變壓器繞組變形綜合分析判斷與論證

史玉清，楊紅偉，矣宗林，楊凱越，陳云浩

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱 665000； 3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

0 前言

變壓器是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的核心設(shè)備之一，其健康狀態(tài)決定供電可靠性。由于近年來電網(wǎng)規(guī)模不斷增加，系統(tǒng)短路電流不斷升高，變壓器短路損壞問題日益嚴(yán)重。某電網(wǎng)公司在變壓器抗短路能力不足專項治理工作中明確提出：其一針對運行10年及以上110 kV-500 kV應(yīng)開展低壓短路阻抗法和頻率響應(yīng)法試驗，試驗結(jié)果與出廠值對比應(yīng)無明顯變化；其二變壓器遭受外界短路沖擊跳閘后，應(yīng)做低壓短路阻抗法和頻率響應(yīng)法試驗，試驗結(jié)論滿足國標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，方可投入運行。

低電壓短路阻抗法在DL/T 1093-2018《變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導(dǎo)則》中已列出測試方法和判定標(biāo)準(zhǔn)[2]，該方法較為成熟，試驗過程干擾因素少，判定標(biāo)準(zhǔn)明確?？筛鳒y試結(jié)果很難進行關(guān)聯(lián)性分析，加上一些測試結(jié)果無法檢驗其準(zhǔn)確性，影響最終的判斷[3]。因此，本文將變壓器繞組對地電容量、繞組短路阻抗測試值與出廠值進行對比分析，得出高、中、低三側(cè)繞組變形方向與變壓器繞組對地電容量、繞組短路阻抗之間的定性關(guān)系。針對一起220 kV變壓器電容量和短路阻抗試驗結(jié)果判定繞組變形情況，決定將該變壓器返廠解體，證實了電容量和短路阻抗試驗綜合診斷分析的準(zhǔn)確性。

1 理論分析

1.1 變壓器繞組電容量理論分析

變壓器繞組對地電容量計算公式如（1）[5]：

式中：CWW—變壓器繞組電容量，pF；

εwe—繞組間油紙絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)；

H—繞組的軸向電抗高度，mm；

Rw1—內(nèi)繞組的外半徑，mm；

Rw2—外繞組的內(nèi)半徑，mm。

由式（1）可知：變壓器絕緣油成分分析和檢測分析試驗結(jié)果合格時，εwe可確定其為一般常數(shù)。H、Rw1和Rw2與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)，出廠時已確定，若變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，H、Rw1和Rw2與出廠時保持一致，變壓器繞組對地電容量與出廠值對比，在合格范圍內(nèi)。因此，當(dāng)變壓器各繞組變形到一定程度時，便可測試各繞組對地電容量，判斷繞組的健康狀態(tài)[6]。

為進一步研究各繞組電容量試驗，三繞組變壓器電容量等效電路圖，如圖1所示。

圖1 三繞組變壓器各繞組等值電容分布模型

其中高對中、低及地的電容量計算公式如（2）、中對高、低及地的電容量計算公式如（3）、低對高、中及地的電容量計算公式如（4）。當(dāng)?shù)蛪豪@組向內(nèi)橫向位移時，CH增大、CM減??；當(dāng)中壓繞組向低壓繞組方向橫向位移時，則CL增大、CM增大、CH減??；當(dāng)中、低壓繞組均橫向位移時，則CL增大、CM增大、CH減小。因此開展各繞組對地的電容量試驗可判斷變壓器各側(cè)繞組間的等效距離，進而推斷變壓器繞組變形情況[7]。

式中：C1-低壓繞組與鐵芯之間的電容量，C2-中壓繞組與低壓繞組之間的電容量，C3-高壓繞組與中壓繞組之間的電容量，C4-高壓繞組與外殼之間的電容量，C5-中壓繞組與外殼之間的電容量，C6-高壓繞組與低壓繞組之間的電容量。

1.2 短路阻抗理論分析

變壓器各繞組短路阻抗百分數(shù)的大小主要取決于短路電抗。根據(jù)文獻[8]，短路電抗百分數(shù)的計算公式如式(5)，可以看出，變壓器的短路電抗百分比Uk與∑D成正比。

式中：f—頻率；I—額定電流；W—主分接時總匝數(shù)（I與W為同一側(cè)繞組數(shù)據(jù)）；et—每匝電動勢，Hk—兩個繞組的平均電抗高度；k—附加電抗系數(shù)；ρ—洛氏系數(shù)；∑D—繞組空間尺寸。

對三繞組變壓器開展短路阻抗試驗可以獲得UkH-M、UkH-L、UkM-L短路阻抗百分數(shù)，其中H、M、L分別代表變壓器的高、中、低壓繞組；UkH-M為高壓對中壓繞組的短路阻抗百分數(shù)，UkH-L為高壓對低壓繞組的短路阻抗百分數(shù)，UkM-L為中壓對低壓繞組的短路阻抗百分數(shù)。由式(5)知短路電抗百分數(shù)與繞組空間尺寸∑D成正比。根據(jù)文獻[9]，等效距離∑DM-L(見圖2)由中壓繞組外側(cè)到鐵芯的距離W1、中壓繞組內(nèi)側(cè)到鐵芯的距離W2、低壓繞組外側(cè)到鐵芯的距離W3和低壓繞組內(nèi)側(cè)到鐵芯的距離W4共同決定，∑DM-L計算公式如式（6）。

