變壓器繞組變形綜合診斷與分析

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(德陽供電公司，四川 德陽 618000)

1 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的組件，對電網(wǎng)的安全運行起著重大的作用。變壓器在運行過程中，其繞組難免會承受各種各樣電動力的作用，尤其是遭受突發(fā)性短路故障電流沖擊時，流經(jīng)繞組的短路電流將會在繞組周圍產(chǎn)生強大的漏磁場，在線圈電流和漏磁場的作用下，繞組線圈將受到強大的電動力作用[1]，從而引起變壓器繞組產(chǎn)生或大或小的鼓包、扭曲、移位或匝間、餅間短路等變形。發(fā)生繞組變形后，有的會立即發(fā)生損壞事故，而更多的會繼續(xù)運行一段時間，運行時間的長短取決去繞組變形的程度大小。此時的變壓器屬于“帶病”運行，存在重大安全隱患[2]。

診斷變壓器繞組變形的常用方法有電容量法、頻響法和短路阻抗法。實踐表明，繞組變形診斷是一項綜合性試驗技術(shù)。本文將電容量法、頻響法和短路阻抗法結(jié)合在一起，對一臺110kV變壓器進行分析，三種方法相互補充，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，從而對故障進行了準確的定位，提高了變壓器繞組變形的診斷效率和準確性。

2 繞組變形診斷方法

2.1 低電壓短路阻抗法

變壓器的短路阻抗是當變壓器的負荷阻抗為零時變壓器內(nèi)部的等效阻抗。當變壓器二次側(cè)短路時，其等效阻抗值一般等于短路電抗分量，也就是繞組的漏電抗；漏電抗是繞組和繞組之間、繞組內(nèi)部、繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應磁勢的反映[3]。變壓器的漏電抗值是由繞組的幾何尺寸及相互位置所決定的[4]，變壓器繞組結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變。

當運行中的變壓器遭受到了短路電流的沖擊，可將試驗測到的短路阻抗值與銘牌進行比較來判斷其繞組是否變形。根據(jù)DL/T 1093-2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》相對變化不超過±2% ( 220 kV 以上變壓器為±1.6%)。如果需要進一步檢查每相的短路阻抗，還應進行相間比較，根據(jù)DL/T 1093-2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》相間相對變化不超過2.5% ( 220 kV 以上變壓器為2.0%)。

2.2 電容量法

繞組電容與繞組相對位置、尺寸及絕緣介質(zhì)相關(guān)，繞組的等值電容量直接反映出了各繞組間、繞組對鐵心、繞組對箱體及地的相對位置和繞組的自身結(jié)構(gòu)等[5]。變壓器投運前，各繞組的電容量是確定的，在正常運行情況下，繞組的徑向幾何電容量是不變或變化很小的。當變壓器遭受短路電流的沖擊時，繞組間的相對位置會發(fā)生改變。當變壓器繞組發(fā)生嚴重變形時，其電容量變化就比較明顯。

三繞組變壓器繞組電容等效電路圖如圖 1 所示。通過5次接線測得的試驗數(shù)據(jù)聯(lián)列方程組可以解出圖1中的5個電容值。通常測試的繞組電容量為高對中、低及地CX1，中對高、低及地CX2，低對高、中及地CX3，高、中、低對地CX4，高、中對低及地CX5。通過列方程組可得出C1～C3、C12、C13如式(1) ～ (5)，進而分析判斷變壓器繞組變形情況。

圖1 三繞組變壓器繞組電容等效電路圖

C1=(CX5+CX1-CX2)/2

(1)

C2=(CX4-CX3-CX1+CX2)/2

(2)

C3=(CX4+CX3-CX5)/2

(3)

C12=(CX1+CX2-CX5)/2

(4)

C23=(CX3+CX5-CX4)/2

(5)

變壓器繞組電容量變化量在5%以下，則該變壓器繞組狀況良好；若電容量變化量在10%左右，則變壓器繞組可能發(fā)生中度偏輕的變形；若電容量變化量超過15%，則變壓器繞組可能發(fā)生了嚴重變形[6]。

2.3 頻率響應法

一個完整的變壓器繞組等效電路可以等效成為一個無源線性二端口網(wǎng)絡[7]，如圖2所示。圖中的L、K、C分別表示繞組單位長度的分布電感、縱向電容和對地電容。一旦變壓器的結(jié)構(gòu)確定后，該網(wǎng)絡的各參數(shù)也就被唯一確定，可以通過傳遞函數(shù)H(jω)來對變壓器特性進行描述。如果變壓器繞組發(fā)生變形后，其等效網(wǎng)絡相應部分的參數(shù)必然改變，其傳遞函數(shù)H(jω)發(fā)生改變，相應的零點和極點也會發(fā)生相應變化，使網(wǎng)絡的頻率響應特性發(fā)生變化。

圖2 變壓器繞組等值網(wǎng)絡圖

采用頻率響應法診斷繞組變形，主要是通過繞組的頻響特性進行縱向或橫向比較。縱向比較是對同一臺變壓器的同一相測試前后圖譜進行比較，該方法要求具有歷史圖譜；橫向比較是對同一臺變壓器三相的圖譜進行比較，該方法不需要歷史圖譜，在現(xiàn)場大量的使用。

正常的頻響圖圖譜特征信息豐富，包含多個明顯的波峰和波谷，經(jīng)驗和理論分析都表明，波峰和波谷的分布位置及數(shù)量的變化是分析繞組變形的重要依據(jù)[8]。因此，通過分析波峰和波谷所在頻段的位置移動情況，可以在某種程度上知道繞組的變形情況。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，能夠直觀的反應出變壓器繞組幅頻響應特性的變化，通常可作為判斷變壓器繞組變形的輔助手段，用相關(guān)系數(shù)R輔助判斷變壓器繞組變形的方法見表1[9]。

