基于繞組電容量和短路阻抗的變壓器繞組變形分析方法

(國網四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000)

0 引 言

變壓器是電力系統運行的主要設備，其運行狀態關乎電網的安全與穩定。變壓器在運行中，如果外部發生短路故障，尤其是出口短路故障，往往造成大、中型變壓器損壞。據統計，外部短路造成110 kV及以上的變壓器損壞事故占總事故的23%[1]。變壓器中低壓側弧光接地過電壓、低壓側絕緣老化、中低壓側避雷器或斷路器產品質量差等都容易造成變壓器出口近區短路故障，造成變壓器繞組發生形變[2]?！斗乐闺娏ιa事故的二十五項重點要求及編制釋義》中要求：變壓器遭受近區突發故障后，應做變壓器低壓側繞組變形試驗或者短路阻抗試驗，與出廠原始數據比對，判斷無故障后才可投運[3]。但是由文獻[4]可知，集中參數法獲得短路阻抗的方法有不足的地方，當繞組變形不嚴重或缺陷在個別部位時，測量數據會因集中參數的變化不明顯而不敏感。頻響法是采用10 kHz～1 MHz之間的頻率，構建1000個左右的掃描測試點，可以很好地測試繞組變形情況，但是頻響法在高頻范圍內會受到雜散電容的干擾[5]。并且在各繞組變形趨勢相同的情況下，其特性曲線具有相關性，容易給繞組變形造成漏判的情況[6]。網絡分析檢測法是利用傳遞函數對其繞組產生軸向、徑向尺寸變化的特性進行測量，但是在使用LVI法測試時采用的是時域脈沖技術，由于現場的干擾，導致測試的結果很難保持重復性[7]。

基于電網系統運行和試驗條件，通常變壓器繞組現場變形診斷大多數都是在單一試驗數據的情況下，輔以其他試驗數據獲得診斷結果。由于各實驗結果沒有進行關聯分析，加上一些測試結果無法檢驗其準確性，因此影響最終的判斷。下面通過變壓器繞組變形與短路阻抗和繞組電容量測試數據的結果分析，提出了基于繞組電容量和短路阻抗試驗數據的變壓器繞組變形分析方法。

1 繞組電容量Cx的數學等值

三繞組變壓器主絕緣的等值電路如圖1所示，其中繞組電容值Cx可以由圖中相應繞組的連接電容進行等值。

圖1 三繞組變壓器主絕緣的等值電容

三繞組變壓器繞組電容值的測量接線方式如圖2所示，進行依次測量，可得

Ch=C4+C5+C6

(1)

Cc=C2+C3+C4

(2)

Cb=C1+C2+C6

(3)

Ch+c=C2+C3+C5+C6

(4)

Cc+b=C1+C3+C4+C6

(5)

Ch+b=C1+C2+C4+C5

(6)

Ch+c+b=C1+C3+C5

(7)

變壓器繞組電容量的意義在于當實測值有差異時，通過上述7個公式可以找出發生異常的確切位置，便于變壓器試驗后的分析。根據文獻[8]可知，繞組電容量與繞組間油紙絕緣介質的等效介電常數ε、繞組的軸向高度H、內繞組的外半徑Rw1、外繞組的內半徑Rw2有關，實際運行的變壓器可認為其介電常數ε恒定，那么H、Rw1、Rw2對于運行良好的變壓器，其結構參數與出廠參數保持一致，繞組電容量為定值。當變壓器繞組發生形變到一定程度時，便可通過電容量的變化情況來判斷變壓器的狀態。

圖2 三繞組變壓器的Cx接線

當變壓器受到短路沖擊時，繞組的電動力使高壓繞組向外擴展，低壓繞組向內收斂。低壓繞組靠近鐵芯，其所受軸向電動力作用大，繞組發生形變更嚴重。變壓器典型短路沖擊試驗結果表明，廠家設計的高壓繞組抗變形能力裕度大于中、低壓繞組，因此，發生短路試驗后中、低壓繞組更容易發生形變。

2 短路阻抗與繞組變形的數學模型

在變壓器進行短路承受能力高壓試驗中，短路阻抗的大小主要取決于短路電抗。忽略變壓器高導磁介質的影響，根據文獻[9]，短路電抗的百分數可以通過式(8)獲得，可以看出，變壓器的短路電抗百分比Xk與∑D成正比。

(8)

式中：Xk為短路電抗百分比；f為變壓器額定頻率；IN為繞組額定相電流；W為繞組匝數；ρ為洛氏系數；∑D為漏磁總等效面積；e為每匝電勢；h為各側繞組高度平均值。

變壓器的短路阻抗是其固有結構參數決定的，若變壓器各側繞組發生形狀變化，其短路阻抗與額定阻抗會有所差別，所以可以通過短路電抗的變化量來判斷繞組的變形情況。對于三繞組變壓器，通過短路阻抗試驗可以獲得Xk h-c、Xk h-b、Xk c-b等參數，其中h、c、b分別表示變壓器的高壓繞組、中壓繞組、低壓繞組；Xk h-c表示高壓繞組對中壓的短路阻抗，Xk h-b、Xk c-b含義同理。對于式(8)中的短路電抗百分比，通過變壓器固有參數進行計算獲得∑D，從而獲得Xk(%)。

