一起110 kV 變壓器繞組變形故障綜合分析與解體驗證

鄧于婷

（國網(wǎng)江西省電力有限公司吉安供電分公司，江西 吉安 343009）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，系統(tǒng)短路容量不斷增大，短路故障是電力系統(tǒng)中最常見的故障之一。電力變壓器運行過程中需承受不同形式的短路沖擊，其中一般以變電站開關(guān)柜、母線等近區(qū)短路最為嚴重，可形成數(shù)倍乃至十余倍額定電流大小的短路電流沖擊變壓器，巨大的短路電流引起的電動力作用于變壓器繞組，當短路電動力大于繞組屈服強度時，將引發(fā)繞組出現(xiàn)形變[1]，并進一步引發(fā)更嚴重的故障，據(jù)統(tǒng)計，約25%的變壓器故障由繞組變形引起[2]，嚴重威脅了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，研究變壓器繞組變形綜合分析及診斷方法，提前發(fā)現(xiàn)潛在隱患，具有重要意義。

變壓器常規(guī)試驗項目無法準確識別繞組變形故障，文中提出了基于繞組電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試的變壓器繞組變形綜合分析方法，應(yīng)用該方法診斷了一起110 kV變壓器繞組變形故障，并通過返廠解體檢查結(jié)果驗證了綜合分析方法的準確性。

1 繞組變形綜合分析方法

1.1 繞組電容量分解測試

變壓器繞組電容由繞組之間的電容和繞組對地（鐵芯或油箱）的電容組成。變壓器的高、中、低壓繞組可等效為多層圓筒結(jié)構(gòu)，因此變壓器繞組電容量取決于繞組尺寸、相對位置和絕緣介質(zhì)等。變壓器制造完成后，繞組直徑、高度等尺寸，繞組間的距離、繞組對鐵芯及油箱等距離等相對位置、變壓器油介電常數(shù)等參數(shù)均已固定，其繞組電容量是確定的。當變壓器遭受短路沖擊發(fā)生繞組變形后，由于相對位置距離的變化，會引起繞組電容量改變。因此可利用繞組電容量測試來評估變壓器是否發(fā)生繞組變形。

以三繞組電力變壓器為例，繞組電容量測試項目一般包含以下五項，如表1所示。

表1 繞組電容量測試項目

表1 中各試驗項目測試結(jié)果均由多個電容量疊加組成。當繞組電容量測試出現(xiàn)異常時，為了明確發(fā)生形變的繞組，提出繞組電容量分解法。三繞組變壓器繞組電容量組成，如圖1 所示，其中C1表示低壓繞組對地電容量；C2表示低壓繞組與中間繞組之間的電容量；C3表示中壓繞組與高壓繞組之間的電容量；C4表示中壓繞組對地的電容量；C5表示高壓繞組對地的電容量。因此，表1中五個試驗項目測試結(jié)果可由式（1）組成。

圖1 繞組電容量組成

根據(jù)式（1）求得C1-C5，并識別變形繞組。

1.2 低電壓短路阻抗測試

變壓器短路阻抗是當二次側(cè)短路，一次側(cè)通過額定電流時的電壓與電流的比值，由于短路阻抗在不同電壓下保持穩(wěn)定，因此可測量低電壓（三相380 V、單相220 V）、小電流下的短路阻抗測試代替額定電流下的短路阻抗。短路阻抗有電阻分量和電抗分量組成，其中變壓器繞組直阻很小，短路阻抗的大小取決于短路電抗，工程計算中，變壓器短路電抗百分比可由式（2）表示[3]。

式中：Xk為短路電抗百分比；N為變壓器繞組匝數(shù)；f為電壓頻率；I為額定電流；h為繞組高度；et為單匝電壓；D為變壓器漏磁通等效面積。

由式（2）可知，短路阻抗是與變壓器繞組結(jié)構(gòu)和尺寸等相關(guān)的固有參數(shù)，當繞組發(fā)生變形時將引起短路阻抗的變化。因此可通過短路阻抗縱比（與歷史數(shù)據(jù)相比）或橫比（相間對比）的方式來判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形。

1.3 頻率響應(yīng)測試

在較高頻率（1 kHz~1 000 kHz）的電壓作用下，變壓器的繞組可視為一個由線性電阻、電感和電容等分布參數(shù)組成的二端口網(wǎng)絡(luò)，若繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感與電容必然發(fā)生變化，因此，可通過檢測二端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)特性，并進行縱向和橫向比較判斷繞組是否發(fā)生變形。

