變壓器繞組變形綜合診斷與分析

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(德陽供電公司，四川 德陽 618000)

1 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的組件，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著重大的作用。變壓器在運(yùn)行過程中，其繞組難免會(huì)承受各種各樣電動(dòng)力的作用，尤其是遭受突發(fā)性短路故障電流沖擊時(shí)，流經(jīng)繞組的短路電流將會(huì)在繞組周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)，在線圈電流和漏磁場(chǎng)的作用下，繞組線圈將受到強(qiáng)大的電動(dòng)力作用[1]，從而引起變壓器繞組產(chǎn)生或大或小的鼓包、扭曲、移位或匝間、餅間短路等變形。發(fā)生繞組變形后，有的會(huì)立即發(fā)生損壞事故，而更多的會(huì)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短取決去繞組變形的程度大小。此時(shí)的變壓器屬于“帶病”運(yùn)行，存在重大安全隱患[2]。

診斷變壓器繞組變形的常用方法有電容量法、頻響法和短路阻抗法。實(shí)踐表明，繞組變形診斷是一項(xiàng)綜合性試驗(yàn)技術(shù)。本文將電容量法、頻響法和短路阻抗法結(jié)合在一起，對(duì)一臺(tái)110kV變壓器進(jìn)行分析，三種方法相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，從而對(duì)故障進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，提高了變壓器繞組變形的診斷效率和準(zhǔn)確性。

2 繞組變形診斷方法

2.1 低電壓短路阻抗法

變壓器的短路阻抗是當(dāng)變壓器的負(fù)荷阻抗為零時(shí)變壓器內(nèi)部的等效阻抗。當(dāng)變壓器二次側(cè)短路時(shí)，其等效阻抗值一般等于短路電抗分量，也就是繞組的漏電抗；漏電抗是繞組和繞組之間、繞組內(nèi)部、繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映[3]。變壓器的漏電抗值是由繞組的幾何尺寸及相互位置所決定的[4]，變壓器繞組結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢(shì)必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變。

當(dāng)運(yùn)行中的變壓器遭受到了短路電流的沖擊，可將試驗(yàn)測(cè)到的短路阻抗值與銘牌進(jìn)行比較來判斷其繞組是否變形。根據(jù)DL/T 1093-2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則》相對(duì)變化不超過±2% ( 220 kV 以上變壓器為±1.6%)。如果需要進(jìn)一步檢查每相的短路阻抗，還應(yīng)進(jìn)行相間比較，根據(jù)DL/T 1093-2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則》相間相對(duì)變化不超過2.5% ( 220 kV 以上變壓器為2.0%)。

2.2 電容量法

繞組電容與繞組相對(duì)位置、尺寸及絕緣介質(zhì)相關(guān)，繞組的等值電容量直接反映出了各繞組間、繞組對(duì)鐵心、繞組對(duì)箱體及地的相對(duì)位置和繞組的自身結(jié)構(gòu)等[5]。變壓器投運(yùn)前，各繞組的電容量是確定的，在正常運(yùn)行情況下，繞組的徑向幾何電容量是不變或變化很小的。當(dāng)變壓器遭受短路電流的沖擊時(shí)，繞組間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)變壓器繞組發(fā)生嚴(yán)重變形時(shí)，其電容量變化就比較明顯。

三繞組變壓器繞組電容等效電路圖如圖 1 所示。通過5次接線測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)列方程組可以解出圖1中的5個(gè)電容值。通常測(cè)試的繞組電容量為高對(duì)中、低及地CX1，中對(duì)高、低及地CX2，低對(duì)高、中及地CX3，高、中、低對(duì)地CX4，高、中對(duì)低及地CX5。通過列方程組可得出C1～C3、C12、C13如式(1) ～ (5)，進(jìn)而分析判斷變壓器繞組變形情況。

圖1 三繞組變壓器繞組電容等效電路圖

C1=(CX5+CX1-CX2)/2

(1)

C2=(CX4-CX3-CX1+CX2)/2

(2)