根據文獻[7]，等效距離∑Dh-c(見圖3)由中壓繞組內側到鐵芯的距離R1、中壓繞組外側到鐵芯的距離R2、高壓繞組內側到鐵芯的距離R3和高壓繞組外側到鐵芯的距離R4共同決定，∑Dh-c由式(9)計算可得。

(9)

圖3 等效距離

3 Cx-Xk(%)分析方法及實例分析

3.1 Cx-Xk(%)分析方法

由于在變壓器短路試驗中，當某次試驗測量到的電抗百分數超過規程要求，變壓器內部繞組可能已經損壞，不允許再進行短路試驗，以免致使內部繞組再次遭受沖擊損壞。那么，在有限的短路阻抗測量數據下無法全面分析變壓器繞組的形變情況，因為短路阻抗測量涉及兩個繞組，單從一組數據是不能判斷哪個繞組發生了嚴重的形變。

圖4 Cx-Xk(%)法繞組變形分析流程

為此，所提出的Cx-Xk(%)方法是基于在一個短路阻抗測量數據，綜合繞組電容量間接判斷繞組形變情況。根據式(1)—式(7)可知，如果在變壓器短路阻抗試驗后不合格，復測7組繞組電容量可以計算出繞組間或繞組對地的相對電容值，根據圖1中繞組與電容的關系，進而推斷出繞組發生形變情況。通常，7組繞組電容量不會進行全部測量來分析繞組變形情況。為此，將Ch、Cc、Cb稱為繞組電容量分析的基準量，Ch+c、Cc+b、Ch+b、Ch+c+b稱為繞組電容量分析的輔助量。Cx-Xk(%)方法就可以基于在一個短路阻抗，結合繞組電容量的基準量和部分輔助量就可以判斷出繞組的形變情況。

3.2 變壓器試驗概況

某110 kV變電站2號主變壓器于2017年11月進行總裝配，該變壓器型號為SSZ 11-50000/11，額定電壓110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV。2018年8月采用GB 1904.5-2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》推薦的單相電源法對2號主變壓器進行突發短路承受力試驗，數據如表1所示。B相電抗在高壓側對中壓側試驗中出現嚴重偏差，達到了8.024%，超過了規程2%的要求，未通過短路試驗。針對變壓器短路試驗不合格的情況，課題組對變壓器的直流電阻、繞組電容量、變比和油色譜進行重新測試，油色譜和高壓例行試驗如表2至表5結果顯示：變壓器油中溶解氣體、繞組直流電阻、繞組電壓比測試數據合格；繞組電容量Ch+c最大偏差達到了10.79%，超過了規程3%的要求。

表1 主變壓器高壓-中壓(9a擋)短路試驗電抗計算值

表2 變壓器油中溶解氣體色譜分析數據

表3 繞組電容量測試數據(油溫：29.6 ℃)

表4 直流電阻測試數據(油溫：29.8 ℃)

表5 繞組電壓比試驗數據

根據Cx-Xk(%)法繞組變形分析流程，其具體實現過程如圖5所示，由表1可知2號主變壓器B相繞組高壓-中壓第3次短路試驗測得短路電抗值偏差增大，繞組短路電抗增加，由式(9)可推知，高壓和/或中壓繞組發生了形變。表3繞組電容量測試數據顯示，Ch+c+b偏差可以忽略不計，根據式(7)可以判斷出繞組中電容C1、C3、C5為恒定值，根據式(1)—式(4)可以綜合推出繞組電容C2+C4、C2+C6增加，那么與中壓繞組相連的電容C2、C4一定發生了變化，由此可以準確推出中壓繞組已經發生形變。

圖5 中壓繞組變形分析流程

3.3 變壓器返廠檢修

2019年8月14日至15日，對該 110 kV 2號變壓器進行吊罩解體檢查，變壓器現場解體情況見圖6所示：圖6(a)中可以看出變壓器進行短路試驗后B相劃線明顯錯位；圖6(b)中變壓器B相上側絕緣壓板已經發生破損；圖6(c)中變壓器B相中壓繞組內側沒有發生明顯的形變，但是圖6(d)中變壓器B相繞組外側已經發生嚴重的內收變形。設備解體返廠檢查結果證實了所判斷繞組變形方法的可行性和有效性。

圖6 變壓器返廠解體

4 結 語

通過前面理論分析方法和返廠檢查結果，得出以下結論：

1)變壓器進行《承受短路的能力》試驗后，其短路阻抗和繞組電容量是相互佐證的關系，可以避免單一試驗數據導致誤判結果。

2)所提出分析繞組變形的Cx-Xk(%)法，通過計算推出內部電容的變化情況，再根據電容與繞組的關系判斷繞組變形情況，與短路阻抗結果共同判斷繞組情況，實現了“雙保險”。

3)后期通過對110 kV變電站1號主變壓器試驗數據分析，獲得了同樣的結果。說明所提出的Cx-Xk(%)分析繞組變形的可行性。