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摘 要：对于在牵引变压器制造过程中线圈整形工序和器身压紧工序造成线圈局部坍塌变形，而例行试验无法检测的情况，提出了基于频率响应分析法的变压器绕组变形检测横向比较方法。
关键词：牵引变压器 绕组变形 频率响应分析法 横向比较
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-041-02
1 概述
HXD1系列大功率交流传动电力机车牵引变压器在制造过程中，线圈整形工序和器身压紧工序均需使用液压机采用恒压整形工艺对线圈进行轴向压紧。
在前期牵引变压器生产过程中，在线圈整形工序和器身压紧工序均曾出现过高压线圈或辅助线圈内部局部坍塌的情况。由于变压器线圈外部包裹着绝缘筒，且高压线圈、辅助线圈又采用漆包线和NOMEX纸包绝缘，线圈局部坍塌后，不仅无法目测检查，连传统的低电压中间试验也无法检测出缺陷，直至例行试验工序才会检测出异常。此时，变压器已装配完成即将出厂，返工不仅造成了较大的质量损失，也严重影响了生产进度。
2 检测可行性
公司生产的HXD1系列大功率交流传动电力机车牵引变压器均为单相心式变压器，其线圈为一体化多绕组结构，线圈分上下两段或上中下三段，高压线圈和低压线圈轴向分裂。四个（或六个）牵引绕组之间互不相连，相互退耦，四个（或六个）独立的高压线圈分别与各自的牵引线圈、辅助线圈耦合。线圈轴向、辐向尺寸均有严格要求。线圈设计、工艺的高度一致性，为采用频率响应分析法的绕组变形检测横向比较提供了可能。
3 频率响应分析法检测原理
变压器绕组在较高频率的电压作用下，每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感（互感）、电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特性可通过传递函数H(j )进行描述，如图1所示。如果绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络的传递函数H(j )的零点和极点发生变化，从而使网络的频率响应特性发生变化。
用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的变化程度，判断变压器可能发生的绕组变形。
变压器绕组的幅频响应特性采用扫频检测方式获得，如图1所示。连续改变外施正弦波激励源VS的频率f(角频率 =2 f)，测量在不同频率下的响应端电压V2和激励端电压V1的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端情况下的绕组幅频响应特性。图中：L、K及C分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容，V1、V2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压，VS为正弦波激励信号源电压，RS为信号源输出阻抗，R为匹配电阻。
4 绕组变形检测横向比较的应用
4.1 线圈整形后单个线圈间横向比较
在牵引变压器制造过程中，最容易造成线圈局部坍塌的工序是线圈整形工序。单个线圈整形后，固定在整形架上处于立起状态，此时可以进行绕组变形检测。一般以绕组尾端作为扫频信号输入端，绕组首端作为输出端。连续对一批产品进行测量后，选择将两组绕组数据加载至幅度频谱显示窗，系统自动计算出相关系数，然后通过相关系数自动得出分析结论。图2为两个辅助绕组间的横向比较结果，图上可以看出，变压器绕组的幅频响应特性曲线中包含多个明显的波峰和波谷，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析变压器绕组变形的重要依据。
图3为另两个辅助绕组间的横向比较结果，从图上可以看出，幅频响应特性曲线低频段（1kHz～100kHz）的波峰或波谷位置发生了明显变化，这通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移动。此时软件计算出来的低频段相关系数仅为0.2，系统得出“绕组可能存在严重变形现象”的分析结论。经多个绕组横向比较后，找出可能存在严重变形的线圈。对线圈解体检查，发现辅助线圈已经局部坍塌。
对于绝大多数同型号牵引变压器，其低频段的响应特性曲线应非常相似，如果存在差异，则应查明原因，不应轻易放过。
4.2 器身压紧后器身间横向比较
