◎顧天逸
引言:作為電力系統中主設備的變壓器,是電網穩定的重要保證。變壓器出口短路時會受到很大的電動力,進而容易導致繞組變形。本文介紹了三繞組電力變壓器的繞組變形,對發生變形和原因和短路時受力情況進行了分析,以一個實例,介紹了如何利用介質損耗與電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應檢測結果,來分析繞組變形。
目前,在電網中運行的變壓器有的運行時間已經超過20年,在多年運行中承受一般承受多次短路沖擊,對于每次極小的變形,如果不及時發現問題,在遭受到多次短路后,積累效應可能在某次大的短路電流下爆發,使得繞組無法承受電動力而變形。有的變壓器為節省原材料,其低壓繞組未采取足夠的抗短路措施,在短路電流不大時繞組就會變形。變壓器損壞對電網運行有著極大的隱患,所以分析診斷變壓器繞組的變形有重大意義。
發生出口短路時,漏磁場中繞組流過短路電流,各導線上將產生幅向和軸向應力F=BIL,其中漏磁感應強度B 正比于I,所以短路時的應力F 正比于I2。雙繞組變壓器低壓側出口短路時,輻向上內側的低壓線圈受向內的壓力,外側的高壓線圈受向外的拉力,軸向上高低壓線圈均受向中心的壓力,兩端最大而中部幾乎為零。三繞組變壓器短路受力情況比較復雜,中壓側短路和低壓側短路工況不同,分別如下圖1 和圖2。中壓側短路時,中壓繞組中的電流方向與高、低壓繞組相反,根據右手和左手定則分別判定漏磁場方向和電磁力方向,忽略高低壓繞組之間的影響,內側的低壓線圈在輻向上受向內的壓力,外側的高壓線圈受向外的拉力,中間的中壓線圈同時受壓力和拉力。低壓側短路時,低壓繞組中的電流方向與高、中壓繞組相反,內側的低壓線圈在輻向上受向內的壓力,中間的中壓線圈受向外的拉力,外側的高壓線圈同時受壓力和拉力。
圖1 中壓繞組短路受力
圖2 低壓繞組短路受力
例行試驗中,檢測主變絕緣電阻合格后,再進行介質損耗和電容量試驗,發現數據不符合規程。緊接著進行診斷性試驗低電壓短路阻抗和頻率響應試驗,同樣數據不符合規程,進而分析繞組變形。該主變型號:SSZ11-63000/110,為三繞組變壓器,接線組別:YN,yn0,d11,于 2008 年 11 月投入運行。額定電壓 :110+10(-6)×1.25%/21/10.5kV,額 定 電 流 :330.7/1732.1/3464.1A。
在交流電壓的作用下,變壓器可以看做是電容和電阻構成的等值電路,因為變壓器中的絕緣電阻非常大,可以忽略,因此變壓器繞組間可以視作純電容構成的等值電路。變壓器繞組與繞組之間、繞組對地之間都有電容,繞組和外殼或地都可以視作電容器的兩面,中間的變壓器油視作其中的介質,就可以得到三繞組變壓器的等值電路圖如圖3。
圖3 三繞組變壓器等值電容電路圖
圖3 中 C1、C2、C3 分別為高、中、低繞組的對地(外殼)電容,忽略高壓和低壓繞組之間的電容和套管電容,C12 為高壓與中壓繞組之間的電容,C23 為中壓與低壓繞組之間的電容。
反接線適用于被試品接地的情況,對于直接接地的變壓器,測量繞組連同套管的介質損耗和電容量可以采用。對三繞組變壓器的高壓繞組加壓時,中壓和低壓繞組均短路接地,即C2、C3 和C23 均無法測出,因此測得的電容為C1+C12。中壓繞組加壓時,高壓和低壓繞組均短路接地,即C1 和C3 均無法測出,測得的電容為C2+C12+C23。低壓繞組加壓時,高壓和中壓繞組均短路接地,即C1、C2 和C12 均無法測出,測得的電容為C3+C23。
變壓器繞組電容量決定于繞組之間、繞組與鐵心和箱體的幾何尺寸和位置。變壓器安裝完成后,其特征參數電容、電感基本保持不變。如果電容量明顯改變,預示著變壓器可能存在絕緣、機械位移、繞組變形等方面的缺陷。
