電力變壓器繞組變形研究

劉洪亮，方波，周云高

(浙江寧波電業(yè)局，寧波 315000)

1 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)輸變電的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。大型電力變壓器價(jià)值昂貴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，可能導(dǎo)致局部或大面積停電，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來不良影響，因此降低變壓器運(yùn)行的故障率一直是變壓器故障診斷工作的重點(diǎn)。而在所有變壓器故障中，變壓器繞組損壞所引起的變壓器故障的故障率是最高的。根據(jù)統(tǒng)計(jì)變壓器每年由于繞組損壞引起的變壓器故障在所有變壓器損壞故障中占很大比率。因此，繞組損壞是變壓器事故的重點(diǎn)，而抗短路能力不足是造成變壓器損壞的主要原因之一。通常變壓器在遭受短路故障電流沖擊后，繞組可能發(fā)生局部變形，即使沒有立即損壞，也有可能留下嚴(yán)重的故障隱患。例如首先絕緣距離將發(fā)生改變，固體絕緣受到損傷后將導(dǎo)致局部放電發(fā)生，當(dāng)遇到雷電過電壓作用時(shí)便有可能發(fā)生匝間、餅間擊穿，導(dǎo)致突發(fā)性絕緣事故，甚至在正常運(yùn)行電壓下，因局部放電的長(zhǎng)期作用也可能引發(fā)絕緣擊穿事故。其次，繞組機(jī)械性能下降，當(dāng)再次遭受短路事故時(shí)，將可能承受不住巨大電動(dòng)力作用而發(fā)生損壞事故。

因此，研究變壓器繞組變形故障診斷技術(shù)對(duì)預(yù)防變壓器事故、降低變壓器故障率至關(guān)重要。

2 繞組變形原因

變壓器繞組變形是指電力變壓器繞組在電動(dòng)力或機(jī)械力的作用下發(fā)生的軸向或徑向尺寸變化，通常表現(xiàn)為繞組局部扭曲、鼓包或移位等特征。變壓器在遭受短路電流沖擊或在運(yùn)輸過程中遭受沖撞時(shí)，均有可能發(fā)生繞組變形現(xiàn)象，其中變壓器出口短路故障是造成變壓器繞組變形的主要原因。

根據(jù)電磁定律，磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體會(huì)受到電動(dòng)力的作用，因此當(dāng)變壓器繞組中通過電流時(shí)，由于電流與漏磁場(chǎng)的作用，繞組將受到電動(dòng)力作用，如圖1所示。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，繞組所受的電動(dòng)力較小。但當(dāng)變壓器出口發(fā)生短路故障時(shí)，變壓器繞組中將通過很大的短路電流，可能使繞組承受的電動(dòng)力超過其機(jī)械強(qiáng)度的耐受能力從而發(fā)生變形。

圖1 繞組變形所受電動(dòng)力分析

1)突發(fā)短路時(shí)主要由徑向電動(dòng)力引起的變形

由圖1可知，由于高低壓繞組的電流方向相反，作用在兩繞組上的徑向電動(dòng)力方向也相反，高壓繞組受到張力作用，低壓繞組受到壓力作用。變壓器出口短路時(shí)，高壓線圈受到的張力過大，導(dǎo)線被拉長(zhǎng)，線圈直徑擴(kuò)大，發(fā)生永久變形，導(dǎo)線的匝絕緣也同時(shí)被拉長(zhǎng)最后導(dǎo)致匝絕緣破裂，形成匝間短路，引起弧光燒毀線圈。

變壓器出口短路時(shí)，低壓線圈受到壓應(yīng)力過大，局部首先變形使線圈結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，從而發(fā)生局部曲翹變形。

2)突發(fā)短路時(shí)主要由軸向電動(dòng)力引起的損壞

由圖1可知，繞組受到軸向電動(dòng)力的作用，當(dāng)變壓器出口短路時(shí)，軸向過大的電動(dòng)力會(huì)使墊塊間的導(dǎo)線發(fā)生永久的軸向變形或使整個(gè)繞組發(fā)生軸向位移。

3)突發(fā)短路時(shí)由徑向和軸向電動(dòng)力同時(shí)作用引起的損壞

變壓器出口短路時(shí)，繞組同時(shí)受到徑向電動(dòng)力和軸向電動(dòng)力作用，在兩種力共同作用下所發(fā)生的繞組變形更加復(fù)雜如圖2所示，其具體變形情況要取決于變壓器的抗短路能力和短路電流的大小。

