基于相互負(fù)載法的變壓器故障模擬平臺設(shè)計與實現(xiàn)

王廣真，付德慧，杜非，于浩，蔡睿，王謙，弓艷朋

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192；2. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075)

變壓器本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障種類多樣，同時受變電站現(xiàn)場運行條件等因素限制，對變壓器狀態(tài)檢測的研究多在實驗室條件下進(jìn)行，這就需要構(gòu)建變壓器故障模擬試驗研究平臺[1-7]。目前建立的變壓器故障模擬試驗平臺大多為等比例縮小的變壓器模型，如重慶大學(xué)的程昌奎等在研究局部放電(以下簡稱“局放”)特高頻信號的模式識別中構(gòu)建了模擬變壓器局放箱體[8]。

隨著智能電網(wǎng)體系的深入發(fā)展，尤其是在線監(jiān)測技術(shù)、帶電檢測技術(shù)的進(jìn)步[9-18]，近年來國內(nèi)部分科研院所和高校相繼研發(fā)了運行在實驗室條件下的變壓器真型模擬平臺。上海交通大學(xué)的朱超杰等通過對退役變壓器進(jìn)行改造，將放電模型與長電工膠木棒連接后投入變壓器中，并將無暈高壓線和地線綁在電工膠木棒上，對放電缺陷的兩極加壓以致發(fā)生局放，但該局放故障并未與變壓器聯(lián)動運行，與現(xiàn)場真實運行狀況存在差異[19]。國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院院和國網(wǎng)浙江電力科學(xué)研究院2個團(tuán)隊也對變壓器真型故障模擬平臺有過研究。前者搭建了電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢測真型實驗平臺，該平臺由變壓器、GIS、高壓電纜及配電網(wǎng)設(shè)備子平臺聯(lián)動構(gòu)成，在GIS、開關(guān)柜及電纜平臺上設(shè)置了局放模型模擬故障，并安裝了特高頻傳感器對局放信號進(jìn)行檢測[20-21]；后者搭建了單臺真實變壓器平臺，滿足了變壓器額定運行時的電壓等級要求，構(gòu)建了局放故障，同時在變壓器加壓帶電的情況下，利用脈沖電流檢測、高頻局放檢測、特高頻以及超聲波聯(lián)合檢測、超聲波精確定位4種檢測手段對局放信號進(jìn)行檢測[21]。

為了更加真實地模擬變壓器實際缺陷的運行狀態(tài)，本文從以下2個方面對變壓器故障模擬平臺進(jìn)行改進(jìn)和完善：①除了滿足額定運行時的電壓等級要求，還應(yīng)使運行電流滿足額定運行要求，使該平臺更好地模擬真實變壓器額定運行工況下的高電壓、大電流合成環(huán)境，體現(xiàn)設(shè)備的真實運行狀態(tài)；②盡可能還原變壓器運行時可能遇到的故障，設(shè)置局放、鐵心多點接地、繞組變形等典型故障，同時考慮變壓器缺陷的位置、數(shù)量、嚴(yán)重程度等。通過2臺變壓器的相互負(fù)載聯(lián)接，并調(diào)節(jié)負(fù)載變壓器的變比及電源電壓使得變壓器達(dá)到額定運行工況，即電流與電壓等級均滿足額定運行條件，同時給出110 kV變壓器額定運行工況方案；根據(jù)變壓器實際工作環(huán)境設(shè)置故障，模擬變壓器運行中可能遇到的幾種典型缺陷，構(gòu)建基于相互負(fù)載法的變壓器典型故障模擬平臺。

1 110 kV變壓器額定運行平臺設(shè)計

目前國內(nèi)外研究的變壓器真型故障模擬平臺中，電壓等級大多滿足了額定運行的要求，但為了更加真實地模擬變壓器的額定運行工況，還應(yīng)使運行電流也滿足對應(yīng)的額定運行要求。本文采用相互負(fù)載法來實現(xiàn)變壓器的額定運行，即通過調(diào)節(jié)電源電壓以及2臺互為負(fù)載的變壓器之間的電壓差，使得變壓器的運行電流也能達(dá)到額定運行要求。

