變壓器繞組變形的電氣試驗技術分析

◎顧天逸

引言：作為電力系統中主設備的變壓器，是電網穩定的重要保證。變壓器出口短路時會受到很大的電動力，進而容易導致繞組變形。本文介紹了三繞組電力變壓器的繞組變形，對發生變形和原因和短路時受力情況進行了分析，以一個實例，介紹了如何利用介質損耗與電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應檢測結果，來分析繞組變形。

一、繞組變形的原理及受力分析

目前，在電網中運行的變壓器有的運行時間已經超過20年，在多年運行中承受一般承受多次短路沖擊，對于每次極小的變形，如果不及時發現問題，在遭受到多次短路后，積累效應可能在某次大的短路電流下爆發，使得繞組無法承受電動力而變形。有的變壓器為節省原材料，其低壓繞組未采取足夠的抗短路措施，在短路電流不大時繞組就會變形。變壓器損壞對電網運行有著極大的隱患，所以分析診斷變壓器繞組的變形有重大意義。

發生出口短路時，漏磁場中繞組流過短路電流，各導線上將產生幅向和軸向應力F=BIL，其中漏磁感應強度B 正比于I，所以短路時的應力F 正比于I2。雙繞組變壓器低壓側出口短路時，輻向上內側的低壓線圈受向內的壓力，外側的高壓線圈受向外的拉力，軸向上高低壓線圈均受向中心的壓力，兩端最大而中部幾乎為零。三繞組變壓器短路受力情況比較復雜，中壓側短路和低壓側短路工況不同，分別如下圖1 和圖2。中壓側短路時，中壓繞組中的電流方向與高、低壓繞組相反，根據右手和左手定則分別判定漏磁場方向和電磁力方向，忽略高低壓繞組之間的影響，內側的低壓線圈在輻向上受向內的壓力，外側的高壓線圈受向外的拉力，中間的中壓線圈同時受壓力和拉力。低壓側短路時，低壓繞組中的電流方向與高、中壓繞組相反，內側的低壓線圈在輻向上受向內的壓力，中間的中壓線圈受向外的拉力，外側的高壓線圈同時受壓力和拉力。

圖1 中壓繞組短路受力

圖2 低壓繞組短路受力

二、繞組變形的電氣試驗技術

例行試驗中，檢測主變絕緣電阻合格后，再進行介質損耗和電容量試驗，發現數據不符合規程。緊接著進行診斷性試驗低電壓短路阻抗和頻率響應試驗，同樣數據不符合規程，進而分析繞組變形。該主變型號：SSZ11-63000/110，為三繞組變壓器，接線組別：YN，yn0，d11，于 2008 年 11 月投入運行。額定電壓 ：110+10（-6）×1.25%/21/10.5kV，額 定 電 流 ：330.7/1732.1/3464.1A。

1.電容量測試技術。

在交流電壓的作用下，變壓器可以看做是電容和電阻構成的等值電路，因為變壓器中的絕緣電阻非常大，可以忽略，因此變壓器繞組間可以視作純電容構成的等值電路。變壓器繞組與繞組之間、繞組對地之間都有電容，繞組和外殼或地都可以視作電容器的兩面，中間的變壓器油視作其中的介質，就可以得到三繞組變壓器的等值電路圖如圖3。

圖3 三繞組變壓器等值電容電路圖

圖3 中 C1、C2、C3 分別為高、中、低繞組的對地（外殼）電容，忽略高壓和低壓繞組之間的電容和套管電容，C12 為高壓與中壓繞組之間的電容，C23 為中壓與低壓繞組之間的電容。

反接線適用于被試品接地的情況，對于直接接地的變壓器，測量繞組連同套管的介質損耗和電容量可以采用。對三繞組變壓器的高壓繞組加壓時，中壓和低壓繞組均短路接地，即C2、C3 和C23 均無法測出，因此測得的電容為C1+C12。中壓繞組加壓時，高壓和低壓繞組均短路接地，即C1 和C3 均無法測出，測得的電容為C2+C12+C23。低壓繞組加壓時，高壓和中壓繞組均短路接地，即C1、C2 和C12 均無法測出，測得的電容為C3+C23。

變壓器繞組電容量決定于繞組之間、繞組與鐵心和箱體的幾何尺寸和位置。變壓器安裝完成后，其特征參數電容、電感基本保持不變。如果電容量明顯改變，預示著變壓器可能存在絕緣、機械位移、繞組變形等方面的缺陷。

