主變壓器近區短路繞組變形診斷探究

儲百生，張曉濤，苗彩鳳，徐　暉

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

主變壓器近區短路繞組變形診斷探究

儲百生，張曉濤，苗彩鳳，徐暉

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

摘要：變壓器屬于電力主設備，它在運輸或安裝過程中受到碰撞、沖擊，以及在運行過程中發生短路，都可能使得繞組發生變形，按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全[2014]161號），應進行繞組變形測試，在實際應用中，應開展有針對性的診斷。

關鍵詞：變壓器；短路；常規試驗；頻響曲線；繞組變形

變壓器是電力系統中重要的設備，因某些原因，主變近區發生短路故障，勢必會對變壓器繞組產生沖擊。按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全[2014]161號）中“12.1.3變壓器在遭受近區突發短路后，應做低電壓短路阻抗測試或繞組變形試驗，并與原始記錄比較，判斷變壓器無故障后，方可投運”的要求，應積極開展變壓器繞組變形檢測。

1　突然短路時繞組變形類型

變壓器遭受短路電流沖擊的次數越多，承受最大短路峰值電流的概率也就越高，越可能導致繞組變形。

1.1突然短路時主要由縱向電動力引起的損壞

餅式繞組沿圓周由鴿尾墊塊支撐，縱向電動力過大時，兩墊塊間導線作為受壓力的梁因彎矩過大而發生永久變形，這種變形通常是圓周對稱的。

縱向電動力還可以使繞組縱向發生位移，往往使繞組整個向上提升，或一個繞組中部某處撐開。這種損壞，往往是制作或裝配不良，高低壓繞組間原始狀態由位移而引起安匝不平衡所致。

1.2突然短路時由縱向及橫向電動力同時作用引起

的損壞

在繞組端部主要是由縱向漏磁的縱向和橫向分量產生的橫向和縱向電動力綜合作用引起。在繞組中部主要是由縱向磁場的縱向分量所產生的橫向電動力和橫向磁場所產生的縱向電動力所引起[1]。主要損壞現象為繞組發生扭轉，端部出頭沿圓周位移，繞組導線損傷甚至倒塌。

2　頻響分析法解析

變壓器承受短路沖擊后，一般都用常規電氣試驗項目和絕緣油分析來檢查變壓器的絕緣狀況。有的變壓器電氣試驗和絕緣油分析均在預防性試驗規程所規定的范圍內，但吊罩檢查卻發現繞組已明顯變形或絕緣墊塊嚴重松動，說明常規電氣、油化試驗項目不能有效地發現變壓器繞組變形性缺陷。而吊罩檢查雖直觀，但耗費物力、財力、人力，且對判斷內側繞組有無變形仍有困難，可有側重地利用頻響分析法。

在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個繞組均可視為一個由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數構成的無源線性雙口網絡，其內部特性可通過傳遞函數H（j）描述[2]，如圖1所示。如果繞組發生變形，繞組內部的分布電感、電容等參數必然改變，導致其等效網絡傳遞函數H（j）的零點和極點發生變化，使網絡的頻率響應特性發生變化。

用頻率響應分析法檢測變壓器繞組變形，是通過檢測變壓器各個繞組的幅頻響應特性，并對檢測結果進行縱向或橫向比較，根據幅頻響應特性的差異，判斷變壓器可能發生的繞組變形。

變壓器繞組的幅頻響應特性采用圖1所示的頻率掃描方式獲得。連續改變外施正弦波激勵源S的頻率（角頻率，測量在不同頻率下的響應端電壓2和激勵端電壓1的信號幅值之比，獲得指定激勵端和響應端情況下繞組的幅頻響應曲線。

圖1　頻率響應分析法的基本檢測回路

測得的幅頻響應曲線常用對數形式表示，即對電壓幅值之比進行如下處理：

式中：

3　變壓器繞組變形頻響診斷

3.1變壓器參數

型號：DSP-223000/500

額定電壓：（550/√3-2×2.5%）/20 kV

相數：3相

額定容量：223000/223000 kVA

聯結組標號：Iio

生產廠家：特變電工衡陽變壓器有限公司

絕緣水平：

h.v線路端子SI/LI/AC1175/1550/680 kV h.v中線點端子LI/AC185/85 kV l.v線路端子LI/AC125/55 kV

3.2試驗接線

3.2.1高壓側繞組

試驗時未打開變壓器套管氣室，而將500 kV高壓電纜靠近開關站一端懸空接地，通過變壓器中性點注入激勵信號，利用變壓器高壓側套管末屏作為響應端進行檢測，試驗分相進行。

