繞組變形在變壓器診斷試驗中的應用

張文韜 國網四川省電力公司檢修公司

變壓器繞組由于外部短路等原因導致變形甚至破損的故障較為常見，這對電力網的穩定性和安全性有很大的影響。變壓器繞組變形是設備運行時常見的故障類型，在一定程度上制約了變壓器安全運行。

在復雜多變的運行環境下，由于設備質量、電網負荷波動、外界因素等原因，主變壓器故障時有發生。主變壓器跳閘后能否繼續投入運行，就需要在現場對主變進行試驗診斷及故障分析。這就對現場事故分析及診斷能力提出了更高的要求。

一、電力變壓器繞組變形研究

（一）繞組變形類型分析

變壓器繞組變形一般有繞組松動、徑向變形以及軸向變形三種形式，當繞組出現徑向變形時，繞組內應變、應力最大位置以發生在導線窄面為主，導線寬面位置幾乎不發生應變，布置在導線寬面上的兩根光纖幾乎不會發生應變，但是繞組出現軸向變形發生概率會顯著低于徑向以及繞組松動。

（二）繞組變形原因分析

當電流在繞組中流動時，在繞組周圍產生磁場。大部分磁通集中在鐵芯上，剩下的在鐵芯窗口形成漏磁通。由于變壓器繞組的結構比較特殊，它會受到軸向力和幅向力的雙重影響。一般情況下，漏磁通很低，繞組比較穩定。一旦出口發生短路故障，漏磁通急速增加，當繞組達到最大承受應力，繞組開始變形。

同時，在電力變壓器的安裝和維護中，外力使緊固件松動，這降低了繞組的短路能力。在正常狀態下，由于電動力的作用，繞組也可能發生故障。特別微小的變形，如不及時排除，當發生短路時，繞組突然嚴重變形甚至發生非常嚴重的事故。主要變形包括：線餅傾斜、軸向變形、幅向變形、匝間/餅間短路等。

二、繞組故障檢測方法

（一）短路阻抗法

最早的檢測變壓器繞組問題的方法是短路阻抗法，額定電流為負載電流以及變壓器為空載時，繞組形變依靠對變壓器的阻抗情況測量可以得到有效解決。這一檢測原理是根據變壓器原理總結所得，電阻和漏抗組成了變壓器繞組。變壓器繞組的機械結構決定了繞組阻抗的大小。當繞組發生形變時，阻抗也會發生變化。為了提前檢測變壓器繞組故障問題，可以進行周期性的阻抗測量。將周期內測得的結果與正常情況下的阻抗數值對比，如果數值對比上存在明顯的差異，那么則認為發生了形變，此時就需對變壓器進行檢查。在長期的實踐與變壓器運作經驗當中表明，短路阻抗法是非常有用且成熟的繞組變形監測方法，目前已形成行業規范網。但是這一方法也存在缺點，就是只能在變壓器離線時進行檢測。

（二）頻響分析法

頻響分析法（FRA）與短路阻抗測試法十分相似。二者之間的區別是頻響分析法測量的是輸出信號。變壓器繞組由于無電源，所以可將其視作線性無源網絡。對輸出信號的進行觀察。所以當輸出信號與正常信號對比之間出現明顯差異時，就可以認為變壓器繞組發生了形變。與短路阻抗法一致，此種方法也需要在變壓器處于離線狀態時方可使用，在變壓器離線狀態時施加正弦波掃描信號。由于輸出信號的要求并沒有明確的規定要求，因此需要檢測人員極高的技術水平與工作經驗，同時這也是頻響分析法的缺點。

（三）掃頻阻抗法

掃頻阻抗法是一種新型的變壓器繞組變形檢測方法，可以在一次測試中獲得變壓器繞組掃頻阻抗曲線和短路阻抗值，可以有效減少多次布線引起的誤差掃動阻抗測試系統的配置包括信號發生器、功率放大器、數據收集卡、采樣電阻、PC機、連接線、固定裝置等。

掃頻阻抗法用于變壓器繞組變形的檢測，其結合頻率響應法和短路阻抗法的優勢，可以在一次測試中即獲得頻譜特性，同時也可以得到短路阻抗信息。

掃頻阻抗譜與頻率響應曲線類似，都由多個波峰和波谷構成。當等效繞組模型發生串聯諧振時，串聯阻抗為零，并且在幅值譜中形成波谷。當發生并聯諧振時并聯阻抗無窮大，在幅值譜中形成波峰。

