亞東技術學院教師產學研究計畫成果報告
電力變壓器繞組變形檢測技術之研究
計畫編號：97-5-03-222
執行期限：98 年 3 月 1 日至 98 年 11 月 30 日
主持人：盧光常 單位名稱：電機工程系
參與學生：李祐安、張淯詠
合作廠商：得元儀器股份有限公司
摘要
本計畫探討電力變壓器繞組變形之可能原因及目前通用的檢測方法：頻率響應分 析，根據實務上的需求，頻率響應分析所得之頻譜資料，藉由縱向與橫向的比對，可以 適用變壓器之出廠檢驗、裝置檢驗以及定期檢驗，並可用來評估事故發生後，變壓器結 構受損的評估。 為實用之目的，本計畫亦探討進行頻率響應分析所需之量測需求及測試程序，並以 實際之設備建立量測的操作程序，藉以滿足實務上的需求。而此操作程序並非特定設備 之專屬，可以經由適應的修改以因應類同設備的操作。 本計畫亦以統計方式建立繞組變形的評估參數，藉由相關參數大小來判斷變壓器繞 組是否有大幅的變形，以致於可能影響到使用上的安全，並做為檢修之判斷依據。一、 創作理念
電力變壓器檢測的技術相當多樣化，包括電氣、化學等檢測手段，但對於繞組變形 除 開 蓋 檢 查 外 ， 目 前 較 常 用 的 作 法 是 利 用 頻 率 響 應 分 析 儀 (Frequency Response Analyzer)，頻率響應分析(FRA)是利用強迫激勵方式於變壓器繞組注入可變頻率電源並 測量其響應、計算不同頻率阻抗值，再繪製成波德圖，藉由兩次不同時間的檢測結果來 比較，判斷變壓器繞組是否發生變形，以做為檢修的判斷依據。 大型變壓器檢修耗費頗多，而且工期長，若無替代機組，營運損失亦難忍受。再者， 變壓器繞組若發生輕微變形並非表示不堪用，有無立即性的危險才是關鍵之所在。因 此，FRA 兩次檢測結果的判斷是目前 FRA 檢測的最大挑戰。FRA 目前的做法仍是以 off line 為之，變壓器停機檢修工期不長，但需進行的檢修項目相當多，FRA 檢測僅是其中 一項，再加上停機檢修週期相當長，前後次的測量方式、環境、甚至於 FRA 設備都可 能不同，檢測出來的數據難免有差異，若是發生檢測位置不同，所獲得的數據對於判讀 是很大的挑戰。另外，在有限的時間要完成所有可能的檢測項目也會產生困難。 基於上述原因，FRA 需要標準檢測作業規範，此作業規範需具備下列功效： 1.檢測數據需充足但檢測數量為最少； 2.檢測方法明確而有效； 3.檢測數據容易判讀。二、 學理基礎
電力變壓器運轉時承受貫穿式故障電流的衝擊、運輸過程的震動或因老化等因素， 變壓器繞組可能因此而變形或脫離其原有的固定位置，嚴重時將造成變壓器的故障[1]。 大型變壓器通常採行絕緣油冷卻，當變壓器故障時易伴隨火災的發生，而且損失將不僅 止於變壓器本身的價值，其中尚包含營運損失及災損，所以總損失有可能數倍於變壓器 本身的價值。倘若間接引起工安事故，則災損更有可能因此而失控。 電力變壓器的故障原因主要有二：異常高壓、過大的貫穿式故障電流，雖然變壓器 在設計製造時均有考慮足夠的絕緣能力及機械強度，而且系統上對於異常高壓及故障電 流亦有相對應的保護設備，但實務上仍有部分未知原因的壓器事故發生。變壓器發生故 障後，繞組通常會有燒灼及變形等事故特徵。在故障原因判斷上，故障電流確實會造成 繞組變形，但繞組變形亦會造成絕緣能力的弱化而導致事故的發生。過去，通常將繞組 變形歸咎於貫穿式故障電流所造成，但實務上有越來越多的事故案例無法支持是因貫穿 式故障電流所造成。因此，變壓器繞組發生共振的可能性已逐步獲得認知。 電力變壓器檢測的技術相當多樣化，包括電氣、化學等檢測手段，但對於繞組變形 除開蓋檢查外，目前較常用的作法是以頻率響應分析(Frequency Response Analysis)來進 行檢測[2-7]。 