1.1 變壓器相互負(fù)載法

相互負(fù)載法是變壓器溫升試驗的常用方法，相校于直接負(fù)載法和模擬負(fù)載法，其具有所需試驗電源容量不大、試品接近實際運行狀態(tài)、試驗時間短、準(zhǔn)確度高等顯著優(yōu)點[22]。本文利用相互負(fù)載法模擬變壓器運行工況，并對其常用電路接線圖進(jìn)行改進(jìn)，接線原理如圖1所示。改進(jìn)后的相互負(fù)載法原理如下：利用1臺與試品變壓器T1電壓比和連接組相同的輔助變壓器T2，其一側(cè)繞組與試品同名端并聯(lián)，供給額定勵磁，另一側(cè)繞組通過負(fù)載輔助變壓器T3與試品同名端并聯(lián)，調(diào)節(jié)T1、T2高壓側(cè)分接開關(guān)，T1、T2中將有電流流過。當(dāng)2臺變壓器二次側(cè)繞組之間的電壓差ΔU逐漸增大時，流過T1、T2的電流逐漸增大，通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)T1、T2二次側(cè)流過額定電流時，即達(dá)到額定運行狀態(tài)。

圖1 相互負(fù)載法接線原理圖Fig.1 Wiring schematic diagram of mutual load method

在傳統(tǒng)相互負(fù)載法中，變壓器T1額定運行狀態(tài)模擬是通過直接改變負(fù)載輔助變壓器T3和調(diào)壓變壓器的輸出電壓來實現(xiàn)的。改進(jìn)后的相互負(fù)載法改變了調(diào)壓變壓器的位置，試驗中通過調(diào)整T1、T2高壓側(cè)分接開關(guān)以及T3輸出電壓來模擬變壓器額定運行工況，在一定程度上使得變壓器額定運行電流以及電壓等級更加符合額定運行要求。

1.2 變壓器額定運行平臺基本結(jié)構(gòu)

實驗室條件下變壓器額定運行工況平臺由電源控制保護(hù)柜、調(diào)壓變壓器、隔離升壓變壓器、2臺三相三繞組110 kV變壓器試驗進(jìn)線開關(guān)柜、電容補(bǔ)償柜、試驗出線開關(guān)柜等組成。試驗變壓器基本參數(shù)見表1。

表1 2臺待改造變壓器基本參數(shù)Tab.1 Basic information of two transformers to be transformed

分別對2臺并聯(lián)連接的110 kV三相變壓器施加額定電壓勵磁，并通過調(diào)節(jié)2臺變壓器的電壓比使得繞組內(nèi)分別流過額定電流，從而實現(xiàn)在實驗室條件下2臺變壓器運行于額定工況。平臺基本結(jié)構(gòu)(以單相繞組為例)簡化如圖2所示。

圖2 平臺基本結(jié)構(gòu)簡化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of the basic platform structure

1.3 變壓器額定運行工況方案設(shè)計

以變壓器相互負(fù)載法為基本實驗思路。2臺變壓器容量相同，阻抗電壓百分比k1、k2分別為10.00%和10.15%， 2臺變壓器二次側(cè)繞組之間的電壓差ΔU與二次側(cè)額定電壓UN的關(guān)系為

ΔU=0.2UN.

(1)

2臺變壓器并聯(lián)后可得循環(huán)電流

(2)

其中，

(3)

(4)

式中：Z1、Z2分別為變壓器T1、T2的短路阻抗；UN為變壓器額定電壓；IN為變壓器額定電流。由此可得

(5)

因此需要將電源電壓升至1.007UN，循環(huán)電流即可達(dá)到額定電流。

變壓器T1和T2的總損耗為2臺變壓器空載損耗和負(fù)載損耗之和。T1和T2的二次側(cè)為額定電流IN時，因2臺變壓器變比不同，二者的一次側(cè)電流也不同，該側(cè)電流由輔助變壓器(升壓變壓器)T3提供，T1和T2的一次側(cè)均為額定電壓UN，故T3的最小容量S3與變壓器T1容量S1關(guān)系為

S3=0.2S1.

