電力變壓器繞組故障診斷分析

湖南電科院檢測(cè)集團(tuán)有限公司 李 斌

隨著我國電力系統(tǒng)的逐漸完善，電網(wǎng)容量不斷提高的同時(shí)，對(duì)供電可靠性也提出了更高的要求。變電站是電網(wǎng)的重要組成部分，也是電能供應(yīng)和輸送的樞紐設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性有較大影響，變壓器與不同等級(jí)電網(wǎng)相連，一旦發(fā)生故障，極易引發(fā)重大電力事故，如：電壓波動(dòng)、設(shè)備損毀、大面積停電等，由此帶來嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響[1]。因此，需注重變電站日常運(yùn)維工作的開展，及時(shí)采用對(duì)應(yīng)的故障診斷方法和維修措施，這是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的一大重要前提，本文主要從電力變壓器繞組故障的角度出發(fā)展開分析。

1 電力變壓器繞組故障概述

電力變壓器實(shí)際運(yùn)行情況分析可得，故障類型較多，主要分為過熱故障、絕緣故障、機(jī)械故障等[2]；從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行劃分，包括繞組故障、鐵芯故障、附件故障等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析顯示，變壓力故障多數(shù)情況下并非過熱或是絕緣問題直接引發(fā)，而是由于機(jī)械缺陷產(chǎn)生過熱、絕緣故障。其中，繞組故障在機(jī)械缺陷中發(fā)生次數(shù)較多，對(duì)變電站安全運(yùn)行產(chǎn)生較大的威脅。

根據(jù)調(diào)查可得，變壓器出廠運(yùn)行和在線運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)受到電動(dòng)力和機(jī)械外力等因素的影響，繞組會(huì)發(fā)生不同程度的變形損壞。若結(jié)構(gòu)性損壞或運(yùn)行環(huán)境的異常等情況未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，變壓器持續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，則繞組的耐受沖擊能力逐漸下降，一旦外界出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生較小暫態(tài)沖擊電流，造成繞組的嚴(yán)重?fù)p傷且不可修復(fù)。因此可知，對(duì)變壓器內(nèi)外側(cè)進(jìn)行定期檢查、及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障，對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修十分重要，對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩檢查雖然可以發(fā)現(xiàn)外側(cè)繞組的異常狀態(tài)，但是不能準(zhǔn)確判斷內(nèi)測(cè)繞組的電氣狀態(tài)，不易發(fā)現(xiàn)水分侵入引發(fā)的絕緣損壞等問題。

對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)變壓器繞組無損故障診斷方法展開了大量的研究分析，如：1966年低壓脈沖法由波蘭人提出，隨后在英國、美國進(jìn)一步完善；1978年頻率響應(yīng)法首次被提出應(yīng)用于變壓器繞組故障診斷，直至目前為止已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的主要方法之一[3]。為有效提高繞組檢測(cè)精確性與可靠性，我國也展開了大量的研究，如：有學(xué)者提出采用掃頻阻抗曲線替代頻響曲線檢測(cè)變壓器繞組狀態(tài)，抗干擾能力較強(qiáng)，且對(duì)特定故障具有較高的靈敏度；有學(xué)者針對(duì)振動(dòng)信號(hào)在變壓器繞組故障診斷中的應(yīng)用展開分析。不同方法對(duì)變壓器繞組故障靈敏度存在差異，加強(qiáng)不同繞組故障診斷方法研究具有重要意義。

2 電力變壓器繞組故障診斷主要方法

電力變壓器運(yùn)行中，繞組作為重要組成部分，對(duì)其安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。下文主要介紹了幾種常見的電力變壓器繞組故障診斷方法。

2.1 短路阻抗法

短路阻抗法（Short-CircuitImpedance）由前蘇聯(lián)提出，測(cè)量對(duì)象為繞組短路阻抗值，通過分析此值的變化情況，判斷繞組是否存在形變、移位及匝間開路、短路等問題。該方法使用時(shí)間較久，已納入標(biāo)準(zhǔn)GB1094.5和IEC76.5中。各國短路阻抗值判斷標(biāo)準(zhǔn)存在差異，如：IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)前后短路阻抗值變化率在3%以上，可判斷為異常[4]；GB1094.5則是針對(duì)不同形式線圈的變壓器提出不同要求，主要在2%～7.5%之間。

該方法實(shí)際使用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大多采用伏安法，在正式測(cè)試前變壓器一側(cè)出線短接，但是必須預(yù)留充足的短接用導(dǎo)線截面積，對(duì)各出線的端子進(jìn)行檢查，確保接觸良好；變壓器另一側(cè)施加試驗(yàn)電壓，產(chǎn)生流經(jīng)阻抗的的電流，對(duì)阻抗上的電流、電壓參數(shù)進(jìn)行跟蹤記錄，而基波分量比值也就是變壓器短路阻抗。此方法測(cè)試程序、判斷過程較為簡單，且有良好重復(fù)性，對(duì)繞組變形評(píng)估可靠性高，但是此方法的試驗(yàn)條件較高，對(duì)繞組輕微變形不敏感。