圖2 繞組受徑向電動(dòng)力和軸向電動(dòng)力共同作用產(chǎn)生的變形

3 繞組變形檢測(cè)方法

3.1 短路阻抗法

短路阻抗法是最早的變壓器繞組變形檢測(cè)方法，可以一定程度反映繞組變形的缺陷。通過測(cè)量電力變壓器繞組變形后的短路阻抗，與原始阻抗值進(jìn)行比較，根據(jù)其變化情況來判斷繞組是否變形以及變形的程度。變壓器繞組的短路阻抗由漏抗和繞組電阻組成，一般繞組電阻比漏抗小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而測(cè)量阻抗比測(cè)量漏抗更容易實(shí)現(xiàn)。

變壓器短路阻抗及其電感分量與繞組幾何尺寸及相對(duì)位置有關(guān)，通過在線監(jiān)測(cè)變壓器阻抗的變化即可分析繞組狀況。其接線原理圖由圖3所示。變壓器短路阻抗由繞組結(jié)構(gòu)及相對(duì)位置決定，繞組變形是否及變形大小可由短路阻抗值變化大小來判斷。

圖3 短路阻抗法測(cè)量接線示意圖

3.2 低壓脈沖法

當(dāng)頻率超過時(shí)，變壓器鐵芯基本不起作用。因此，可以將變壓器繞組看成一個(gè)由電阻、電容和電感等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性二端口網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于電力變壓器繞組的電阻很小，可以近似忽略。其等效電路如圖4所示。

圖4 繞組等效圖

低壓脈沖法最早是由波蘭人提出的。理是在變壓器繞組的一端施加穩(wěn)定的低壓脈沖信號(hào)，并同時(shí)記錄下該端和對(duì)端的電壓波形，通過對(duì)時(shí)域中激勵(lì)和響應(yīng)的比較，可以對(duì)繞組是否變形做出比較準(zhǔn)確的判斷。當(dāng)變壓器繞組變形時(shí)，其相應(yīng)的繞組段的電感和電容等分布參數(shù)將發(fā)生改變，在繞組的一端施加輸入激勵(lì)時(shí)，對(duì)端的輸出響應(yīng)將發(fā)生變化。

低壓脈沖法已被列入IEC和IEEE電力變壓器短路實(shí)驗(yàn)導(dǎo)則和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。但該法運(yùn)用在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，容易受到現(xiàn)場(chǎng)各種電磁波的干擾，波形的可重復(fù)性較差，同時(shí)，低壓脈沖法對(duì)繞組首端的變形反應(yīng)不敏感，不能判斷繞組變形的位置。

3.3 頻率響應(yīng)法

頻率響應(yīng)法正成為一個(gè)日益流行的用于外部監(jiān)測(cè)和評(píng)估變壓器繞組運(yùn)行狀況和機(jī)械完整性的技術(shù)。此技術(shù)依賴于頻率變化推測(cè)和計(jì)算變壓器繞組狀態(tài)。當(dāng)變壓器繞組發(fā)生短路、開路、變形或松散時(shí)，分布電感和電容等繞組參數(shù)發(fā)生變化。FRA正是通過在變壓器繞組的一次側(cè)添加低壓脈沖，同時(shí)測(cè)試同一繞組的二次側(cè)輸出電壓的原理來進(jìn)行分析的。通過輸出電壓與輸入電壓的比例傳遞函數(shù)繪制出頻響特性曲線。FRA技術(shù)，無需打開變壓器，就能對(duì)變壓器繞組狀態(tài)進(jìn)行檢查。從而幫助維護(hù)人員查明可能損壞的變壓器，保證將變壓器在未發(fā)生事故之前退出電網(wǎng)運(yùn)行。它是一種可靠性高、可重復(fù)性好的檢測(cè)變壓器繞組變形的方法。

FRA從問世以來，就得到了國(guó)內(nèi)外大量工作者的廣泛關(guān)注。目前在歐洲各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，成為檢測(cè)變壓器繞組變形的主要方法。我國(guó)在變壓器繞組變形診斷技術(shù)方面的研究起步較晚，自1990年以來，由北京電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所、西安交通大學(xué)對(duì)FRA進(jìn)行了嘗試，取得了一定的成效。后來電力系統(tǒng)各單位和變壓器生產(chǎn)廠家也都用FRA進(jìn)行了普測(cè)，積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，并多次及時(shí)檢測(cè)出了繞組變形故障，避免了重大事故的發(fā)生。目前，武高所、電力科學(xué)研究院和華北電科院都自行研制了變壓器繞組變形測(cè)試設(shè)備，并在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，取得了很好的效果。