(6)

根據(jù)多種現(xiàn)場試驗需求，采用2種方式為整個實驗平臺提供電源，分別為10 kV直供方式與0～10 kV三相可調(diào)升方式升壓。

a)10 kV直供方式。從配電室10 kV開關(guān)柜直接引出電源，經(jīng)電纜連接至10 kV/35 kV升壓變壓器后與2臺變壓器中壓繞組連通；該方式用于滿足變壓器額定運行工況。

b)0～10 kV三相可調(diào)壓方式。該方式用于滿足日常升壓試驗，此時變壓器空載運行。根據(jù)試驗要求和現(xiàn)場條件，確定利用三相調(diào)壓器調(diào)壓方案，即由三相調(diào)壓器提供0～400 V可調(diào)電壓，經(jīng)400 V/10 kV升壓變壓器T4后與T3連接，所需三相調(diào)壓器容量為100 kVA。

1.4 變壓器額定運行工況實驗

通過調(diào)節(jié)高壓繞組分接頭，可得到不同檔位的循環(huán)電流，如圖3所示。

由圖3可知，隨著高壓繞組分接頭調(diào)整，2臺變壓器二次側(cè)繞組之間的電壓差ΔU逐漸增大，流過T1和T2的電流也逐漸增大。當(dāng)電流達(dá)到0.993IN后，將電源電壓升至1.007UN，即可使T1和T2的二次側(cè)均流過額定電流。

圖3 不同檔位下的循環(huán)電流Fig.3 Circulating current in different gears

由此可見，該平臺利用相互負(fù)載法可以使得變壓器的運行電流與電壓等級均嚴(yán)格滿足額定運行要求，復(fù)現(xiàn)變壓器額定運行工況。

2 變壓器典型故障模擬與檢測

在該平臺上設(shè)置變壓器局部過熱、局放、鐵心多點接地、繞組變形缺陷，本文給出這4種典型故障的模擬與檢測設(shè)計方案。

2.1 變壓器過熱故障模擬

2.1.1 整體設(shè)計

過熱故障主要分為磁路故障、電路故障和其他原因引起的過熱故障等。磁路故障主要是由鐵心多點接地引起的；電路故障主要有分接開關(guān)故障、引線連接故障，其中分接開關(guān)故障主要是由磨損和腐蝕使觸頭間接觸電阻增大，引起發(fā)熱量增加所致。引線連接故障主要出現(xiàn)在變壓器低壓繞組與套管連接處。過熱故障可能因局部油道堵塞致使散熱不良引起，但出現(xiàn)幾率較小。本文主要考慮磁路故障和電路故障。

2.1.2 過熱點設(shè)計

將變壓器T2某一分接位置至有載分接開關(guān)的連接電纜中的一部分換成小截面電纜，模擬引線過熱缺陷故障。同時另選一分接，在線圈至開關(guān)的引線某一段設(shè)置一處冷壓接連接結(jié)構(gòu)，用于模擬連接不當(dāng)造成局部過熱的缺陷。將變壓器T1繞組某相上部某段的引線截面改小一級，模擬引線過熱缺陷故障。

2.1.3 過熱點故障檢測

如圖4所示，在分接線上預(yù)埋光纖測溫探頭，實現(xiàn)對過熱點的在線監(jiān)測。同時在2個變壓器對應(yīng)分接引線處埋設(shè)光纖，監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)下正常引線的溫度，作為溫升參考值。

圖4 引線改造并埋入光纖Fig.4 Lead modification and embedding of optical fiber

2.1.4 過熱故障模擬

將中壓側(cè)無勵磁分接開關(guān)調(diào)至“5”檔位，中壓繞組流過的電流為523.1 A。其中，A、B、C三相某分接線初始溫度為室溫12 ℃。試驗時間約50 min。中壓引線過熱缺陷溫度見表2。

表2 中壓引線過熱缺陷溫度Tab.2 Overheating defect temperature of medium voltage lead wire

按照北京地區(qū)最高環(huán)境溫度40 ℃、變壓器油溫比環(huán)境溫度高40 ℃推算，熱點溫度比油溫高40 ℃，預(yù)計為120 ℃。試驗結(jié)果證明，該過熱故障與變壓器的實際故障情況一致，引起變壓器各相溫度顯著升高。