2.2 低壓脈沖法

低壓脈沖法（LVI：Low Voltage Impulse）基本原理是將每個(gè)繞組當(dāng)作一個(gè)由線性的電阻、電感、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)，單端輸入/輸出[5]。經(jīng)由前后試驗(yàn)結(jié)果比較分析，判斷變壓器繞組是否存在變形問題。此方法目前已經(jīng)被列入了IEC、IEEE電力變壓器短路試驗(yàn)導(dǎo)則與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其檢測(cè)速度快、靈敏度高，但是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試面臨著抗電磁干擾能力弱的問題，且測(cè)試方法相對(duì)復(fù)雜，不同繞組部分對(duì)頻率響應(yīng)靈敏度存在一定差異，因此最終的測(cè)試結(jié)果判斷較難。

2.3 頻率響應(yīng)法

從低壓脈沖法發(fā)展而來的頻率響應(yīng)法（FRA：Frequency Response Analysis），克服了其存在的一些缺陷，目前在全球得到了廣泛應(yīng)用。此方法的基本原理是對(duì)變壓器各繞組的幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過對(duì)比分析，參照幅頻相應(yīng)特性判斷繞組變形情況[6]。對(duì)于變壓器繞組幅頻相應(yīng)特性，可通過頻率掃描方法獲得，如圖1所示，圖中L為單位長度電感量、K為單位長度電容量、C為單位長度對(duì)地電容量、U1為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓、U2為等效網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)端電壓、Us為正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓、RS為信號(hào)源輸出阻抗、R為匹配阻抗。

圖1 單相變壓器電氣原理圖

不斷變化外施正弦波激勵(lì)源US的頻率，對(duì)不同頻率下響應(yīng)端電壓U2與激勵(lì)端電壓U1的信號(hào)幅值之比進(jìn)行測(cè)量，由此獲取指定激勵(lì)端與響應(yīng)端情況下繞組幅頻響應(yīng)曲線。此方法的靈敏度高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)量重復(fù)性好，但是尚未能夠形成明、可量化的判斷依據(jù)，測(cè)試條件苛刻。

2.4 掃頻阻抗法

2009年掃頻阻抗法首次被提出，其結(jié)合了頻率響應(yīng)法與短路阻抗法，實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量同時(shí)獲取變壓器繞組短路阻抗—頻率特征曲線、頻響特征曲線。通過檢測(cè)結(jié)果的縱向、橫向?qū)Ρ?，分析曲線變化情況，可對(duì)繞組可能發(fā)生的變形進(jìn)行判斷[7]。此方法在低頻段時(shí)測(cè)試效果良好，抗干擾能力較強(qiáng)；進(jìn)入高頻段時(shí)，測(cè)試的靈敏度可達(dá)到頻率響應(yīng)分析法水平。

2.5 振動(dòng)法

變壓器振動(dòng)主要由繞組、鐵芯振動(dòng)引起，負(fù)載電流通過繞組時(shí)，在繞組周圍產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，基于負(fù)載電流與漏磁場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生電動(dòng)力，最終出現(xiàn)繞組振動(dòng)。在對(duì)繞組狀態(tài)進(jìn)行判斷時(shí)，需充分考慮負(fù)載電流對(duì)繞組振動(dòng)基頻幅值的影響。若繞組內(nèi)部發(fā)生的變形或其他結(jié)構(gòu)性損壞，負(fù)載電流不變，但是變形位置的漏磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，則引發(fā)了變壓器振動(dòng)信息的變化，因此需綜合診斷繞組機(jī)械狀態(tài)。

繞組振動(dòng)信號(hào)屬于是一個(gè)非線性、非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，包含豐富特征信息量，可采用小波包分析等非線性時(shí)頻分析法，具有良好的時(shí)頻定位特性、信號(hào)自適應(yīng)能力[8]。振動(dòng)法的特點(diǎn)在于與整個(gè)電力系統(tǒng)無電氣連接，因此不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，抗干擾能力強(qiáng)且靈敏度好，可對(duì)電力變壓器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。

3 實(shí)例探析

3.1 主變壓器故障情況

此次發(fā)生事故的是某220kV變電站2#主變壓器，2011年投入運(yùn)行，2015年8月23日下午2點(diǎn)2#變壓器重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，1s后壓力釋放閥動(dòng)作、發(fā)信，同時(shí)2#變壓器三側(cè)斷路器跳閘、輕瓦斯保護(hù)發(fā)出信號(hào)。根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化顯示，重瓦斯與輕瓦斯間隔3s。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)2#變壓器壓力釋放閥動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)由噴油現(xiàn)象。對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)瓦斯繼電器已動(dòng)作、輕瓦斯繼電器發(fā)出預(yù)警信號(hào)，在瓦斯保護(hù)設(shè)備的內(nèi)部也有殘留氣體。按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)定對(duì)殘留氣體開展燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣體不可燃。后提取瓦斯氣體以及變壓器油樣品進(jìn)行氣相色譜分析試驗(yàn)，內(nèi)容詳細(xì)如下：

