端子连接采用“压接+紧固”方式（避免虚接），测试过程中避免触碰测试线。

4、绕组残留电荷：变压器断电后，绕组可能残留静电电荷，会干扰信号测量。解决方法是：检测前用放电棒对绕组充分放电（放电时间≥5分钟，直到放电棒无火花），并在测试前再次测量绕组对地电压（需≤50V）。

FRA数据的定性与定量分析技巧

FRA数据的分析需结合定性与定量方法，避免单一方法的局限性：

定性分析主要观察曲线形态差异：首先对比当前曲线与基准曲线的“整体趋势”——若曲线的谐振峰/谷数量、位置、幅值变化符合某类变形的特征（如轴向位移对应低频段峰频偏移），则可初步定性。例如，某变压器A相曲线低频段第一个谐振峰从8kHz降至5kHz，符合轴向位移的特征，可初步判断为轴向变形。

定量分析则通过计算统计指标量化差异，常用指标包括：

1、相关系数（CC）：衡量两条曲线的相似程度，范围0-1，CC≥0.95表示曲线高度相似（无明显变形），0.8≤CC＜0.95表示有轻微变形，CC＜0.8表示严重变形。例如，当前曲线与基准曲线的CC为0.75，说明绕组存在严重变形。

2、均方误差（MSE）：计算两条曲线对应频点的增益差的平方均值，MSE越大，差异越明显。一般认为，MSE≥0.5dB²表示存在变形（需结合频段判断）。例如，某曲线中频段MSE为0.8dB²，说明中频段参数变化显著，可能对应径向鼓包。

3、谐振峰偏移率（Δf/f₀）：计算谐振峰位置的相对偏移量，Δf为当前峰频与基准峰频的差值，f₀为基准峰频。若偏移率＞10%，则认为该峰频变化显著。例如，基准峰频为200kHz，当前峰频为170kHz，偏移率为15%，说明对应位置的参数变化明显。

FRA与其他检测技术的协同互补

频率响应分析法虽高效，但也有局限性：它只能识别绕组参数变化，无法判断变形的具体位置或绝缘损伤程度，因此需与其他技术协同验证：

1、与油色谱分析（DGA）协同：FRA识别出变形后，若DGA检测发现乙炔（C₂H₂）含量超标（＞5ppm），说明变形已引发局部放电，需立即停运；若DGA无异常，则变形可能处于早期阶段，可加强监测。例如，某110kV变压器FRA曲线异常，DGA显示C₂H₂=8ppm，结合两者确诊为“绕组变形伴局部放电”。

2、与超声局部放电检测（PDU）协同：FRA定位故障相后，PDU可通过超声信号定位变形位置。例如，某220kV变压器A相FRA曲线异常，PDU检测发现A相绕组中上部有强烈超声信号，解体后证实该位置存在径向鼓包。

3、与绕组直流电阻测试协同：FRA识别出匝间短路后，直流电阻测试可验证短路程度——若直流电阻较基准值减小≥2%，说明短路匝数较多，需立即检修；若减小＜2%，则可短期监测。例如，某10kV变压器FRA曲线显示匝间短路，直流电阻较基准值减小3.5%，解体后发现3匝短路。

4、与红外热成像协同：FRA识别出变形后，红外热成像可检测绕组温度分布——若某区域温度较周边高5℃以上，说明变形已导致局部过热，需优先处理。例如，某35kV变压器B相FRA曲线异常，红外热成像显示B相绕组中部温度达75℃（周边为60℃），解体后发现该位置存在绕组扭曲。