鄧于婷
(國網(wǎng)江西省電力有限公司吉安供電分公司,江西 吉安 343009)
隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展,系統(tǒng)短路容量不斷增大,短路故障是電力系統(tǒng)中最常見的故障之一。電力變壓器運(yùn)行過程中需承受不同形式的短路沖擊,其中一般以變電站開關(guān)柜、母線等近區(qū)短路最為嚴(yán)重,可形成數(shù)倍乃至十余倍額定電流大小的短路電流沖擊變壓器,巨大的短路電流引起的電動(dòng)力作用于變壓器繞組,當(dāng)短路電動(dòng)力大于繞組屈服強(qiáng)度時(shí),將引發(fā)繞組出現(xiàn)形變[1],并進(jìn)一步引發(fā)更嚴(yán)重的故障,據(jù)統(tǒng)計(jì),約25%的變壓器故障由繞組變形引起[2],嚴(yán)重威脅了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,研究變壓器繞組變形綜合分析及診斷方法,提前發(fā)現(xiàn)潛在隱患,具有重要意義。
變壓器常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目無法準(zhǔn)確識別繞組變形故障,文中提出了基于繞組電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試的變壓器繞組變形綜合分析方法,應(yīng)用該方法診斷了一起110 kV變壓器繞組變形故障,并通過返廠解體檢查結(jié)果驗(yàn)證了綜合分析方法的準(zhǔn)確性。
變壓器繞組電容由繞組之間的電容和繞組對地(鐵芯或油箱)的電容組成。變壓器的高、中、低壓繞組可等效為多層圓筒結(jié)構(gòu),因此變壓器繞組電容量取決于繞組尺寸、相對位置和絕緣介質(zhì)等。變壓器制造完成后,繞組直徑、高度等尺寸,繞組間的距離、繞組對鐵芯及油箱等距離等相對位置、變壓器油介電常數(shù)等參數(shù)均已固定,其繞組電容量是確定的。當(dāng)變壓器遭受短路沖擊發(fā)生繞組變形后,由于相對位置距離的變化,會引起繞組電容量改變。因此可利用繞組電容量測試來評估變壓器是否發(fā)生繞組變形。
以三繞組電力變壓器為例,繞組電容量測試項(xiàng)目一般包含以下五項(xiàng),如表1所示。
表1 繞組電容量測試項(xiàng)目
表1 中各試驗(yàn)項(xiàng)目測試結(jié)果均由多個(gè)電容量疊加組成。當(dāng)繞組電容量測試出現(xiàn)異常時(shí),為了明確發(fā)生形變的繞組,提出繞組電容量分解法。三繞組變壓器繞組電容量組成,如圖1 所示,其中C1表示低壓繞組對地電容量;C2表示低壓繞組與中間繞組之間的電容量;C3表示中壓繞組與高壓繞組之間的電容量;C4表示中壓繞組對地的電容量;C5表示高壓繞組對地的電容量。因此,表1中五個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目測試結(jié)果可由式(1)組成。
圖1 繞組電容量組成
根據(jù)式(1)求得C1-C5,并識別變形繞組。
變壓器短路阻抗是當(dāng)二次側(cè)短路,一次側(cè)通過額定電流時(shí)的電壓與電流的比值,由于短路阻抗在不同電壓下保持穩(wěn)定,因此可測量低電壓(三相380 V、單相220 V)、小電流下的短路阻抗測試代替額定電流下的短路阻抗。短路阻抗有電阻分量和電抗分量組成,其中變壓器繞組直阻很小,短路阻抗的大小取決于短路電抗,工程計(jì)算中,變壓器短路電抗百分比可由式(2)表示[3]。
式中:Xk為短路電抗百分比;N為變壓器繞組匝數(shù);f為電壓頻率;I為額定電流;h為繞組高度;et為單匝電壓;D為變壓器漏磁通等效面積。
由式(2)可知,短路阻抗是與變壓器繞組結(jié)構(gòu)和尺寸等相關(guān)的固有參數(shù),當(dāng)繞組發(fā)生變形時(shí)將引起短路阻抗的變化。因此可通過短路阻抗縱比(與歷史數(shù)據(jù)相比)或橫比(相間對比)的方式來判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形。
在較高頻率(1 kHz~1 000 kHz)的電壓作用下,變壓器的繞組可視為一個(gè)由線性電阻、電感和電容等分布參數(shù)組成的二端口網(wǎng)絡(luò),若繞組發(fā)生變形,繞組內(nèi)部的分布電感與電容必然發(fā)生變化,因此,可通過檢測二端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)特性,并進(jìn)行縱向和橫向比較判斷繞組是否發(fā)生變形。