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依據《國家電網公司變電檢測管理規定(試行)》中規定:電力變壓器繞組電容量應與上次試驗結果相比無明顯變化,參考《QGDW/10 江蘇省電力公司輸變電設備交接試驗規程》中規定:繞組電容量與出廠試驗值相比變化不大于±5%。由表中數據判斷,中壓和低壓繞組電容量數據超標。
變壓器繞組發生變形,則兩個繞組的相對距離會發生變化,繞組中的漏電感會隨兩個繞組之間相對距離的增大而增大。所以,繞組變形必然導致漏電感的變化。同時,漏電感還與繞組的高度有關,近似與高度的算數平均值成反比。兩個繞組的短路阻抗與漏電感有關,所以檢測短路阻抗可以發現繞組的變形。
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依據《國家電網公司變電檢測管理規定(試行)》中規定:容量100MVA 及以下且電壓等級220kV 以下的變壓器,初值差不超過±2%,三相之間的最大相對互差不應大于2.5%。由表中數據判斷,A 相的高—中和中—低初值差超標,B 相中—低初值差超標,高—中和中—低的三相互差值超標。
進行頻率響應測試時,繞組可以視作由分布電容和電感等參數構成的無源線性二端口網絡,等效電路圖簡化后如圖4所示。當變壓器線圈匝數和直徑或者電感系數發生變化時,繞組的電感量Ls 會發生變化。當線餅的半徑、寬度、距離發生變化時,繞組的餅間電容量Cs 會發生變化。當繞組的內外徑和高度發生變化時,繞組的對地電容量Cg 會發生變化。
圖4 繞組頻譜測試等值電路
圖4 中G 為掃頻信號源,Ri 為激勵匹配電阻,Ro 為響應匹配電阻,C1 為激勵端套管對地電容,C2 為響應端套管對地電容,Cs 為餅間電容,Cg 為線餅對地電容,Ls 為繞組電感。從變壓器的等效電路圖可以看出,繞組電感Ls、餅間電容Cs、線餅對地電容Cg 在不同的頻率下會發生多次諧振,不同的諧振點在頻譜圖上表現為一系列的峰谷點,當繞組發生變形或者移位后,峰谷點將隨著Ls、Cs 及Cg 的變化而改變位置。一般來說,一臺變壓器制造完成后,其繞組的頻響曲線就確定了,一旦繞組發生變形,其內電感電容變化,頻率響應曲線和一開始就會有差別,判斷繞組變形情況可以利用這差別。
在曲線的低頻段(1~100kHz),波峰、波谷位置反應繞組電感的改變,諧振點減少或向高頻方向、信號幅度增大等變化預示著可能存在繞組匝間或者餅間短路的情況,因為在低頻的情況下,繞組的分布電容阻抗很大,而感抗很小,從而引起感抗變化的因素起主導作用。在曲線的中頻段(100~600kHz)的波峰、波谷位置預示著繞組可能發生了扭曲和鼓包等局部變形的現象,繞組的電感和餅間電容比較敏感,若變化改變部分諧振條件,曲線產生峰谷現象。在曲線的高頻段(>600kHz)的頻譜曲線的變化取決于繞組對地電容的變化,此時的感抗較大,容抗小,對地電容對高頻段較敏感,變化時預示繞組可能出現整體位移等情況,波峰和波谷的位置主要以對地電容影響為主,但受人體、油枕等雜散電容影響和干擾較大。高中低壓繞組的頻率響應曲線如圖5。
圖5 高中低壓繞組頻響曲線
通過相關系數可以定量描述出兩條波形曲線之間的相似程度,根據曲線的相似程度可以用來分析被試變壓器的繞組變形情況,相似程度可以用相關系數來說明。但是由于頻響測試本身受干擾較大,所以一般只作為輔助的判斷手段,具體結果還應根據被試變壓器的運行情況及其它信息綜合判斷。繞組變形程度根據相關系數,可以判斷繞組頻響曲線在低頻段存在輕度不一致,在中頻段存在輕度和明顯不一致。
綜合繞路連同套管的電容量測試、低電壓短路阻抗試驗和頻率響應測試,初步判斷主變繞組發生局部變形,大概率在A 相和B 相的中、低壓繞組。經返廠解體,實際繞組變形情況與理論分析一致。
對于變壓器繞組發生變形,試驗人員可以通過繞組連同套管介質損耗及電容量試驗、低電壓短路阻抗試驗和頻率響應試驗來進行綜合分析判斷,最終與解體檢查情況對比,積累相關經驗。主變運維需要加強主變出口短路技術監督,對于主變發生多次出口短路的,必要時考慮縮短停電檢修試驗周期。