綜合高壓與油化試驗的變壓器典型缺陷判定方法研究及應用

李 波 胡依林 李 糾 王 慧 馬殿旭

（1、昭通學院，云南 昭通 657000 2、宜賓學院，四川 宜賓 644007 3、云南電網(wǎng)有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備之一。變壓器結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部缺陷原因及缺陷位置判定一直是現(xiàn)場運檢的難點。近幾年來，國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員對如何快速準確判斷變壓器故障類型和故障位置進行了進行了大量的研究并得到了一定成果。文獻[1-2]對深入研究電力變壓器高壓試驗中的各項問題和關(guān)鍵技術(shù), 提出針對性解決措施；文獻[3-4]闡述電力變壓器通過高壓試驗進行故障診斷方法,包括繞組直流電阻測量、絕緣電阻測量與泄漏電流及交流耐壓試驗、局部放電測量等技術(shù)。文獻[5]對短路沖擊下的變壓器箱體振動與沖擊電流的耦合關(guān)系進行了探討。文獻[6]針對220 kV 啟動備用電壓器油氫氣、總烴及乙炔超標現(xiàn)象進行原因分析。文獻[7]對如何有效、準確地評估電力變壓器當前運行狀態(tài), 追蹤其狀態(tài)劣化過程, 有效實現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)維修管理的重要條件。文獻[8-9]通過電氣高壓試驗和設(shè)備內(nèi)絕緣油的色譜分析或簡化分析。文獻[10]對電氣試驗的技術(shù)要求、試驗結(jié)果技術(shù)參數(shù)做了系統(tǒng)的規(guī)范。

根據(jù)上述分析可以看出，對變壓器典型缺陷判定研究主要是從單一的高壓試驗結(jié)果或者油化試試驗的方法等方面進行分析，將工程實踐深化為方法論上的工作還有待進一步研究。因此本文在上述背景下本文理論與工程實踐結(jié)合，提出綜合高壓與油化試驗的變壓器典型缺陷判定研究方法。主要從高壓試驗、油化試驗的數(shù)據(jù)分析，判斷出缺陷類型和部位；再根據(jù)變壓器拆解的結(jié)果驗證該方法的可行性；最后根據(jù)試驗情況對變壓器運檢提出建議以提高現(xiàn)場缺陷判定能力。

1 變壓器高壓試驗

變壓器高壓實驗變壓器高壓試驗有數(shù)十個試驗類別，顯然在工程現(xiàn)場缺陷定位的過程中無法將所有的高壓試驗均開展。本文根據(jù)長期的運維經(jīng)驗以及電氣相關(guān)理論，結(jié)合缺陷定位的目的，主要開展絕緣電阻測試、高低壓側(cè)直流電阻測試、介質(zhì)損耗測試、分接開關(guān)測試波形測試，再與變壓器絕緣油相應油化試驗結(jié)合，即可完成缺陷判斷和定位。

1.1 絕緣電阻測試試驗

測量絕緣電阻也是變壓器試驗中一個重要項目，對檢查變壓器整體的絕緣情況具有較高的靈敏度，能有效的檢查出變壓器導電部分影響絕緣的異物，絕緣局部或整體受潮和臟污，絕緣油嚴重劣化，絕緣擊穿和嚴重熱老化等缺陷，其原理圖如圖1。

圖1 絕緣電阻測試原理圖（以高壓側(cè)為例）

1.2 直流電阻測試試驗

電力變壓器繞組可以等效為一個電感值很大的電感L 和一個小阻值電阻R 的串聯(lián)，各種測量方法都是以這一模型為基礎(chǔ)。當有一個直流電壓加在電力變壓器繞組兩端時，由于上述大電感的存在，使得繞組中流過的電流不能突變。其等效電路圖和電流變化圖如圖2、3 所示。