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依據《國家電網公司變電檢測管理規定（試行）》中規定：電力變壓器繞組電容量應與上次試驗結果相比無明顯變化，參考《QGDW/10 江蘇省電力公司輸變電設備交接試驗規程》中規定：繞組電容量與出廠試驗值相比變化不大于±5%。由表中數據判斷，中壓和低壓繞組電容量數據超標。

2.短路阻抗測試技術。

變壓器繞組發生變形，則兩個繞組的相對距離會發生變化，繞組中的漏電感會隨兩個繞組之間相對距離的增大而增大。所以，繞組變形必然導致漏電感的變化。同時，漏電感還與繞組的高度有關，近似與高度的算數平均值成反比。兩個繞組的短路阻抗與漏電感有關，所以檢測短路阻抗可以發現繞組的變形。

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依據《國家電網公司變電檢測管理規定（試行）》中規定：容量100MVA 及以下且電壓等級220kV 以下的變壓器，初值差不超過±2%，三相之間的最大相對互差不應大于2.5%。由表中數據判斷，A 相的高—中和中—低初值差超標，B 相中—低初值差超標，高—中和中—低的三相互差值超標。

3.頻率響應測試技術。

進行頻率響應測試時，繞組可以視作由分布電容和電感等參數構成的無源線性二端口網絡，等效電路圖簡化后如圖4所示。當變壓器線圈匝數和直徑或者電感系數發生變化時，繞組的電感量Ls 會發生變化。當線餅的半徑、寬度、距離發生變化時，繞組的餅間電容量Cs 會發生變化。當繞組的內外徑和高度發生變化時，繞組的對地電容量Cg 會發生變化。

圖4 繞組頻譜測試等值電路

圖4 中G 為掃頻信號源，Ri 為激勵匹配電阻，Ro 為響應匹配電阻，C1 為激勵端套管對地電容，C2 為響應端套管對地電容，Cs 為餅間電容，Cg 為線餅對地電容，Ls 為繞組電感。從變壓器的等效電路圖可以看出，繞組電感Ls、餅間電容Cs、線餅對地電容Cg 在不同的頻率下會發生多次諧振，不同的諧振點在頻譜圖上表現為一系列的峰谷點，當繞組發生變形或者移位后，峰谷點將隨著Ls、Cs 及Cg 的變化而改變位置。一般來說，一臺變壓器制造完成后，其繞組的頻響曲線就確定了，一旦繞組發生變形，其內電感電容變化，頻率響應曲線和一開始就會有差別，判斷繞組變形情況可以利用這差別。

在曲線的低頻段（1~100kHz），波峰、波谷位置反應繞組電感的改變，諧振點減少或向高頻方向、信號幅度增大等變化預示著可能存在繞組匝間或者餅間短路的情況，因為在低頻的情況下，繞組的分布電容阻抗很大，而感抗很小，從而引起感抗變化的因素起主導作用。在曲線的中頻段（100~600kHz）的波峰、波谷位置預示著繞組可能發生了扭曲和鼓包等局部變形的現象，繞組的電感和餅間電容比較敏感，若變化改變部分諧振條件，曲線產生峰谷現象。在曲線的高頻段（>600kHz）的頻譜曲線的變化取決于繞組對地電容的變化，此時的感抗較大，容抗小，對地電容對高頻段較敏感，變化時預示繞組可能出現整體位移等情況，波峰和波谷的位置主要以對地電容影響為主，但受人體、油枕等雜散電容影響和干擾較大。高中低壓繞組的頻率響應曲線如圖5。

圖5 高中低壓繞組頻響曲線

通過相關系數可以定量描述出兩條波形曲線之間的相似程度，根據曲線的相似程度可以用來分析被試變壓器的繞組變形情況，相似程度可以用相關系數來說明。但是由于頻響測試本身受干擾較大，所以一般只作為輔助的判斷手段，具體結果還應根據被試變壓器的運行情況及其它信息綜合判斷。繞組變形程度根據相關系數，可以判斷繞組頻響曲線在低頻段存在輕度不一致，在中頻段存在輕度和明顯不一致。

三、結束語

綜合繞路連同套管的電容量測試、低電壓短路阻抗試驗和頻率響應測試，初步判斷主變繞組發生局部變形，大概率在A 相和B 相的中、低壓繞組。經返廠解體，實際繞組變形情況與理論分析一致。

對于變壓器繞組發生變形，試驗人員可以通過繞組連同套管介質損耗及電容量試驗、低電壓短路阻抗試驗和頻率響應試驗來進行綜合分析判斷，最終與解體檢查情況對比，積累相關經驗。主變運維需要加強主變出口短路技術監督，對于主變發生多次出口短路的，必要時考慮縮短停電檢修試驗周期。