變壓器每個繞組可以用電阻、電感與電容所構成之分佈電路來等效其特性，如圖 1 所示，其中 R 為匹配電阻、L 為繞組的分佈電感、K 為繞組匝間的分佈電容、C 為繞組 的對地分佈電容、Vs 表示外加正弦波電源電壓、Vo 為等效網路的輸出電壓，而 Vi 為: 等效網路的輸入的電源電壓，而 H(jw)則為繞組輸出對輸入的轉移函數，在不同的頻率 w 之下，會有不同的振幅與相位角[7]。 圖 1 變壓器繞組之等效電路[6]三、 主題內容
根據圖 1，頻率響應分析是利用強迫激勵方式於變壓器繞組注入可變頻率電源、測 量響應、求其轉移函數，再繪製成波德圖，藉由兩次不同的檢測結果來比較其相似性。 比較方法有二[5,7]：(一) 縱向比較法 縱向比較法係指對同一台變壓器、同一個繞組、同一個分接開關位置、不同時期的 頻率響應特性進行比較，根據頻率響應特性的變化分析繞組變形的程度。該方法具有較 高的檢測靈敏度和判斷準確性，但需要具備變壓器原始的頻率響應特性，且應排除測量 條件及測量方式變化所造成的影響。 (二) 橫向比較法 橫向比較法係指對變壓器同一台電壓等級的三相繞組的頻率響應特性進行比較，必 要時借用同一製造廠在同一時期製造的同型號變壓器的頻率響應特性，來判斷變壓器是 否發生繞組變形。本方法不需要變壓器原始的頻率響應特性，現場應用較為方便，但須 排除正常變壓器三相繞組的頻率響應特性所存在的差異性或者變壓器的三相繞組均發 生變形的可能性。 典型的變壓器繞組頻率相應特性曲線，通常包含多個明顯的波峰與波谷。經驗以及 理論分析顯示，頻率對應特性曲線中的波峰或波谷分佈位置以及分佈數量的變化，係分 析變壓器繞組變形程度的重要依據。圖 2 所示為某台變壓器遭受突發短路後低壓繞組的 頻率響應特性曲線，並以此做為說明不同頻率區間所代表之意義。 圖 2 某台變壓器遭受突發短路後低壓繞組的頻率響應特性曲線 (a) 頻率響應特性曲線低頻段（1kHz~100kHz）的波峰或波谷位置發生明顯變化時， 通常預示著繞組的電感變化。頻率較低時，繞組的對地電容以及匝間電容所形 成的容抗較大，而感抗較小。若繞組的電感發生變化，會導致其頻響特性曲線 低頻部分的波峰或波谷位置移動。對絕大多數變壓器而言，其三相繞組低頻段 的響應特性曲線較為一致。若發現不一致的情況，應慎重對待。 (b) 頻率響應特性曲線中頻段（100kHz~600kHz）的波峰或波谷位置發生明顯變化 時，通常預示著繞組發生扭曲和鼓包等局部變形。在該頻率範圍內的頻率響應 特性曲線具有較多的波峰和波谷，能夠較靈敏地反映出繞組分佈電感、電容的 變化。
(c) 頻率響應特性曲線高頻段（>600kHz）的波峰或波谷位置發生明顯變化，通常 預示著繞組的對地電容改變。頻率較高時，繞組的感抗較大，基本被匝間分佈 電容所旁路，由於繞組的匝間電容遠大於對地電容，波峰與波谷分佈位置，主 要以對地電容的影響為主。 表 1 所示即為頻率響應特性曲線根據低、中、高頻段之特性所建立之繞組變形程度 評做表，其中判斷用途之相關係數計畫公式如下[7]： a. 計算兩序列數據的標準偏差(standard variance) ( ) ( )
−
= − = − = 1 0 2 1 0 1 1 N K N K x X k N k X N D
( )