圖2 試驗等效電路圖

圖3 電流隨時間變化曲線

閉合開關(guān)S 后，被測繞組中的電流為

由式（1）可知，當t 時電路達到穩(wěn)態(tài)，測量被測繞組兩端的電壓U 和流過被測繞組的電流I，由歐姆定律可得到繞組的直流電阻R。

1.3 介質(zhì)損耗測試試驗

測量介質(zhì)損耗的目的是判斷電氣設(shè)備的絕緣狀況。測量介質(zhì)損耗因數(shù)在預防性試驗中是不可缺少的項目。因為電氣設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)太大，會使設(shè)備絕緣在交流電壓作用下，許多能量以熱的形式損耗，產(chǎn)生的熱量將升高電氣設(shè)備絕緣的溫度，使絕緣老化，甚至造成絕緣熱擊穿。絕緣能力的下降直接反映為介質(zhì)損耗因數(shù)的增大。所以，在出廠試驗時要進行介質(zhì)損耗的試驗，運行中的電氣設(shè)備亦要進行此種試驗。

1.4 分接開關(guān)測試波形

上述傳統(tǒng)的預防性試驗主要只能測量變壓器在分接切換完之后的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，但是有載調(diào)壓分接頭調(diào)壓過程中存在過渡過程，有載分接開關(guān)過渡過程中的機械特性的內(nèi)容部缺陷存時有發(fā)生，上述傳統(tǒng)方法卻無法監(jiān)視。而通過有載分接開關(guān)直流波形測試得到分接開關(guān)的切換時間、過渡波形、過渡電阻和三相同期等參數(shù)。

2 變壓器絕緣油油化試驗

變壓器絕緣油油化試驗亦有數(shù)十個試驗類別，主要檢驗項目有外觀、水溶性酸、酸值、閉口閃點、介質(zhì)損耗因數(shù)、微量水分、絕緣強度、體積電阻率、油中溶解氣體分析等。如果使用在超高壓上的油還要做含氣量試驗。

本文根據(jù)長期的運維經(jīng)驗以及電氣相關(guān)理論，結(jié)合缺陷定位的目的，主要開展油中溶解氣體分析，與高壓試驗項目結(jié)合進行故障分析。

變壓器絕緣油中溶解氣體分析是指電力變壓器在正常運行過程中受到熱、電和機械方面力的作用下逐漸老化，產(chǎn)生某些可燃性氣體，當變壓器存在潛伏性故障時，其氣體產(chǎn)生量和氣體產(chǎn)生速率將逐漸明顯，人們?nèi)∽儔浩饔蜆邮褂脷庀嗌V方法獲得油中溶解的特征氣體濃度后，就可以對變壓器的故障情況進行分析。

3 案例分析

某35kV 變電站35kV 主變發(fā)生重瓦斯保護動作跳閘，事故發(fā)時該變變壓器處于運行狀態(tài)，跳閘時當?shù)貙購娎子晏鞖?。根?jù)本文提出的綜合高壓與油化試驗的變壓器典型缺陷判定方法，修試人員對變壓器開展相應高壓試驗和變壓器油油化試驗。

3.1 綜合高壓與油化試驗的主變試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)如下：

3.1.1 絕緣電阻測試（MΩ）（表1）。

表1 絕緣電阻測試試驗數(shù)據(jù)

3.1.2 高壓側(cè)直流電阻測試（MΩ）（表2）。

表2 高壓側(cè)直流電阻測試試驗數(shù)據(jù)

3.1.3 低壓側(cè)直流電阻測試（mΩ）（表3）。

表3 低壓側(cè)直流電阻測試試驗數(shù)據(jù)

3.1.4 介質(zhì)損耗測試（表4）。

表4 介質(zhì)損耗測試試驗數(shù)據(jù)

3.1.5 油化實驗。

油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)

3.2 故障分析

3.2.1 高壓試驗數(shù)據(jù)分析：根據(jù)文獻[10]關(guān)于直流電阻試驗數(shù)據(jù)的規(guī)定：①1600kVA 以上變壓器，各相繞組電阻相互間的差別（又稱相間差）不應大于三相平均值的2%；無中性點引出的繞組直流電阻，線間差別不應大于三相平均值的1%。②1600kVA 及以下的變壓器，相間差別一般不應大于三相平均值的4%，線間差別一般不應大于三相平均值的2%。③與以前相同部位測得值比較，其變化不應大于2%。?？膳袛嘀绷麟娮钄?shù)據(jù)該變壓器直流電阻數(shù)據(jù)均異常。