圖2　高壓側A相繞組變形檢測接線示意圖

3.2.2低壓側繞組

試驗時未打開變壓器高壓套管氣室，而將500 kV高壓電纜靠近開關站一端懸空，通過低壓側出線套管接線處搭接試驗線注入信號進行測試，試驗分相進行。

圖3　低壓側ac相繞組變形檢測接線示意圖

3.2.3響應曲線

（1）高壓繞組

圖4　高壓繞組頻率響應特征曲線

（2）低壓繞組

圖5　低壓繞組頻率響應特征曲線

3.2.4繞組相關系數分析結果

（1）高壓側

表1　高壓側各頻段測試數據匯總

（2）低壓側

表2　低壓側各頻段測試數據匯總

4　結論

當變壓器繞組發生變形，建立等效模型時，其電感、電容參數將發生變化，必然會影響到傳遞函數零、極點的分布[3]。利用正交多項式擬合了變壓器繞組的傳遞函數，進而求取其零、極點，根據其位置的變化來判斷繞組變形情況，避免了普通多項式擬合傳遞函數法病態問題。分析首端電感、中端電感增大5%后的零、極點變化，在實際的系統中，只考慮實軸為負半軸的情況[4]。

圖6中×表示正常情況下的極點，+表示首端電感變化后的極點。圖7中O表示正常情況下的零點，*表示首端電感變化后的零點。

圖8中×表示正常情況下的極點，+表示中端電感變化后的極點。圖9中O表示正常情況下的零點，*表示中端電感變化后的零點。

從圖形可得知，極點的實部反映了諧振頻率處幅值的信息，而極點的虛部則代表了諧振頻率的大小，結合零點和極點的變化綜合判斷出繞組未發生變形，運行工況正常。

圖6　正常情況與首端電感變化時極點分步比較圖

圖7　正常情況與首端電感變化時零點分步比較圖

圖8　正常情況與中端電感變化時極點分步比較圖

圖9　正常情況與中端電感變化時零點分步比較圖

由表3可知，頻率較低時，繞組的對地電容及餅間電容所形成的容抗較大，而感抗較小，如果繞組的電感發生變化，會導致其頻響特性曲線低頻部分的波峰或波谷位置發生明顯移動。對照圖5，可知：

（1）低頻段（1 kHz～100 kHz）的波峰或波谷位置未發生明顯變化，三相繞組低頻段的響應特性曲線應非常相似，說明繞組電感未發生變化，變壓器繞組不存在匝間或餅間短路的情況。

（2）中頻段（100 kHz～600 kHz）的波峰或波谷位置未發生明顯變化，說明繞組未發生扭曲和鼓包等局部變形現象。

（3）頻率較高時，繞組的感抗較大，容抗較小，由于繞組的餅間電容遠大于對地電容，波峰和波谷分布位置主要以對地電容的影響為主。曲線中反映出高頻段（＞600 kHz）的波峰或波谷位置未發生明顯變化，表明繞組的對地電容未發生改變，不存在繞圈整體移位或引線位移的情況。

通過表3變壓器繞組變形診斷對應表進行驗證繞組未發生變形，運行工況正常，與傳遞函數零、極點判定方法一致。

表3　變壓器繞組變形診斷對應表

5　結語

（1）頻響分析法對比低壓脈沖法，避免了儀器笨重和測試結果重復性差等缺點，降低了電磁干擾的影響，可重復性較好，且可以較為直觀地分析頻率響應曲線，測試靈敏度較高。

（2）頻響分析法一直都是建立在比較頻域幅度的基礎之上，即同一臺變壓器的目前記錄和歷史記錄的幅頻比較、相同型號的變壓器與同廠同期生產的變壓器之間幅頻的比較、同一臺變壓器不同相之間的頻響比較。如果繞組的頻率響應不同，就可以初步斷定繞組發生了變形故障。

（3）頻響分析法由于測試結果受很多不確定性因素的影響，其診斷結果尚具有某種不穩定性。

（4）頻響分析法是建立在頻響曲線之間比較的基礎之上，沒有確定性的指標或限值來衡量變化量的大小，需進一步觀察、總結頻響曲線在零點、極點的變化規律。

（5）頻響分析法在實際應用中，通常是比較頻響曲線之間的差異，憑借經驗推測，判斷繞組是否發生變形，而沒有固定的尺度和統一的判斷來衡量變形程度和變形位置。需進一步完善診斷數據庫，提高診斷的精細化水平。

（6）頻響分析法對有些部位的故障反應不靈敏，有些地方本來發生比較大的變形，但頻響曲線的變化卻不明顯。故頻響曲線僅作為輔助性的診斷和有針對性的參考。

參考文獻：

[1]賀以燕.關于國產電力變壓器承受短路能力問題的探討[J].變壓器，1996，33(9):2-7.

[2]何文林.變壓器繞組變形測試方法探討[J].浙江電力，1996，28 (6):28-29.

[3]MCDOWELLLGW,LOCKWOOD M L.Real TimeMonitoring of Movement of Transformer W inding[C]//.IEEE Colloquium on,1994.

[4]DOBLE ENGINEER ING COMPANY.M 5110 Sw eep Frequency Response Analyzer[Z].USAMAW atertown，2000.

中圖分類號：TM403.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0014-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.005

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：儲百生（1973-），男，教授級高級工程師，從事機電設備的生產維護及管理工作。