表1 相關(guān)系數(shù)R與變壓器繞組變形的關(guān)系

注：RLF為曲線在低頻段(1～100kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù);

RMF為曲線在中頻段(100～600kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù);

RHF為曲線在高頻段(600～1000kHz)的相關(guān)系數(shù)。

3 案列分析

某變電站1號主變，型號為 SFSZ10-50000/110，額定電壓：(110±8×1.25%)/(38.5±2×2.5%)/10.5kV，額定電流：262.4/749.8/2749.3A。進行預防性試驗中，發(fā)現(xiàn)繞組電容量與出廠及交接試驗記錄相比嚴重異常，短路阻抗值與銘牌值相比也嚴重異常，而且繞組的頻響曲線也發(fā)生了異常，其他常規(guī)試驗項目測得的數(shù)據(jù)與出廠及交接試驗數(shù)據(jù)比較均差別不大。

對繞組電容量進行了測試，出廠試驗、交接試驗和本次試驗的測試數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計算后的電容量如表3所示。

表2 出廠試驗、交接試驗和本次試驗電容量測試值

表3 各繞組電容量的計算值

從表3計算出各繞組的電容量可以直觀的看出，中壓繞組與低壓繞組之間的電容量增加了32.44% ，變化最大，高壓繞組與中壓繞組之間電容量小幅度降低，減小了4.25%，低壓繞組對地的電容量增加了2.2%，說明了中壓繞組在電動力作用下向鐵心收縮，導致中壓繞組與低壓繞組間的距離大幅度減小，高中壓繞組之間的距離小幅增大。

短路阻抗試驗時，測量采用單相低電壓短路阻抗，其試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 短路阻抗試驗數(shù)據(jù)

從表4試驗數(shù)據(jù)可看出，高壓繞組對低壓繞組短路阻抗的偏差為2.48%，變化不太明顯，高壓繞組對中壓繞組短路阻抗增加了4.1%，說明高壓對中壓的漏電抗增加，即高壓與中壓的漏磁通增加，高中壓繞組之間的距離增大，中壓繞組對低壓繞組短路阻抗減小了7.14%，說明中壓對低壓的漏電抗減小，即中壓與低壓的漏磁通減小，中低壓繞組之間的距離減小。

繞組單相電抗值的橫向比較如表5所示。

表5 繞組單相電抗值的橫向比較

從表5繞組單相電抗值的橫向比較數(shù)據(jù)可看出，中壓對低壓時相間偏差最大，其中A相的電抗值與其余兩相偏差較大，因此可以初步判斷A相繞組可能發(fā)生嚴重變形。

利用頻響法對變壓器繞組進行測試，由于高、低壓繞組頻響曲線相似度較高，這里主要對中壓繞組進行分析，中壓繞組的頻響曲線如圖 3 所示。由于該變壓器沒有歷史頻響圖譜，所以只利用橫向比較法進行分析，圖中編號1的曲線為A相，編號2的曲線為B相，編號3的曲線為C相。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表6所示，表中R21表示AB兩相的相關(guān)系數(shù)，R31表示AC兩相的相關(guān)系數(shù)，R32表示BC兩相的相關(guān)系數(shù)。

圖3 中壓繞組頻響曲線

從圖3可以看出，在中頻段三條曲線一致性很差，峰值和頻率變化較大，A相曲線的諧振峰值點向低頻方向偏移，并且伴隨峰值點不同程度上升的波峰和波谷發(fā)生明顯變化， 則可以初步判斷該變壓器A相繞組可能發(fā)生局部變形現(xiàn)象。

表6 中壓繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

綜合電容量法、頻響法和短路阻抗法的試驗分析，可以推斷出此臺變壓器的中壓A相繞組發(fā)生局部變形。于是決定將該主變返廠修理。解體檢查發(fā)現(xiàn)中壓A相繞組確實發(fā)生了鼓包，并且絕緣破損，如圖4所

圖4 中壓A相繞組變形情況

示。由于該變壓器繞組還有一層漆包線，致使油化試驗和電氣試驗的其他項目都是合格的，并且運行至預試。

4 結(jié)論

變壓器繞組變形診斷方法都有各自的優(yōu)缺點。電容量法可以測出變壓器電容量的變化，經(jīng)過換算可以得出變壓器各繞組之間的電容量，通過與歷史數(shù)據(jù)對比可以分析出各個繞組之間的變化趨勢；短路阻抗法可以測出變壓器繞組間漏磁通的變化，進而與銘牌比較判斷出繞組間的變化趨勢，因此短路阻抗法對銘牌數(shù)據(jù)的真實性要求較高；頻響法可以用來檢驗前兩種方法的正確性，如果變壓器繞組發(fā)生變形，則頻響法的分析結(jié)果一定是發(fā)生了變形，如果頻響法的分析結(jié)果顯示變壓器繞組發(fā)生變形，則變壓器不一定是發(fā)生了變形，因此頻響法作為輔助手段。所以，只采用單一方法很難準確判斷繞組變形情況，應該把三種方法相互補充，并結(jié)合其他的電氣試驗項目、變壓器的結(jié)構(gòu)、油化試驗以及電壓器的運行工況等因素進行綜合分析，從而對故障進行準確的定位，提高變壓器繞組變形的診斷效率和準確性。

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