C3=(CX4+CX3-CX5)/2

(3)

C12=(CX1+CX2-CX5)/2

(4)

C23=(CX3+CX5-CX4)/2

(5)

變壓器繞組電容量變化量在5%以下，則該變壓器繞組狀況良好；若電容量變化量在10%左右，則變壓器繞組可能發(fā)生中度偏輕的變形；若電容量變化量超過15%，則變壓器繞組可能發(fā)生了嚴(yán)重變形[6]。

2.3 頻率響應(yīng)法

一個(gè)完整的變壓器繞組等效電路可以等效成為一個(gè)無源線性二端口網(wǎng)絡(luò)[7]，如圖2所示。圖中的L、K、C分別表示繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、縱向電容和對(duì)地電容。一旦變壓器的結(jié)構(gòu)確定后，該網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)也就被唯一確定，可以通過傳遞函數(shù)H(jω)來對(duì)變壓器特性進(jìn)行描述。如果變壓器繞組發(fā)生變形后，其等效網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)部分的參數(shù)必然改變，其傳遞函數(shù)H(jω)發(fā)生改變，相應(yīng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。

圖2 變壓器繞組等值網(wǎng)絡(luò)圖

采用頻率響應(yīng)法診斷繞組變形，主要是通過繞組的頻響特性進(jìn)行縱向或橫向比較。縱向比較是對(duì)同一臺(tái)變壓器的同一相測(cè)試前后圖譜進(jìn)行比較，該方法要求具有歷史圖譜；橫向比較是對(duì)同一臺(tái)變壓器三相的圖譜進(jìn)行比較，該方法不需要?dú)v史圖譜，在現(xiàn)場(chǎng)大量的使用。

正常的頻響圖圖譜特征信息豐富，包含多個(gè)明顯的波峰和波谷，經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，波峰和波谷的分布位置及數(shù)量的變化是分析繞組變形的重要依據(jù)[8]。因此，通過分析波峰和波谷所在頻段的位置移動(dòng)情況，可以在某種程度上知道繞組的變形情況。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，能夠直觀的反應(yīng)出變壓器繞組幅頻響應(yīng)特性的變化，通常可作為判斷變壓器繞組變形的輔助手段，用相關(guān)系數(shù)R輔助判斷變壓器繞組變形的方法見表1[9]。

表1 相關(guān)系數(shù)R與變壓器繞組變形的關(guān)系

注：RLF為曲線在低頻段(1～100kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù);

RMF為曲線在中頻段(100～600kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù);

RHF為曲線在高頻段(600～1000kHz)的相關(guān)系數(shù)。

3 案列分析

某變電站1號(hào)主變，型號(hào)為 SFSZ10-50000/110，額定電壓：(110±8×1.25%)/(38.5±2×2.5%)/10.5kV，額定電流：262.4/749.8/2749.3A。進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)繞組電容量與出廠及交接試驗(yàn)記錄相比嚴(yán)重異常，短路阻抗值與銘牌值相比也嚴(yán)重異常，而且繞組的頻響曲線也發(fā)生了異常，其他常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)得的數(shù)據(jù)與出廠及交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較均差別不大。

對(duì)繞組電容量進(jìn)行了測(cè)試，出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)和本次試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計(jì)算后的電容量如表3所示。

表2 出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)和本次試驗(yàn)電容量測(cè)試值

表3 各繞組電容量的計(jì)算值

從表3計(jì)算出各繞組的電容量可以直觀的看出，中壓繞組與低壓繞組之間的電容量增加了32.44% ，變化最大，高壓繞組與中壓繞組之間電容量小幅度降低，減小了4.25%，低壓繞組對(duì)地的電容量增加了2.2%，說明了中壓繞組在電動(dòng)力作用下向鐵心收縮，導(dǎo)致中壓繞組與低壓繞組間的距離大幅度減小，高中壓繞組之間的距離小幅增大。