2.2 變壓器局放故障模擬

2.2.1 整體設(shè)計

在變壓器內(nèi)部典型部位設(shè)置穩(wěn)定性、重復(fù)性好的針尖放電、懸浮放電等局放缺陷，模擬變壓器絕緣缺陷產(chǎn)生的各種局放信號，并且放電類型可以自由組合。通過負(fù)荷開關(guān)連接局放模型，試驗電壓約為22 kV，該電壓由中壓繞組提供，模型接觸中壓繞組，通過負(fù)荷開關(guān)的檔位切換來實現(xiàn)模型投切。

2.2.2 局放模型設(shè)計

a)針板放電。針板放電如圖5所示，地電位圓盤直徑60 cm、厚5 mm，地電極桿直徑2 cm，針桿直徑1 cm，針直徑3 mm，針尖0.1～0.2 mm，針尖距地電極最大6 cm，地電極圓盤與針尖之間的距離可調(diào)。針板放電為極不均勻的電場放電，能夠維持穩(wěn)定的油中電暈放電，放電量大約為100 pC左右。

圖5 針板放電模型Fig.5 Needle plate discharge model

b)懸浮放電(懸浮電位油隙放電)。懸浮放電模型如圖6所示，地電位圓盤直徑60 cm、厚5 mm，地電極桿直徑2 cm。懸浮電極與地電極連接為一整體后，其與高壓電極之間的距離可調(diào)節(jié)。為了讓懸浮放電模型更易發(fā)生放電，在鋁制懸浮電極上，采用螺紋形式裝入一圓形鎢針固定結(jié)構(gòu)，鎢針與地電極之間的間距也可調(diào)。

圖6 懸浮電極放電模型(油隙放電)Fig.6 Floating electrode discharge model (oil gap discharge)

2.2.3 局放模型布置

局放模型布置如圖7所示。中壓繞組首端可以連接3個22 kV的局放模型，通過負(fù)荷開關(guān)檔位切換來實現(xiàn)模型投切。該模型需要變壓器帶電運行。

圖7 局放模型位置Fig.7 Partial discharge model location

2.2.4 局放信號檢測方式

利用特高頻(ultra high frequency，UHF)技術(shù)檢測局放信號。UHF傳感器的數(shù)量要滿足放電源定位要求：設(shè)置窗口內(nèi)壁直徑為200 mm的外置式介質(zhì)窗1個，用于檢測-3 dB截止頻率為300 MHz的放電信號；設(shè)置窗口內(nèi)壁直徑為150 mm的外置式介質(zhì)窗4個，用于檢測-3 dB截止頻率為500 MHz的放電信號；設(shè)置窗口內(nèi)壁直徑為190 mm的內(nèi)置式介質(zhì)窗4個，用于檢測-3 dB截止頻率為500 MHz的放電信號。此外，在放電模型附近開設(shè)密封材質(zhì)為石英玻璃的法蘭安裝觀察窗，用來觀察放電情況。

2.2.5 局放故障模擬

對中壓繞組C相加壓，以中壓繞組C相對地20.6 kV為1倍基準(zhǔn)電壓，觀察局放情況。

a)負(fù)荷開關(guān)1導(dǎo)通時，從0.4倍升至1.2倍電壓，局放模型未產(chǎn)生明顯局放。

b)負(fù)荷開關(guān)2導(dǎo)通時，從0.4倍升至0.9倍電壓，局放模型未產(chǎn)生明顯局放，當(dāng)升至1.0倍電壓時，間隙擊穿。

c)負(fù)荷開關(guān)3導(dǎo)通時，從0.4倍升至0.8倍電壓，局放模型未產(chǎn)生明顯局放，當(dāng)升至0.9倍電壓時，產(chǎn)生明顯局放，約800～900 pC，隨之間隙擊穿。

試驗結(jié)果證明，所構(gòu)建的局放故障接近變壓器的真實故障情況，但調(diào)整過程中易發(fā)生間隙擊穿，需進(jìn)一步細(xì)化平臺操作。