在牵引变压器制造过程中，另一个容易造成线圈局部坍塌的工序是器身压紧工序。器身压紧后，先将器身由立起状态翻身为卧倒状态，此时可以进行绕组变形检测。由于器身已经完成引线制作，故不能继续将上、下两段（或上、中、下三段）同段绕组各自横向比较。对于高压绕组，由于四段（或六段）高压线圈已经焊接并联在一起，此时只能和另一台同型号器身高压绕组进行比较。对于辅助绕组，柱1线圈和柱2线圈上、下两段（或上、中、下三段）已经串联在一起，此时只能將柱1辅助绕组和柱2辅助绕组进行比较，或和另一台同型号器身辅助绕组进行比较。具体测试方法和判断方法和线圈整形后测试时基本一致。
4.3 检测注意事项
4.3.1 比较对象的选择
对于牵引变压器而言，柱1、柱2线圈上、中、下三段的结构分别各自基本对称。验证表明，同一型号变压器同段绕组（柱1上段——柱2上段、柱1中段——柱2中段、柱1下段——柱2下段）之间的横向比较结果较为准确。但如果用非同段的绕组进行横向比较，虽然每一段的绕组参数（匝数、尺寸）都一致，但因结构上的些许不同，造成频率响应曲线有一定差异，系统就会得出“绕组可能存在轻度变形现象”的分析结论，见图4。故最好不将非同段的绕组用于横向比较。
4.3.2 绕组状态的影响
验证表明，用于横向比较的两个绕组，其状态应基本一致，即同为卧倒或同为立起的状态。如果两个绕组分别处于卧倒、立起状态，两者用于横向比较，系统会得出“绕组可能存在明显变形现象”的分析结论，结果见图5。这是因为，频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主。
4.4 判断标准优化
仪器软件中的分析结论是根据DL/T911-2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》所提供的参考判断标准进行判断的。因牵引变压器和电力变压器有较大的差异，在实践中经常发现横向比较结果中出现“绕组可能出现轻度变形现象”的结论，此时需通过经验综合判断做出结论。经过大量的数据分析后，可通过软件的“修改判据标准”项优化设置判据标准，从而得到更加符合公司产品的判断标准。
5 结束语
实践证明，基于频率响应分析法的绕组变形横向比较检测法特别适用于单一型号批量生产的牵引变压器线圈局部坍塌缺陷检测，在获得了大量的数据后，可以根据实际情况优化判断标准，从而大大提高检测准确率。进一步地，绕组变形检测横向比较还可以推广至牵引变压器的其他缺陷检测，例如线圈绕制过程产生的多匝少匝质量缺陷，将绕组变形检测结果和传统的等匝测试结果综合分析，能够更加准确地判断。
参考文献：
[1] 黄登威,钟福兵.和谐HXD1型大功率交流电力机车主变压器[J].电力机车与城轨车辆,2007(1).
[2] DL/T 911-2004.电力变压器绕组变形的频率响应分析法[S].
关键词：牵引变压器 绕组变形 频率响应分析法 横向比较
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-041-02
1 概述
HXD1系列大功率交流传动电力机车牵引变压器在制造过程中，线圈整形工序和器身压紧工序均需使用液压机采用恒压整形工艺对线圈进行轴向压紧。
在前期牵引变压器生产过程中，在线圈整形工序和器身压紧工序均曾出现过高压线圈或辅助线圈内部局部坍塌的情况。由于变压器线圈外部包裹着绝缘筒，且高压线圈、辅助线圈又采用漆包线和NOMEX纸包绝缘，线圈局部坍塌后，不仅无法目测检查，连传统的低电压中间试验也无法检测出缺陷，直至例行试验工序才会检测出异常。此时，变压器已装配完成即将出厂，返工不仅造成了较大的质量损失，也严重影响了生产进度。
2 检测可行性
公司生产的HXD1系列大功率交流传动电力机车牵引变压器均为单相心式变压器，其线圈为一体化多绕组结构，线圈分上下两段或上中下三段，高压线圈和低压线圈轴向分裂。四个（或六个）牵引绕组之间互不相连，相互退耦，四个（或六个）独立的高压线圈分别与各自的牵引线圈、辅助线圈耦合。线圈轴向、辐向尺寸均有严格要求。线圈设计、工艺的高度一致性，为采用频率响应分析法的绕组变形检测横向比较提供了可能。
3 频率响应分析法检测原理
变压器绕组在较高频率的电压作用下，每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感（互感）、电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特性可通过传递函数H(j )进行描述，如图1所示。如果绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络的传递函数H(j )的零点和极点发生变化，从而使网络的频率响应特性发生变化。
用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的变化程度，判断变压器可能发生的绕组变形。