具體地,典型的變壓器繞組幅頻響應(yīng)特性曲線在檢測頻率范圍內(nèi)包括多個(gè)明顯的波峰與波谷,波峰和波谷的分布位置和強(qiáng)度的變化是分析繞組變形的重要依據(jù)。其中低頻段(1 kHz~1 000 kHz)曲線的變化表征繞組電感發(fā)生了改變,預(yù)示可能存在繞組匝間或短路的情況;中頻段(100 kHz~600 kHz)曲線出現(xiàn)變化,表示繞組可能存在扭曲或鼓包等局部變形現(xiàn)象;高頻段(600 kHz~1 000 kHz)曲線變化,說明繞組對地電容的改變,因其容易受到測試線的影響,且中頻段曲線波峰和波谷的位置變化也能反應(yīng)繞組電容的改變,因此一般可不把高頻段測試數(shù)據(jù)做為繞組變形分析的主要信息[4]。
某110 kV 變電站1 號主變于2006 年10 月投運(yùn),該主變型號SSZ10-31500/110,額定電壓為(115±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5)kV,上次例行試驗(yàn)為2019年10 月,試驗(yàn)結(jié)果正常。2022 年2 月,對該主變開展繞組電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試,試驗(yàn)結(jié)果均不合格,判斷該主變低壓繞組存在明顯變形,返廠解體檢查驗(yàn)證了判斷的準(zhǔn)確性。
2.2.1 繞組電容量測試結(jié)果
繞組電容量測試結(jié)果如表2所示。
表2 繞組電容量測試結(jié)果
由表2可知,除高壓繞組對地電容量測試結(jié)果合格外,其他測試項(xiàng)目初值差均超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(3%),其中涉及到低壓繞組的兩個(gè)測試項(xiàng)目(Cd、Cgzd)初值差最大,分別達(dá)14.53%和24.49%,初步判斷低壓繞組存在變形。
按照式(1)計(jì)算各分解的電容量,如表3所示。
表3 繞組電容量分解計(jì)算結(jié)果
由表3 可知,低壓繞組對地電容量(C1)相比出廠值增大35.77%,低壓繞組與中間繞組之間的電容量(C2)相比出廠值偏小8.41%,表示低壓繞組與地(鐵芯)之間距離減小,而與中間之間的距離偏大,進(jìn)一步說明低壓繞組存在明顯的內(nèi)凹變形。這是因?yàn)榈蛪豪@組位于最內(nèi)層,根據(jù)安倍左手定則,位于內(nèi)側(cè)的繞組幅向上壓縮應(yīng)力,而外側(cè)繞組幅向受到拉伸應(yīng)力。
2.2.2 低電壓短路阻抗測試結(jié)果
分別測量高壓對中壓繞組、高壓對低壓繞組和中壓對低壓繞組的低電壓短路阻抗,測試結(jié)果如表4所示。
表4 低電壓短路阻抗測試結(jié)果%
由表4 可知,中壓對低壓繞組的短路阻抗初值差為3.12%,不滿足DL/T1093—2018[5]標(biāo)準(zhǔn)的要求:容量100 MVA及以下且電壓220 kV以下的電力變壓器繞組參數(shù)的相對變化率不應(yīng)大于±2%,由此判斷該主變中壓或低壓繞組存在變形。
2.2.3 頻率響應(yīng)測試結(jié)果
對該主變高壓、中壓和低壓繞組分別開展頻率響應(yīng)測試,結(jié)果如圖2所示。
圖2 繞組頻率響應(yīng)測試結(jié)果
由圖2可知,高壓繞組、中壓繞組相間頻率響應(yīng)曲線吻合度較高,低、中頻段波峰、波谷的頻率分布位置以及分布數(shù)量基本一致;而低壓繞組相間頻響曲線相差較大,波峰、波谷的頻率分布位置以及分布數(shù)量均存在差異,即三相繞組的幅頻響應(yīng)特性一致性較差。
結(jié)合繞組電容量、低電壓短路阻抗、頻率響應(yīng)測試結(jié)果,綜合判斷該主變低壓繞組存在明顯的內(nèi)凹變形。
對主變開展解體檢查解體,發(fā)現(xiàn)三相低壓繞組幅向均存在嚴(yán)重翹曲變形,軸向未見明顯變形,如圖3所示。
圖3 低壓繞組繞組變形
由圖3 可知,三相低壓繞組在部分撐條之間發(fā)生了內(nèi)凹變形,其變形形式如圖4所示。
圖4 繞組幅向變形形式
由圖4 可知,低壓繞組內(nèi)徑處安裝有撐條支撐,以提高繞組的幅向強(qiáng)度。低壓繞組位于最內(nèi)側(cè),根據(jù)安培左手定則,受到幅向壓縮應(yīng)力,當(dāng)短路電流超過某一值時(shí),幅向壓縮應(yīng)力超過繞組臨界應(yīng)力值,繞組將在某一撐條間距內(nèi)所有線匝同時(shí)向內(nèi)凹陷,而在相鄰撐條間距內(nèi),繞組將向外凸出。
文中提出了基于繞組電容量分解法、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)測試的變壓器繞組變形綜合分析方法,并將該方法應(yīng)用于一起110 kV 變壓器繞組變形故障分析,診斷該主變低壓側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的內(nèi)凹變形,解體檢查結(jié)果驗(yàn)證了綜合分析方法的準(zhǔn)確性。