2.3 變壓器鐵心多點接地故障模擬

2.3.1 整體設(shè)計

變壓器鐵心接地的設(shè)置方法是：將鐵心的任一疊片與上下夾件之間用絕緣隔開，再引到箱蓋上與接地小套管連接好，構(gòu)成鐵心的一點接地。從鐵心引出多處接地點，按需實現(xiàn)多點接地缺陷模擬，監(jiān)測電流并判斷缺陷的嚴(yán)重程度。故障接地點所在級數(shù)不同，回路交鏈的磁通及回路電阻均發(fā)生變化，故障電流值也會有所不同。

2.3.2 變壓器T1鐵心多點接地模擬方案

a)鐵心鐵軛接觸上夾件多點接地故障。A相上軛位置增設(shè)2處接地點，實現(xiàn)鐵心多點接地；B 相上軛通過增設(shè)的可調(diào)節(jié)連接桿實現(xiàn)鐵心與夾件的短路接地故障。設(shè)置點的位置如圖8所示。

圖8 鐵心及上軛多點接地故障模擬方案(正視圖)Fig.8 Multi-point ground fault simulation scheme of iron core and the upper yoke (front view)

b)下鐵軛接觸下夾件多點接地故障。在A、B相間的鐵心下鐵軛處設(shè)置1處接地點，通過適當(dāng)?shù)膴A持方式，將該接地點引至箱蓋上的接地端子盒上，在外部實現(xiàn)下鐵軛與夾件接地連接，如圖9所示。

圖9 下鐵軛與夾件接地故障模擬方案Fig.9 Ground fault simulation scheme of the lower iron yoke and the clip

2.3.3 變壓器T2鐵心多點接地模擬方案

在鐵心上鐵軛、下鐵軛不同位置設(shè)置2個接地片，通過接地套管從變壓器箱蓋引出。在上夾件、下夾件不同位置各開1個接地安裝孔，通過接地套管從變壓器箱蓋引出，如圖10所示。在外部通過短接或不短接來改變鐵心與上夾件(下夾件)接地點數(shù)量，實現(xiàn)多點接地缺陷模擬。

圖10 鐵心、夾件接地點示意圖Fig.10 Schematic diagram of the grounding point of the iron core and the clip

2.3.4 鐵心多點接地缺陷檢測

在變壓器上鐵軛、下鐵軛、上夾件、下夾件預(yù)設(shè)光纖探頭，在線監(jiān)測各種狀態(tài)下故障點溫度。在鐵心接地處串入檢測電阻，監(jiān)測鐵心接地電流，及時發(fā)現(xiàn)多點接地故障并報警，同時自動投切合適的限流電阻，避免故障進(jìn)一步惡化。

2.3.5 鐵心多點接地故障模擬

試驗進(jìn)行了4種情況模擬：

a)接通1號、3號真空斷路器，同時接通4號、6號真空斷路器，使上鐵軛1點、下鐵軛2點同時接地；

b)接通1號、3號真空斷路器，同時接通2號真空斷路器，使高壓上鐵軛同時存在2點接地；

c)接通1號、3號真空斷路器，同時接通4號真空斷路器，使上、下鐵軛同時存在2點接地；

d)接通1號、3號真空斷路器，同時接通5號真空斷路器，使上夾件1點、下夾件1點同時接地。

表3所列為 1號、3號、4號、6號真空斷路器電流及鐵心、夾件各故障模擬點溫度。

表3 1號、3號、4號、6號真空斷路器電流及鐵心、夾件各故障模擬點溫度Tab.3 Current of No.1,No.3,No.4 and No.6 circuit breakers and temperatures of measuring points

通過上述試驗對比，在上、下鐵軛多點接地故障下，接地電流達(dá)到15 A，主要原因是鐵心上的短路匝包圍的磁通較其他故障狀態(tài)大。整個試驗過程中，真空斷路器未發(fā)生保護(hù)動作。

