變壓器繞組變形綜合分析判斷與論證

史玉清，楊紅偉，矣宗林，楊凱越，陳云浩

（1.云南電網有限責任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100； 2.云南電網有限責任公司普洱供電局，云南 普洱 665000； 3.云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

0 前言

變壓器是電網安全穩定運行的核心設備之一，其健康狀態決定供電可靠性。由于近年來電網規模不斷增加，系統短路電流不斷升高，變壓器短路損壞問題日益嚴重。某電網公司在變壓器抗短路能力不足專項治理工作中明確提出：其一針對運行10年及以上110 kV-500 kV應開展低壓短路阻抗法和頻率響應法試驗，試驗結果與出廠值對比應無明顯變化；其二變壓器遭受外界短路沖擊跳閘后，應做低壓短路阻抗法和頻率響應法試驗，試驗結論滿足國標和企業標準后，方可投入運行。

低電壓短路阻抗法在DL/T 1093-2018《變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》中已列出測試方法和判定標準[2]，該方法較為成熟，試驗過程干擾因素少，判定標準明確。可各測試結果很難進行關聯性分析，加上一些測試結果無法檢驗其準確性，影響最終的判斷[3]。因此，本文將變壓器繞組對地電容量、繞組短路阻抗測試值與出廠值進行對比分析，得出高、中、低三側繞組變形方向與變壓器繞組對地電容量、繞組短路阻抗之間的定性關系。針對一起220 kV變壓器電容量和短路阻抗試驗結果判定繞組變形情況，決定將該變壓器返廠解體，證實了電容量和短路阻抗試驗綜合診斷分析的準確性。

1 理論分析

1.1 變壓器繞組電容量理論分析

變壓器繞組對地電容量計算公式如（1）[5]：

式中：CWW—變壓器繞組電容量，pF；

εwe—繞組間油紙絕緣介質的等效介電常數；

H—繞組的軸向電抗高度，mm；

Rw1—內繞組的外半徑，mm；

Rw2—外繞組的內半徑，mm。

由式（1）可知：變壓器絕緣油成分分析和檢測分析試驗結果合格時，εwe可確定其為一般常數。H、Rw1和Rw2與變壓器結構有關，出廠時已確定，若變壓器內部結構不發生變化，H、Rw1和Rw2與出廠時保持一致，變壓器繞組對地電容量與出廠值對比，在合格范圍內。因此，當變壓器各繞組變形到一定程度時，便可測試各繞組對地電容量，判斷繞組的健康狀態[6]。

為進一步研究各繞組電容量試驗，三繞組變壓器電容量等效電路圖，如圖1所示。

圖1 三繞組變壓器各繞組等值電容分布模型

其中高對中、低及地的電容量計算公式如（2）、中對高、低及地的電容量計算公式如（3）、低對高、中及地的電容量計算公式如（4）。當低壓繞組向內橫向位移時，CH增大、CM減小；當中壓繞組向低壓繞組方向橫向位移時，則CL增大、CM增大、CH減小；當中、低壓繞組均橫向位移時，則CL增大、CM增大、CH減小。因此開展各繞組對地的電容量試驗可判斷變壓器各側繞組間的等效距離，進而推斷變壓器繞組變形情況[7]。

式中：C1-低壓繞組與鐵芯之間的電容量，C2-中壓繞組與低壓繞組之間的電容量，C3-高壓繞組與中壓繞組之間的電容量，C4-高壓繞組與外殼之間的電容量，C5-中壓繞組與外殼之間的電容量，C6-高壓繞組與低壓繞組之間的電容量。

1.2 短路阻抗理論分析

變壓器各繞組短路阻抗百分數的大小主要取決于短路電抗。根據文獻[8]，短路電抗百分數的計算公式如式(5)，可以看出，變壓器的短路電抗百分比Uk與∑D成正比。

式中：f—頻率；I—額定電流；W—主分接時總匝數（I與W為同一側繞組數據）；et—每匝電動勢，Hk—兩個繞組的平均電抗高度；k—附加電抗系數；ρ—洛氏系數；∑D—繞組空間尺寸。