短路阻抗試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量采用單相低電壓短路阻抗，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 短路阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，高壓繞組對(duì)低壓繞組短路阻抗的偏差為2.48%，變化不太明顯，高壓繞組對(duì)中壓繞組短路阻抗增加了4.1%，說明高壓對(duì)中壓的漏電抗增加，即高壓與中壓的漏磁通增加，高中壓繞組之間的距離增大，中壓繞組對(duì)低壓繞組短路阻抗減小了7.14%，說明中壓對(duì)低壓的漏電抗減小，即中壓與低壓的漏磁通減小，中低壓繞組之間的距離減小。

繞組單相電抗值的橫向比較如表5所示。

表5 繞組單相電抗值的橫向比較

從表5繞組單相電抗值的橫向比較數(shù)據(jù)可看出，中壓對(duì)低壓時(shí)相間偏差最大，其中A相的電抗值與其余兩相偏差較大，因此可以初步判斷A相繞組可能發(fā)生嚴(yán)重變形。

利用頻響法對(duì)變壓器繞組進(jìn)行測(cè)試，由于高、低壓繞組頻響曲線相似度較高，這里主要對(duì)中壓繞組進(jìn)行分析，中壓繞組的頻響曲線如圖 3 所示。由于該變壓器沒有歷史頻響圖譜，所以只利用橫向比較法進(jìn)行分析，圖中編號(hào)1的曲線為A相，編號(hào)2的曲線為B相，編號(hào)3的曲線為C相。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表6所示，表中R21表示AB兩相的相關(guān)系數(shù)，R31表示AC兩相的相關(guān)系數(shù)，R32表示BC兩相的相關(guān)系數(shù)。

圖3 中壓繞組頻響曲線

從圖3可以看出，在中頻段三條曲線一致性很差，峰值和頻率變化較大，A相曲線的諧振峰值點(diǎn)向低頻方向偏移，并且伴隨峰值點(diǎn)不同程度上升的波峰和波谷發(fā)生明顯變化， 則可以初步判斷該變壓器A相繞組可能發(fā)生局部變形現(xiàn)象。

表6 中壓繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

綜合電容量法、頻響法和短路阻抗法的試驗(yàn)分析，可以推斷出此臺(tái)變壓器的中壓A相繞組發(fā)生局部變形。于是決定將該主變返廠修理。解體檢查發(fā)現(xiàn)中壓A相繞組確實(shí)發(fā)生了鼓包，并且絕緣破損，如圖4所

圖4 中壓A相繞組變形情況

示。由于該變壓器繞組還有一層漆包線，致使油化試驗(yàn)和電氣試驗(yàn)的其他項(xiàng)目都是合格的，并且運(yùn)行至預(yù)試。

4 結(jié)論

變壓器繞組變形診斷方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電容量法可以測(cè)出變壓器電容量的變化，經(jīng)過換算可以得出變壓器各繞組之間的電容量，通過與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比可以分析出各個(gè)繞組之間的變化趨勢(shì)；短路阻抗法可以測(cè)出變壓器繞組間漏磁通的變化，進(jìn)而與銘牌比較判斷出繞組間的變化趨勢(shì)，因此短路阻抗法對(duì)銘牌數(shù)據(jù)的真實(shí)性要求較高；頻響法可以用來檢驗(yàn)前兩種方法的正確性，如果變壓器繞組發(fā)生變形，則頻響法的分析結(jié)果一定是發(fā)生了變形，如果頻響法的分析結(jié)果顯示變壓器繞組發(fā)生變形，則變壓器不一定是發(fā)生了變形，因此頻響法作為輔助手段。所以，只采用單一方法很難準(zhǔn)確判斷繞組變形情況，應(yīng)該把三種方法相互補(bǔ)充，并結(jié)合其他的電氣試驗(yàn)項(xiàng)目、變壓器的結(jié)構(gòu)、油化試驗(yàn)以及電壓器的運(yùn)行工況等因素進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，提高變壓器繞組變形的診斷效率和準(zhǔn)確性。

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