变压器绕组的幅频响应特性采用扫频检测方式获得，如图1所示。连续改变外施正弦波激励源VS的频率f(角频率 =2 f)，测量在不同频率下的响应端电压V2和激励端电压V1的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端情况下的绕组幅频响应特性。图中：L、K及C分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容，V1、V2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压，VS为正弦波激励信号源电压，RS为信号源输出阻抗，R为匹配电阻。
4 绕组变形检测横向比较的应用
4.1 线圈整形后单个线圈间横向比较
在牵引变压器制造过程中，最容易造成线圈局部坍塌的工序是线圈整形工序。单个线圈整形后，固定在整形架上处于立起状态，此时可以进行绕组变形检测。一般以绕组尾端作为扫频信号输入端，绕组首端作为输出端。连续对一批产品进行测量后，选择将两组绕组数据加载至幅度频谱显示窗，系统自动计算出相关系数，然后通过相关系数自动得出分析结论。图2为两个辅助绕组间的横向比较结果，图上可以看出，变压器绕组的幅频响应特性曲线中包含多个明显的波峰和波谷，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析变压器绕组变形的重要依据。
图3为另两个辅助绕组间的横向比较结果，从图上可以看出，幅频响应特性曲线低频段（1kHz～100kHz）的波峰或波谷位置发生了明显变化，这通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移动。此时软件计算出来的低频段相关系数仅为0.2，系统得出“绕组可能存在严重变形现象”的分析结论。经多个绕组横向比较后，找出可能存在严重变形的线圈。对线圈解体检查，发现辅助线圈已经局部坍塌。
对于绝大多数同型号牵引变压器，其低频段的响应特性曲线应非常相似，如果存在差异，则应查明原因，不应轻易放过。
4.2 器身压紧后器身间横向比较
在牵引变压器制造过程中，另一个容易造成线圈局部坍塌的工序是器身压紧工序。器身压紧后，先将器身由立起状态翻身为卧倒状态，此时可以进行绕组变形检测。由于器身已经完成引线制作，故不能继续将上、下两段（或上、中、下三段）同段绕组各自横向比较。对于高压绕组，由于四段（或六段）高压线圈已经焊接并联在一起，此时只能和另一台同型号器身高压绕组进行比较。对于辅助绕组，柱1线圈和柱2线圈上、下两段（或上、中、下三段）已经串联在一起，此时只能將柱1辅助绕组和柱2辅助绕组进行比较，或和另一台同型号器身辅助绕组进行比较。具体测试方法和判断方法和线圈整形后测试时基本一致。
4.3 检测注意事项
4.3.1 比较对象的选择
对于牵引变压器而言，柱1、柱2线圈上、中、下三段的结构分别各自基本对称。验证表明，同一型号变压器同段绕组（柱1上段——柱2上段、柱1中段——柱2中段、柱1下段——柱2下段）之间的横向比较结果较为准确。但如果用非同段的绕组进行横向比较，虽然每一段的绕组参数（匝数、尺寸）都一致，但因结构上的些许不同，造成频率响应曲线有一定差异，系统就会得出“绕组可能存在轻度变形现象”的分析结论，见图4。故最好不将非同段的绕组用于横向比较。
4.3.2 绕组状态的影响
验证表明，用于横向比较的两个绕组，其状态应基本一致，即同为卧倒或同为立起的状态。如果两个绕组分别处于卧倒、立起状态，两者用于横向比较，系统会得出“绕组可能存在明显变形现象”的分析结论，结果见图5。这是因为，频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主。
4.4 判断标准优化
仪器软件中的分析结论是根据DL/T911-2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》所提供的参考判断标准进行判断的。因牵引变压器和电力变压器有较大的差异，在实践中经常发现横向比较结果中出现“绕组可能出现轻度变形现象”的结论，此时需通过经验综合判断做出结论。经过大量的数据分析后，可通过软件的“修改判据标准”项优化设置判据标准，从而得到更加符合公司产品的判断标准。
5 结束语
实践证明，基于频率响应分析法的绕组变形横向比较检测法特别适用于单一型号批量生产的牵引变压器线圈局部坍塌缺陷检测，在获得了大量的数据后，可以根据实际情况优化判断标准，从而大大提高检测准确率。进一步地，绕组变形检测横向比较还可以推广至牵引变压器的其他缺陷检测，例如线圈绕制过程产生的多匝少匝质量缺陷，将绕组变形检测结果和传统的等匝测试结果综合分析，能够更加准确地判断。
参考文献：
[1] 黄登威,钟福兵.和谐HXD1型大功率交流电力机车主变压器[J].电力机车与城轨车辆,2007(1).
[2] DL/T 911-2004.电力变压器绕组变形的频率响应分析法[S].