對三繞組變壓器開展短路阻抗試驗可以獲得UkH-M、UkH-L、UkM-L短路阻抗百分數，其中H、M、L分別代表變壓器的高、中、低壓繞組；UkH-M為高壓對中壓繞組的短路阻抗百分數，UkH-L為高壓對低壓繞組的短路阻抗百分數，UkM-L為中壓對低壓繞組的短路阻抗百分數。由式(5)知短路電抗百分數與繞組空間尺寸∑D成正比。根據文獻[9]，等效距離∑DM-L(見圖2)由中壓繞組外側到鐵芯的距離W1、中壓繞組內側到鐵芯的距離W2、低壓繞組外側到鐵芯的距離W3和低壓繞組內側到鐵芯的距離W4共同決定，∑DM-L計算公式如式（6）。

圖2 ∑DM-L等效距離示意圖

式(6)中∑DM-L的大小取決于中、低壓繞組之間主絕緣通道的寬度，而非中、低壓繞組自身的厚度，即式中∑DM-L與W22-W32成正比關系。由式(5)和式(6)可知，主絕緣通道加寬，∑DM-L，UkM-L也增大；反之，則UkM-L減小[11]。UkH-M、UkH-L的分析思路與UkM-L相同[12]。

1.3 變壓器繞組綜合判據

基于繞組電容量和短路阻抗理論分析，總結變壓器短路阻抗和繞組電容量試驗值變化時，高壓、中壓、低壓繞組的變形規律，如表1。若試驗結果與繞組變化規律匹配，則可確定該變壓器繞組已變形。

表1 變壓器繞組變形綜合判據

2 變壓器試驗

2.1 變壓器概況

某220 kV變電站#1主變于2011年4月投運，型號為SFPSZ-H-150000 / 220GY，連接組別為YNyn0d11，額定電壓為220±8×1.25%/115/38.5 kV。其運行中負荷較重，遭受多次短路電流沖擊，電網公司定級為中度危險型變壓器，2021年7月，預防性試驗過程中開展短路阻抗試驗，短路阻抗試驗數據如表2。中對低橫向偏差為2.81%，大于標準2.0%，縱向偏差為8.71%，大于標準1.6%；高對低縱向偏差為2.40%，大于標準1.6%，短路阻抗試驗數據不合格。初步判定變壓器內部繞組已變形。

表2 某220 kV變電站 #1主變路短路阻抗試驗結果

因變壓器短路阻抗試驗不合格，為進一步驗證變壓器繞組是否變形，于是開展變壓器的繞組對地電容量測試，變壓器繞組電容量試驗數據如表3，低壓-中壓、高壓及地的縱比偏差為22.89%，中壓-高壓、低壓及地的縱比偏差為-5.6%，超過了規程3%的要求。

表3 某220 kV變電站 #1主變繞組電容量試驗結果

基于該變壓器繞組短路阻抗試驗數據和繞組對地電容量測試數據不合格，應用表1判據規律進行綜合判斷，該變壓器可能存在低壓三相繞組整體向內變形。

3 解體檢查

為進一步核實上述分析過程及變壓器低壓繞組變形程度，將該變壓器返廠進行解體檢查分析。解體檢查結果如下：

1）檢查變壓器A、B、C相高中低壓繞組引出線接頭、外側的圍屏、上部的絕緣壓板、鐵芯及夾件絕緣，正常。

2）拆除變壓器A、B、C相繞組上部的絕緣壓板，發現低壓繞組上部局部向中壓繞組位移，高壓、中壓及調壓繞組上部無明顯位移，如圖3所示。

圖3 低壓繞組上部局部向中壓繞組位移

3）拔出變壓器A、B、C相的高壓、中壓、調壓繞組，未發現異常；A、B、C相低壓繞組支撐條因整體向內擠壓而向外凸起，如圖4所示。說明表1變壓器繞組變形綜合判據與現場實際吻合。

圖4 變壓器A、B、C相低壓繞組支撐條凸起

4 結束語

結合上述試驗數據和解體分析，提出以下結論。

1）短路阻抗試驗結果存在疑問時，可通過繞組電容量測試驗證變壓器內部健康狀態，可避免常規試驗數據的誤判，過濾不準確的試驗數據，提高變壓器繞組變形綜合分析能力。

2）通過對220 kV變電站#1主變開展試驗和解體分析，同預期結論一致，說明表1所提出的變壓器繞組變形綜合判據在繞組變形實際應用中可行。

3）35 kV及以上變壓器遭受近區短路電流沖擊后，除常規試驗外，應開展繞組電容量和短路阻抗測試，進行綜合分析，試驗偏差在合格范圍內才允許投運。