變壓器油色譜分析。氣相色譜試驗(yàn)結(jié)果顯示，瓦斯氣樣中各組分體積分?jǐn)?shù)顯著高于變壓器油樣，尤其是乙炔體積分?jǐn)?shù)最大。根據(jù)三比值法分析，本次試驗(yàn)乙炔/乙烯、甲烷/氫氣、乙烯/乙烷三對(duì)比值對(duì)應(yīng)編碼為102，判斷變壓器的內(nèi)部發(fā)生高能放電情況。同時(shí)，因初次提取的氣樣中炔體積分?jǐn)?shù)高于油中乙炔，經(jīng)三次油色譜分析可知乙炔體積分?jǐn)?shù)逐漸增長，由此判斷變壓器內(nèi)部可能發(fā)生了突發(fā)性的高能量電弧放電故障。

變壓器三側(cè)直流電阻試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)顯示，故障后變壓器低壓側(cè)三相互差達(dá)100.4%，遠(yuǎn)超規(guī)程要求。對(duì)故障前（2014年）、后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，Rv、Rw近似相等，Ru明顯增大，同時(shí)，故障后Ruv=Rv，Rvw=Rw，Rvw=Ruv+Rvw，由此判斷低壓U相發(fā)生斷線故障。

短路阻抗試驗(yàn)。低電壓短路阻抗試驗(yàn)中，要求高對(duì)中、中對(duì)低、高對(duì)低的縱比、橫比誤差均在1%以內(nèi)，而規(guī)定要求在2%以內(nèi)。故障后，短路阻抗試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)超過上述規(guī)定，由此判斷U相繞組發(fā)生斷線故障。

錄波器波形分析。對(duì)220kV、10kV錄波器采集到的波形進(jìn)行分析，判斷2#變壓器高壓、中壓側(cè)電流狀態(tài)，波形如圖2所示。由圖2可知，在發(fā)生故障前高壓、中壓側(cè)三相電流的相位基本堆成，220kV側(cè)U相電流較V、W相略有升高，110kV側(cè)V相電流較V、W略有降低，由此判斷10kV側(cè)缺相運(yùn)行正常。因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部故障多是根據(jù)非電氣量的重瓦斯、電氣量的差動(dòng)保護(hù)配合實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同類型的故障其靈敏度也有所差異。本次故障發(fā)生前，電氣量無顯著變化，故障過程中變壓器重瓦斯、壓力釋放和輕瓦斯相繼動(dòng)作，由此判斷是變壓器內(nèi)部發(fā)生了突發(fā)性的短路。

圖2 高壓、中壓側(cè)電流波形

3.3 解體試驗(yàn)分析

2#變壓器返廠后，初步進(jìn)行吊罩檢查，未發(fā)現(xiàn)變壓器自身存在較大異常，隨后進(jìn)行進(jìn)一步的解體試驗(yàn)。經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)變電站第18匝繞組有灼燒痕跡，且繞線也有嚴(yán)重?fù)p壞。經(jīng)過詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)U相繞組未出現(xiàn)故障的區(qū)域有較多毛刺，會(huì)引發(fā)電場(chǎng)的變化，若電場(chǎng)強(qiáng)度較大，極易出現(xiàn)高能放電，導(dǎo)致絕緣受損，由此在該點(diǎn)位置出現(xiàn)股間短路，構(gòu)成短路環(huán)，最終導(dǎo)致繞組整匝熔斷。

3.4 改進(jìn)建議

經(jīng)過詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)2#主變壓器存在故障，其有載調(diào)壓開關(guān)支撐法蘭密封槽面有裂紋，測(cè)量得出裂紋長度達(dá)40cm，同時(shí)定位銷和開關(guān)蓋板也有不同程度的變形，曾發(fā)生沖撞。由此判斷是變壓器安裝操作失誤引發(fā)的問題。此外，對(duì)該變電站返修的其他變壓器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有2臺(tái)變壓器存在明顯缺損，1臺(tái)運(yùn)行過程中溫度過高，所以作為生產(chǎn)廠家必須對(duì)變壓器的材質(zhì)選擇和組裝等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管控。

綜上，繞組故障在電力變壓器故障中較為常見，相關(guān)診斷方法經(jīng)由多年發(fā)展也較為成熟，不同診斷方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如：短路阻抗法使用簡單，但是對(duì)中部的局部變形不靈敏；頻率響應(yīng)法靈敏性較好，但是對(duì)檢測(cè)人員專業(yè)性要求較高；掃頻阻抗法、振動(dòng)法目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，其可提供豐富的指標(biāo)參量，但還需通過仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證確定指標(biāo)的準(zhǔn)確性。上述檢測(cè)方法各有不同的適用場(chǎng)合，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，及時(shí)、準(zhǔn)備判斷故障原因，做好維修與總結(jié)分析。