三、案例概述

如何檢測變壓器繞組變形并診斷繞組的運行狀況、在重大故障發生前排除故障是提高電力系統供電可靠性必須解決的問題，對推動我國堅強電力系統建設至關重要。基于此，本文以實際工程案例展開分析概述。

（一）試驗背景

2018年6月21日，在一年一度的主變迎峰度夏色譜試驗中，公司變電運檢中心電氣試驗班發現某公司送檢的35kVXX變2號主變烴類氣體含量驟增，乙炔含量由2017年6月22日的0.52μL/L驟增到61.44μL/L，隨后對該臺主變絕緣油進行多次跟蹤檢測，并將試驗結果反饋至該公司。該公司并未對2號主變做進一步處理。直至2019年12月1日，該供電公司對35kVXX變2號主變絕緣油進行濾油，在濾油后乙炔含量變為0.55μL/L，但在投運僅短暫兩天后，乙炔含量再次增加到2.9μL/L。根據油色譜化驗結果，試驗人員判斷該臺主變內部存在電弧放電現象。

（二）現場試驗分析

2020年4月16日，由 該 公 司 委 托 對35kVXX變2號主變進行現場電氣診斷試驗。根據油色譜試驗數據，試驗人員懷疑該主變內部存在放電缺陷，現場先進行了絕緣試驗項目：繞組絕緣電阻、繞組連同套管的直流電阻，電壓比、繞組連同套管的介損電容量、繞組直流泄漏、有載分接開關試驗、油質化驗等試驗，試驗數據均未發現問題。此時試驗人員仍懷疑繞組存在問題，遂用頻響法進行了繞組變形試驗。

繞組變形試驗數據：測試儀器為北京圣泰TDT6U，環境溫度14.2℃，環境溫度12%，對2號主變高低壓繞組頻響曲線分析后，發現35千伏側CA繞組與AB、BC繞組幅頻響應特性曲線，在大于350kHz的中頻段及高頻段的波峰、波谷發生明顯變化，由此斷定高壓繞組存在扭曲、鼓包等局部變形現象或線圈整體移位或引線位移等情況。低壓側10kV繞組三相頻響曲線一致，繞組無明顯變形。

（三）返廠解體檢查情況及原因分析

2020年4月27日，公司決定對繞組存在嚴重變形的2號主變返廠解體，縣公司人員進行旁站監督，解體檢查情況如下：吊罩后繞組外觀檢查發現，35kV側繞組A相、C相中部分接段存在明顯鼓包和變形，線餅位移現象；繞組及鐵芯試驗情況顯示，對鐵芯及繞組進行絕緣試驗，繞組導線絕緣由于線餅移位而損壞。

吊心檢查情況總結：變壓器A、C相高壓繞組在中部分接段存在明顯鼓包和變形、線餅位移現象。繞組導線絕緣由于線餅移位而損壞，線餅局部有放電痕跡。變壓器套裝絕緣件變形、開裂，器身有積碳，油污痕跡。油箱在管接頭焊接位置、組件密封處有滲油現象。

原因分析：根據運行情況分析，35kVXX變因112安龍線出口短路，造成10kV甲母A、B相電壓互感器炸裂，對2號變壓器本體造成沖擊，且該主變為鋁質繞組，抗短路能力差，在較大的短路沖擊電流下而產生變形，A、C相繞組中部位移、鼓包嚴重，造成絕緣損壞，線餅局部產生放電，從而形成乙炔。

變壓器油氣相色譜分析能靈敏反應變壓器內部異常和缺陷。當化驗結果出現乙炔時，應及時對主變進行診斷試驗；由于缺陷的部位、發展情況不一樣，現場試驗分析存在一定的復雜性，單純的絕緣試驗不足以全面反映主變狀況，需綜合分析；當主變出口短路或近區短路，應立即進行絕緣油色譜試驗及停電進行繞組變形試驗，確保主變健康運行。由于鋁質繞組不滿足抗短路能力要

求，在設備選取時應避免選用鋁質繞組變壓器，必要時開展抗短路能力校驗。

四、結束語

變壓器類設備是電力系統中重要的主設備，直接關系到電網的安全穩定運行。基于此，本文結合現場1臺35千伏主變壓器的診斷試驗情況，對現場變壓器故障分析試驗的重要性進行分析，意在為同行業者提供參考意見。