3.2.2 油色譜試驗數(shù)據(jù)分析：根據(jù)文獻[10]關(guān)于油中含氣量的規(guī)定可看出該變壓器油中各類氣體含量超標，可根據(jù)“三比值”法判斷出現(xiàn)此類情況的具體原因。

3.3 故障原因

根據(jù)文獻[10]可知，低壓側(cè)直流電阻及絕緣電阻合格，高壓側(cè)星形接線方式，從表2 中測試結(jié)果看出，高壓側(cè)1-6 檔各項繞組電阻相互間差別大于2%，且與歷史數(shù)據(jù)相比變化率也大于2%，判斷直流電阻不合格；從分接開關(guān)波形圖中可看出分接開關(guān)波形正常，判斷分接開關(guān)接觸電阻，各觸點均無問題，初步判斷該變壓器存在繞組斷股情況。

又根據(jù)油化試驗數(shù)據(jù)分析，該變壓器油中總烴，乙炔均大于規(guī)程規(guī)定值，通過“三比值”發(fā)計算出編碼為“1、0、0”，存在電弧放點，表明存在繞組層間、匝間短路，相間閃絡(luò)或引線對外殼放電，分接開關(guān)飛弧等缺陷。

綜合上述：綜合高壓與油化試驗的變壓器典型缺陷判定方法，該變壓器因雷擊過電壓引起繞組層間或匝間短路后電弧放電，出現(xiàn)繞組出現(xiàn)斷股造成直流電阻偏大。

3.4 故障具體位置

圖4 壓器繞組及分接開關(guān)連接方式

當分接開關(guān)處于不同檔位時，所測繞組直流電阻如下：

1 檔（A2-A3）=2+3+4+5+6+7+8+9;

2 檔（A3-A4）=3+4+5+6+7+8+9;

3 檔（A4-A5）=4+5+6+7+8+9;

4 檔（A3-A4）=5+6+7+8+9;

5 檔（A3-A4）=6+7+8+9;

6 檔（A3-A4）=7+8+9;

7 檔（A3-A4）=8+9;

故障點原因分析：

（1）由直流電阻測試數(shù)據(jù)中可以看出，該變壓器7 個檔位中只有7 檔直流電阻數(shù)據(jù)無異常，說明A8-A9 之間的繞組無異常，故障點出現(xiàn)在A2-A7 之間的繞組；

（2）其余六個檔位直流電阻均不正常，且六個檔位和歷史數(shù)據(jù)相比是有規(guī)律的增加的6 毫歐左右，說明故障點可能只出現(xiàn)在A2-A7 之間的某個繞組上；

（3）從上述檔位計算中可看出，1-6 檔直流電阻均有問題，故障點只可能出現(xiàn)在A7 與A9 之間的繞組。

3.5 變壓器拆解結(jié)果驗證

在更換35kV 屏橋邊35kV2 號主變后，將該主變解體后發(fā)現(xiàn)該變壓器繞組A 相發(fā)生相間短路出現(xiàn)斷股，A 相繞組絕緣損壞，有明顯灼燒痕跡。如圖5 所示。

圖5 中看出，該變壓器發(fā)生匝間短路，高溫將繞組絕緣損壞，繞組出現(xiàn)斷股，且經(jīng)現(xiàn)場分析，斷股A7 與A9 之間的繞組，與上述試驗數(shù)據(jù)反映出的結(jié)論吻合。

圖5 變壓器拆解圖

4 結(jié)論

本文首先介紹了當前何快速準確判斷變壓器故障類型和故障位置取得的研究，提出了提出綜合高壓與油化試驗的變壓器典型缺陷判定研究方法，對該方法中需要開展的高壓試驗項目、變壓器絕緣油油化試驗項目進行了系統(tǒng)的闡述，通過具體變壓器故障案例，采用本文提出的綜合高壓與油化試驗數(shù)據(jù)，準確的判斷出缺陷類型和部位；再根據(jù)變壓器拆解的結(jié)果驗證該方法的可行性。該缺陷判定方法具備一定的普適性，在相關(guān)工程人員在變壓器缺陷判斷的過程中具有一定的指導作用。