( ) − = − = − = 1 0 2 1 0 1 1 N K N K y Y k N k Y N D b. 計算兩序列數據的協方差(covariance) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 0 1 0 2 1 0 1 1 1 − = − = − = − × − = N K N K N K XY Y k N k Y k X N k X N C c. 計算兩序列數據的常規化協方差(normalization covariance) Y X XY XY C D D LR = d. 計算兩序列數據的相關係數(relative factor) ( ) 10 10 1 10 log 1 others XY XY XY LR R LR − − < = − − 表 1 繞組變形程度評估表[7] 頻率響應分析最精確的作法是能對同一台變壓器進行定期的量測，特別是出廠時或 是裝置運轉之前，此時所量測的結果可視為變壓器內部繞組-鐵心結構的特徵，或可稱 為指紋(Finger-print)，亦是日後測量數據所比對的基準[5]。但是並非所有變壓器都能具 備此項資料，由於大型變壓器之構成基本上是對稱的，以三相變壓器為例，每單相變壓 器結構或是多鐵心腳結構之各相鐵心-繞組結構，基本上是相同的設計與施作，所以， 在轉移函數之頻譜特徵應具備高相似性的特性。因此，對於未能具備”指紋”資料的變 壓器而言，可在定期檢驗的過程中，分別對不同相之鐵心-繞組結構進行量測，進一步 比對其量測結果，以此結果做為該變壓器之指紋資料並用來評估變壓器繞組發生變形的 可能性。 再者，電力系統為了維護檢修以及提高運轉穩定性的需求，通常備有多台相同規格 之變壓器或備用變壓器，此時，相同規格變壓器之指紋資料亦可提供比對之用途。不過，此類”型式比對”在實務上具有風險，因為既使是相同廠牌、相同規格之變壓器，亦可 能因為製造時間、製造程序、維修等因素而使彼此之間存在構成上的差異，所以，型式 比對技術在實務上有其限制條件，亦即需完全相同的變壓器才能運用此項技術。
四、 方法與技巧
(一) 測量要求 1. 測量前應拆除與變壓器套管端的接頭相連之所有引線，並使所拆除的引線盡可能遠 離待測變壓器的套管。對於套管引線無法拆除的變壓器，可利用套管末端屏蔽作為 輸出端進行測量，但在量測結果中需要註明。 2. 變壓器套管相連母線對地雜散電容並非定值，儘可能拆除母線並遠離變壓器套管， 以降低雜散電容的影響。 3. 變壓器繞組的頻率響應特性與分接開關的位置有關，建議在最高分接位置進行測 量，或者應保證每次測量時，分接開關均處於相同的位置。 4. 繞組頻率響應特性與分接頭位置關係很大，儘可能將它放到最高的位置，以便整個 繞組進行測量，並便於管理比對。 5. 變壓器繞組變形測量，需在直流試驗之前或者在繞組充分放電以後進行。因為測量 的電源信號較弱，輸出響應信號亦會較弱，測量端應與變壓器繞組端接頭具有可靠 的連接，來減小接觸電阻。 6. 測試線本身的雜散電容也會影響頻率響應測試結果，故要使用專用的測試線。 7. 輸入單元和監測單元的接地線應共同連接在變壓器鐵心接地處，接地線應盡可能短 且不應有纏繞的線路。 8. 以量化結果的形式直接顯示所比較頻響特性曲線之間的相似程度，即相關係數 R 的 值越大，曲線的相似程度亦即越佳，R 值介於 0～10。 (二) 接線方式 1. 根據套管高度選用合適引線長度的接線夾具，分別連接在輸入單元與檢測單元端。 測試儀器通常提供引線長度不同的兩套（4 把）接線夾具，聯接 110kV 及以上套管 時應使用引線較長的接線夾具，避免測量單元與套管接觸；通過裸銅線將輸入單元 與檢測單元的接地端以及變壓器油箱外殼接地位置進行可靠的連接；通過同軸電纜 將輸入單元的 Us、U1 端以及檢測單元的 U2 端分別與測試儀器的對應埠連接；確 認輸入單元及檢測單元達到可靠的接地。 