試驗結(jié)果證明，所構(gòu)建的鐵心多點接地故障接近真實故障情況，在斷路器動作時，相應(yīng)測溫點有明顯升溫。各測點溫度上升速率也是相對穩(wěn)定的，并沒有在某個瞬間劇增。后期故障平臺正式模擬運行時，當(dāng)變壓器油溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可測量各測點的最高故障溫度。

2.4 變壓器繞組變形故障模擬

2.4.1 整體設(shè)計

在35 kV中壓繞組上設(shè)置匝間短路，110 kV高壓繞組上設(shè)置徑向變形缺陷，通過有載分接開關(guān)投入或者切除繞組變形缺陷，將繞組變形部位的匝間絕緣水平設(shè)置成與正常繞組一致，同時保證繞組變形部位不縮小主絕緣耐壓水平，特別是不縮小高低壓繞組間的絕緣距離。投入匝間短路故障時，短路回路中設(shè)置短路電流限制措施，試驗回路中設(shè)置過電流保護(hù)裝置和防誤操作閉鎖措施，從而保證短路線匝不至過熱燒毀。

2.4.2 故障位置及數(shù)量

徑向變形：位于高壓C相線圈最末餅。在線圈最末餅多繞1匝，該導(dǎo)線與線圈原最末匝并聯(lián)。增加的1匝與原來的最末1匝首端焊接在一起，末端分別引出。負(fù)荷開關(guān)切至工位1，模擬繞組徑向變形缺陷，高壓有載分接開關(guān)處于最大分接或額定分接狀態(tài)，故障模擬結(jié)束，負(fù)荷開關(guān)切至工位2。

匝間短路：位于中壓C相調(diào)壓分接段。引出調(diào)壓線圈中的1個分接段，負(fù)荷開關(guān)切至工位3，模擬匝間短路故障缺陷，中壓無勵磁分接開關(guān)分別處于額定或最大分接狀態(tài)，故障模擬結(jié)束，負(fù)荷開關(guān)切至工位4。

2.4.3 繞組變形缺陷檢測

采用頻率響應(yīng)法進(jìn)行繞組變形缺陷的檢測，首先在高中壓繞組正常狀態(tài)下進(jìn)行檢測，然后在高中壓繞組故障狀態(tài)下進(jìn)行檢測，并分別對比高中壓繞組正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的頻譜，對繞組的頻譜進(jìn)行測量均需要在變壓器不帶電的情況下進(jìn)行。徑向變形與匝間短路，均需要在最大分接和額定分接時進(jìn)行頻譜測量。

2.4.4 繞組變形故障模擬

利用頻率響應(yīng)法測量頻譜分析對比高壓繞組(模擬徑向變形)、中壓繞組(匝間短路)在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的頻譜。

負(fù)荷開關(guān)切至工位1，實現(xiàn)繞組徑向變形。高壓開關(guān)在1分接時，正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的頻譜對比如圖11所示。

圖11 徑向變形狀態(tài)(綠色)和正常狀態(tài)(紅色)頻譜對比Fig.11 Comparisons of radial deformation green and normal frequency spectrum (red)

負(fù)荷開關(guān)切至工位3，實現(xiàn)繞組匝間短路。中壓開關(guān)在1分接時，正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的頻譜對比如圖12所示。

圖12 匝間短路狀態(tài)(綠色)和正常狀態(tài)(紅色)頻譜比對Fig.12 Comparisons of turn-to-turn short circuit (green) and normal frequency spectrum (red)

試驗結(jié)果證明所構(gòu)建的繞組變形故障接近真實故障情況。對于徑向變形，繞組頻譜變化量很小，屬于輕微變形；對于匝間短路，繞組頻譜變化量明顯，屬于嚴(yán)重變形。

3 結(jié)束語

針對目前缺乏能同時實現(xiàn)變壓器高電壓、大電流運行工況的故障模擬平臺以及缺陷故障種類單一等問題，本文設(shè)計并建立了基于相互負(fù)載法的110 kV變壓器額定運行平臺，能再現(xiàn)變壓器實際運行工況與電磁環(huán)境。在該平臺上設(shè)置變壓器局部過熱、局放、鐵心多點接地、繞組變形缺陷，并給出這4種典型故障的模擬與檢測設(shè)計方案。