具體地，典型的變壓器繞組幅頻響應(yīng)特性曲線在檢測頻率范圍內(nèi)包括多個明顯的波峰與波谷，波峰和波谷的分布位置和強度的變化是分析繞組變形的重要依據(jù)。其中低頻段（1 kHz~1 000 kHz）曲線的變化表征繞組電感發(fā)生了改變，預(yù)示可能存在繞組匝間或短路的情況；中頻段（100 kHz~600 kHz）曲線出現(xiàn)變化，表示繞組可能存在扭曲或鼓包等局部變形現(xiàn)象；高頻段（600 kHz~1 000 kHz）曲線變化，說明繞組對地電容的改變，因其容易受到測試線的影響，且中頻段曲線波峰和波谷的位置變化也能反應(yīng)繞組電容的改變，因此一般可不把高頻段測試數(shù)據(jù)做為繞組變形分析的主要信息[4]。

2 變壓器繞組變形實例分析

2.1 異常主變基本情況介紹

某110 kV 變電站1 號主變于2006 年10 月投運，該主變型號SSZ10-31500/110，額定電壓為（115±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5）kV，上次例行試驗為2019年10 月，試驗結(jié)果正常。2022 年2 月，對該主變開展繞組電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試，試驗結(jié)果均不合格，判斷該主變低壓繞組存在明顯變形，返廠解體檢查驗證了判斷的準確性。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 繞組電容量測試結(jié)果

繞組電容量測試結(jié)果如表2所示。

表2 繞組電容量測試結(jié)果

由表2可知，除高壓繞組對地電容量測試結(jié)果合格外，其他測試項目初值差均超過標準規(guī)定值（3%），其中涉及到低壓繞組的兩個測試項目（Cd、Cgzd）初值差最大，分別達14.53%和24.49%，初步判斷低壓繞組存在變形。

按照式（1）計算各分解的電容量，如表3所示。

表3 繞組電容量分解計算結(jié)果

由表3 可知，低壓繞組對地電容量（C1）相比出廠值增大35.77%，低壓繞組與中間繞組之間的電容量（C2）相比出廠值偏小8.41%，表示低壓繞組與地（鐵芯）之間距離減小，而與中間之間的距離偏大，進一步說明低壓繞組存在明顯的內(nèi)凹變形。這是因為低壓繞組位于最內(nèi)層，根據(jù)安倍左手定則，位于內(nèi)側(cè)的繞組幅向上壓縮應(yīng)力，而外側(cè)繞組幅向受到拉伸應(yīng)力。

2.2.2 低電壓短路阻抗測試結(jié)果

分別測量高壓對中壓繞組、高壓對低壓繞組和中壓對低壓繞組的低電壓短路阻抗，測試結(jié)果如表4所示。

表4 低電壓短路阻抗測試結(jié)果%

由表4 可知，中壓對低壓繞組的短路阻抗初值差為3.12%，不滿足DL/T1093—2018[5]標準的要求：容量100 MVA及以下且電壓220 kV以下的電力變壓器繞組參數(shù)的相對變化率不應(yīng)大于±2%，由此判斷該主變中壓或低壓繞組存在變形。

2.2.3 頻率響應(yīng)測試結(jié)果

對該主變高壓、中壓和低壓繞組分別開展頻率響應(yīng)測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 繞組頻率響應(yīng)測試結(jié)果

由圖2可知，高壓繞組、中壓繞組相間頻率響應(yīng)曲線吻合度較高，低、中頻段波峰、波谷的頻率分布位置以及分布數(shù)量基本一致；而低壓繞組相間頻響曲線相差較大，波峰、波谷的頻率分布位置以及分布數(shù)量均存在差異，即三相繞組的幅頻響應(yīng)特性一致性較差。

結(jié)合繞組電容量、低電壓短路阻抗、頻率響應(yīng)測試結(jié)果，綜合判斷該主變低壓繞組存在明顯的內(nèi)凹變形。

2.3 解體檢查

對主變開展解體檢查解體，發(fā)現(xiàn)三相低壓繞組幅向均存在嚴重翹曲變形，軸向未見明顯變形，如圖3所示。

圖3 低壓繞組繞組變形

由圖3 可知，三相低壓繞組在部分撐條之間發(fā)生了內(nèi)凹變形，其變形形式如圖4所示。

圖4 繞組幅向變形形式

由圖4 可知，低壓繞組內(nèi)徑處安裝有撐條支撐，以提高繞組的幅向強度。低壓繞組位于最內(nèi)側(cè)，根據(jù)安培左手定則，受到幅向壓縮應(yīng)力，當短路電流超過某一值時，幅向壓縮應(yīng)力超過繞組臨界應(yīng)力值，繞組將在某一撐條間距內(nèi)所有線匝同時向內(nèi)凹陷，而在相鄰撐條間距內(nèi)，繞組將向外凸出。

3 結(jié)語

文中提出了基于繞組電容量分解法、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試的變壓器繞組變形綜合分析方法，并將該方法應(yīng)用于一起110 kV 變壓器繞組變形故障分析，診斷該主變低壓側(cè)發(fā)生了嚴重的內(nèi)凹變形，解體檢查結(jié)果驗證了綜合分析方法的準確性。