圖2 ∑DM-L等效距離示意圖

式(6)中∑DM-L的大小取決于中、低壓繞組之間主絕緣通道的寬度，而非中、低壓繞組自身的厚度，即式中∑DM-L與W22-W32成正比關(guān)系。由式(5)和式(6)可知，主絕緣通道加寬，∑DM-L，UkM-L也增大；反之，則UkM-L減小[11]。UkH-M、UkH-L的分析思路與UkM-L相同[12]。

1.3 變壓器繞組綜合判據(jù)

基于繞組電容量和短路阻抗理論分析，總結(jié)變壓器短路阻抗和繞組電容量試驗值變化時，高壓、中壓、低壓繞組的變形規(guī)律，如表1。若試驗結(jié)果與繞組變化規(guī)律匹配，則可確定該變壓器繞組已變形。

表1 變壓器繞組變形綜合判據(jù)

2 變壓器試驗

2.1 變壓器概況

某220 kV變電站#1主變于2011年4月投運，型號為SFPSZ-H-150000 / 220GY，連接組別為YNyn0d11，額定電壓為220±8×1.25%/115/38.5 kV。其運行中負荷較重，遭受多次短路電流沖擊，電網(wǎng)公司定級為中度危險型變壓器，2021年7月，預(yù)防性試驗過程中開展短路阻抗試驗，短路阻抗試驗數(shù)據(jù)如表2。中對低橫向偏差為2.81%，大于標(biāo)準(zhǔn)2.0%，縱向偏差為8.71%，大于標(biāo)準(zhǔn)1.6%；高對低縱向偏差為2.40%，大于標(biāo)準(zhǔn)1.6%，短路阻抗試驗數(shù)據(jù)不合格。初步判定變壓器內(nèi)部繞組已變形。

表2 某220 kV變電站 #1主變路短路阻抗試驗結(jié)果

因變壓器短路阻抗試驗不合格，為進一步驗證變壓器繞組是否變形，于是開展變壓器的繞組對地電容量測試，變壓器繞組電容量試驗數(shù)據(jù)如表3，低壓-中壓、高壓及地的縱比偏差為22.89%，中壓-高壓、低壓及地的縱比偏差為-5.6%，超過了規(guī)程3%的要求。

表3 某220 kV變電站 #1主變繞組電容量試驗結(jié)果

基于該變壓器繞組短路阻抗試驗數(shù)據(jù)和繞組對地電容量測試數(shù)據(jù)不合格，應(yīng)用表1判據(jù)規(guī)律進行綜合判斷，該變壓器可能存在低壓三相繞組整體向內(nèi)變形。

3 解體檢查

為進一步核實上述分析過程及變壓器低壓繞組變形程度，將該變壓器返廠進行解體檢查分析。解體檢查結(jié)果如下：

1）檢查變壓器A、B、C相高中低壓繞組引出線接頭、外側(cè)的圍屏、上部的絕緣壓板、鐵芯及夾件絕緣，正常。

2）拆除變壓器A、B、C相繞組上部的絕緣壓板，發(fā)現(xiàn)低壓繞組上部局部向中壓繞組位移，高壓、中壓及調(diào)壓繞組上部無明顯位移，如圖3所示。

圖3 低壓繞組上部局部向中壓繞組位移

3）拔出變壓器A、B、C相的高壓、中壓、調(diào)壓繞組，未發(fā)現(xiàn)異常；A、B、C相低壓繞組支撐條因整體向內(nèi)擠壓而向外凸起，如圖4所示。說明表1變壓器繞組變形綜合判據(jù)與現(xiàn)場實際吻合。

圖4 變壓器A、B、C相低壓繞組支撐條凸起

4 結(jié)束語

結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)和解體分析，提出以下結(jié)論。

1）短路阻抗試驗結(jié)果存在疑問時，可通過繞組電容量測試驗證變壓器內(nèi)部健康狀態(tài)，可避免常規(guī)試驗數(shù)據(jù)的誤判，過濾不準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，提高變壓器繞組變形綜合分析能力。

2）通過對220 kV變電站#1主變開展試驗和解體分析，同預(yù)期結(jié)論一致，說明表1所提出的變壓器繞組變形綜合判據(jù)在繞組變形實際應(yīng)用中可行。

3）35 kV及以上變壓器遭受近區(qū)短路電流沖擊后，除常規(guī)試驗外，應(yīng)開展繞組電容量和短路阻抗測試，進行綜合分析，試驗偏差在合格范圍內(nèi)才允許投運。