目前，頻率響應(yīng)測(cè)試主要使用兩種不同的測(cè)試方法，即:脈沖頻率響應(yīng)分析法和掃描頻率響應(yīng)分析法。南非國(guó)家電力局ESKOM公司進(jìn)行過一項(xiàng)研究對(duì)以上兩種方法進(jìn)行了比較［21］，研究使用 20MVA，66/11kV變壓器做了對(duì)比試驗(yàn)，在測(cè)試儀與變壓器正確連接的情況下，兩套試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出非常密切的一致性。南非的Stellenbosch大學(xué)使用16kVA，11kV/400V的單相變壓器做了進(jìn)一步的對(duì)比試驗(yàn)，兩種方法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果基本相同。

但應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然這兩種方法的頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果是相同的，但是這兩種方法卻是使用完全不同的測(cè)試技術(shù)來對(duì)頻率響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的計(jì)算。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)主要使用SFRA，在2004年12月14日正式由國(guó)家發(fā)改委頒布電力行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DL/T911－2004，并于2005年6月1日正式實(shí)施。由于我國(guó)主要使用這一種方法，因此在我國(guó)FRA通常是指SFRA。

關(guān)于SFRA的基本原理，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定，在此不再贅述。但是正是由于SFRA本身的的測(cè)試限制(采用正弦波信號(hào)掃描，掃描測(cè)試范圍1kHz～1MHz，掃描間隔小于2kHz，分若干頻段分別測(cè)試)，使得SFRA測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試速度慢，要產(chǎn)生頻率響應(yīng)波形大約需要2小時(shí)左右，這使得這項(xiàng)技術(shù)更適合于在實(shí)驗(yàn)室受約束的環(huán)境中進(jìn)行。而IFRA技術(shù)的本質(zhì)決定了IFRA測(cè)試速度很快，在很短的時(shí)間里就可以生成頻率響應(yīng)軌跡。這使得這項(xiàng)技術(shù)在不同的應(yīng)用條件下都可以得出理想的測(cè)試結(jié)果，比如，惡劣的天氣狀況、間歇高頻率的噪音污染以及需要限制測(cè)試時(shí)間的條件。

實(shí)際上，IFRA用于變壓器繞組變形測(cè)試在美國(guó)和歐洲得到廣泛的應(yīng)用已接近十年，但應(yīng)用這一技術(shù)制造出的成型設(shè)備卻很少。實(shí)際上，IFRA測(cè)試?yán)@組變形的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，由此國(guó)內(nèi)近幾年也開始了基于IFRA的繞組變形測(cè)試系統(tǒng)研究。

4 幾種檢測(cè)方法的比較

短路阻抗作為變壓器重要參數(shù)，不但在變壓器投入運(yùn)行前要測(cè)量，而且在運(yùn)行過程中也要定期或不定期的測(cè)量。作為監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀態(tài)的重要手段之一。該方法測(cè)試程序較簡(jiǎn)單，有確定的判斷標(biāo)準(zhǔn)，和國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了較為可行的建議性判據(jù)，但是由于試驗(yàn)電源容量大、試驗(yàn)設(shè)備沉重、試驗(yàn)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)等因素影響，短路阻抗法在現(xiàn)場(chǎng)使用中受到了限制。

低壓脈沖法在試驗(yàn)測(cè)試過程中，測(cè)量方法較為復(fù)雜，兩次測(cè)量時(shí)間間隔較長(zhǎng)，抗電磁干擾影響能力很差，且對(duì)繞組首端部位的變形響應(yīng)不靈敏，很難判定繞組變形的位置，而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境中電磁干擾相當(dāng)大，屏蔽測(cè)試系統(tǒng)將會(huì)帶來很大困難，再加上儀器笨重，測(cè)試電壓很高，因此未受到廣泛關(guān)注和推廣。

頻率響應(yīng)法因其檢測(cè)靈敏度高、設(shè)備輕便、適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但由于頻率特性受干擾因素很多，其診斷的不確定性還相當(dāng)明顯，使用方法不當(dāng)會(huì)使結(jié)果嚴(yán)重失真。

5 結(jié)論

闡述了變壓器繞組變形產(chǎn)生原因，對(duì)常用的短路阻抗法、低壓脈沖法和頻率響應(yīng)法進(jìn)行了介紹，分析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

［1］ 吳亞東.變壓器繞組變形測(cè)試診斷技術(shù)研究及開發(fā)［D］.武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［2］ 曹永剛.電力變壓器狀態(tài)分析與維修策略的研究［D］.河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［3］ 許靖，王晶，高峰，束洪春.電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000(8).

［4］ 劉連睿，邵長(zhǎng)順，董鳳宇.繞組變形測(cè)試系統(tǒng)［J］.中國(guó)電力，1994(3).