2. 然後按照圖 3 所示原則選定電源端（輸入端）和輸出端（測量端），並將輸入單元 與檢測單元可靠的夾接在變壓器的電源端與輸出端；通過通訊電纜將測試儀器的通 訊介面與電腦的平行介面連接。圖 3 變壓器繞組接線與測量接線端點 注意：至少需完成每根鐵心-繞組繞組結構上各繞組端點之間的量測，因為 此項量測結果均適用於縱向比對與橫向比對。 3. 閉合測試儀器的電源開關，然後再執行電腦，即可進行進行測量。圖 4 所示即為量 測實例與接線方式，其中量測標的係為變壓器 R 相繞組之鐵心-繞組結構，選擇高 壓側為訊號輸入端而低壓側為訊號輸出端，圖 4 中量測用之阻抗分析儀與後端之電 腦分析軟體合併而成頻率響應分析儀，如圖 5 所示。 圖 4 量測變壓器 R 相鐵心-繞組結構接線圖
圖 5 頻率響應分析儀 (三) FRA 量測操作 1. 按照頻率響應法的測試要求與注意事項連接完成測量接線以及通訊電纜，依次執行 主機與電腦。 2. 啟動 Windows98 作業系統，運行 TDT4+程式組中的相關程式，進入繞組變形測試 介面。 3. 用滑鼠點擊〔測量〕按鈕，執行掃頻測量，觀察掃頻測量的進度以及掃頻參數設置 等資訊。系統預置的掃頻測量範圍為 1~1000kHz（掃描頻點為 1000），可通過〔Alt+w 設置〕按鈕更改。若在執行測量以後彈出“取數超時”資訊，則應檢查主機是否運作， 或者通訊電纜是否連接可靠。 4. 完成時，系統將會彈出對話提示框，輸入變壓器名稱、編號、檔位、型號，以及每 次測量的電源端與輸出端名稱，即可對每次測量結果進行存檔，並顯示出存檔的存 檔路徑及檔案名稱，供用戶記錄。系統預置的存檔目錄為 C:\TDT4PlusDat，可通過 〔設置〕按鈕更改。 5. 完成變壓器各個繞組的頻率響應測量後，使用滑鼠點選〔分析〕按鈕，依次選出該 變壓器的測量資料進行分析。測試系統最多同時顯示 3 條頻率響應特性曲線，通過 調整〔顯示起始值〕與〔顯示範圍值〕可觀察曲線的細部差異。用滑鼠點選曲線資 訊框上方的色塊，可以替換或保存已經顯示的某一條曲線。 6. 對該變壓器的測試資料進行橫向比較與縱向比較，判斷該變壓器是否存在繞組變形 現象。 7. 用滑鼠點選〔列印〕按鈕，輸入測試結論，即可對顯示的頻率響應曲線進行列印， 並且可對該次列印結果進行存檔，或者選出以前保存的列印文件進行列印。
8. TDT4+繞組變形測試系統通常以兩種格式保存測試資料，其中，檔案名稱為“*.dat” 的 TDT 測試系統的存檔格式，與原有 TDT3/TDT4 測試系統的資料完全相容。檔案 名稱為“*.csv”的 Excel 存檔格式，用戶可通過 Excel 軟體顯示資料並重新繪製曲線。
五、 成果貢獻
本計畫探討頻率響應分析技術之理論特性，結合電力變壓器在實務應用上的需求， 繞組結構變形檢測可用頻率響應之頻譜圖來評估，藉由兩次不同檢測資料的比對，做為 變壓器繞組是否檢修之評估依據。為了滿足縱向與橫向的比對需求，本計畫建議電力變 壓器之頻率響應分析需以每根鐵心-繞組結構做為量測的單元，並據此建立變壓器之”指 紋”資料。 本計畫亦整理頻率響應分析在量測上的需求、測試接線以及配合實際儀器設備建立 完整的操作程序，以此程序做為標準，可以適用於各種電力變壓器之頻率響應量測，亦 可經由適當的修改以適應類同設備的使用。 本計畫亦整理頻率響應分析在頻譜比對過程中，變壓器繞組是否變形之判斷依據， 相關係數 R 係依統計結果配合不同頻段所建立之參數，藉此參數大小來決定變壓器是否 應該送修。六、 參考文獻
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