一起220 kV變壓器短路故障跳閘后試驗分析

寧小飛，李曄

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

變壓器短路故障是比較常見的，變壓器短路故障主要包括：內部原件相間短路、接地短路、出口短路和近區短路等，無論發生什么類型的短路故障，在短路瞬間繞組中都將流過巨大的短路電流，該短路電流將產生和自身平方成正比的電動力作用在繞組上，使繞組發生移位或變形，繞組發生局部變形后，即使沒有立即損壞，也有可能留下嚴重的故障隱患，如因繞組發生變形后，繞組間及繞組對外殼等部件的空間距離將發生改變，固體絕緣介質也將受到一定程度破壞，當遇到大氣過電壓或內部過電壓侵入時，有可能使繞組匝間、層間絕緣擊穿，導致突發性絕緣事故的發生，甚至在長期的工作電壓下發生局部放電，局部放電雖然放電量小，但由于其長時間存在，對絕緣材料也會產生破壞作用，最終導致絕緣擊穿；另一方面，當繞組發生變形后，機械性能將下降，當再次發生短路故障時，將因承受不住巨大的電動力而發生損壞。綜上所述，雖然繞組變形不可避免，但通過試驗檢查及時發現繞組變形情況以便及時處理尤為重要，檢測繞組變形的方法較多，如直流電阻和變比測試等，但這種傳統方法檢測靈敏度較低，通常不能直接作為變壓器繞組變形的判別依據，目前繞組連同套管電容量、短路阻抗、頻率響應法等是判斷繞組變形與否的主要依據，同時應結合變壓器實際運行情況進行綜合分析，最終得出可靠的、準確的試驗結論。

1 設備基本情況

某變電站一臺220 kV三繞組變壓器，SFPSZ10-H-180000/220GY，由于低壓側近區短路故障跳閘，短路電流達到12000 A,超過該變壓器允許短路電流6000 A，現場對該變壓器進行外觀檢查，未發現明顯異常，最終通過試驗數據分析及吊罩檢查確認該變壓器發生繞組變形。

2 試驗情況

2.1 變壓器油色譜分析

變壓器油屬于碳氫化合物，其在高溫和電弧作用下會分解產塵低烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）、還會產生H2、CO、CO2等故障特征氣體，這些氣體大部分溶解在油中，油中各種氣體的含量與變壓器的故障類型相關，因此通過分析油中氣體的成分及含量能初步推斷變壓器的內部狀態。

故障前后油色譜分析結果如表1所示，對比跳閘前后兩次分析數據可見，跳閘后油中各種氣體含量均增加，其中總烴含量超過150 μL/L，提示變壓器內部存在低溫過熱問題。

表1 變壓器油色譜分析 μL/L

2.2 電氣試驗分析

變壓器發生短路故障跳閘后，應重點開展絕緣電阻、繞組直流電阻、繞組連同套管介損及電容量、短路阻抗、頻率響應法繞組變形等試驗，重點檢查分析變壓器短路故障后繞組是否發生變形、主絕緣是否良好、繞組與引線接頭、調壓分接口接觸是否良好等問題。

2.2.1 絕緣電阻試驗

當變壓器發生短路故障時，繞組將受到較大電磁力的作用，當變壓器抗短路能力不足時，繞組將發生變形甚至主絕緣擊穿，造成主絕緣損壞，通過測量變壓器主絕緣電阻，可以初步判斷各繞組間及繞組對地間絕緣狀態是否良好。

絕緣電阻測試情況如表2所示，試驗數據表明：變壓器主絕緣電阻大于10000 MΩ，且吸收比大于1.1，試驗結果滿足《電力設備檢修試驗規程》Q/CSG1206007-2017相關要求，說明變壓器主絕緣沒有因短路電流沖擊而發生損壞。

表2 絕緣電阻測試

2.2.2 直流電阻測試

當短路電流流過變壓器時，繞組可能因承受較大的電磁力而發生變形，繞組嚴重變形導致繞組被拉升，繞組在拉升力的作用下可能發生局部匝間、層間斷線，使得繞組整體直流電阻增大，同時由于繞組變形使繞組被拉伸，導致局部繞組橫截面變小，長度增加，使被拉伸部分繞組直流電阻增加，最終導致繞組整體直流電阻增大；另一方面，大量短路電流流經變壓器，其薄弱環節容易造成損傷，如套管引線接頭、調壓分接頭、將軍帽（頂套）與線圈引出線之間因流過較大短路電流而發熱燒損導致接觸不良；通過測量變壓器直流電阻不僅可以判斷繞組是否存在斷線、短路等問題，還可以判斷繞組各接頭部分連接是否良好。

變壓器直流電阻測試試驗數據表明：變壓器三側繞組直流電阻值三相不平衡率及與歷史值對比偏差均滿足《電力設備檢修試驗規程》Q/CSG1206007-2017相關要求，說明變壓器各繞組接頭及引線焊接質量良好、分接開關接觸良好、繞組不否存在匝間、層間短路及斷線問題。

2.2.3 變比測試

通過變壓器變比測試可以檢測變壓器繞組匝數是否正確、繞組是否存在匝間短路斷線、繞組接頭的連接及分接開關位置是否正確等問題。

變壓器變比測試相關數據如表3所示，試驗數據表明：高-中、高-低、中-低變比偏差均滿足《電力設備檢修試驗規程》Q/CSG1206007-2017相關要求；該項試驗同直流電阻測試項目共同說明變壓器繞組無匝間短路及斷線問題。

表3 變比測試

2.2.4 短路阻抗測試

當變壓器負荷阻抗為零時輸入端的等效阻抗即為變壓器短路阻抗，短路阻抗包含電阻、電抗分量；對于大型電力變壓器，感抗分量遠大于電阻分量，因此短路阻抗值主要由電抗分量決定，當頻率一定時，短路電抗值主要由繞組的尺寸形狀所決定，因此當變壓器繞組發生變形時，勢必引起變壓器短路阻抗值的變化，因此通過測量變壓器短路阻抗可以作為繞組是否發生變形的依據，現場開展變壓器短路阻抗測試時，一側加壓一側短接，短接用的短接線應與出線端充分接觸并有足夠的截面，將流過加壓端的電壓電流數值進行計算從而得出被試品的短路阻抗值，將測試值同銘參或歷史值進行對比，從而分析變壓器繞組的狀態。

變壓器短路阻抗測試值如表4所示，試驗數據表明：繞組高-中、高-低短路阻抗值縱向對比偏差均小于1.6%，橫向對比偏差均小于2%，滿足DL/T1093-2008導則規定的要求，但其中A相繞組高-低短路阻抗值達到24.09%，較BC兩相輕微偏大；A相繞組中-低短路阻抗值達到8.157%，較BC兩相繞組明顯偏大，中-低短路阻抗橫向對比偏差高達3.88%，超過規程要求值2%，縱向對比偏差高達2.04%，超過規程要求值1.6%，綜合以上數據初步判斷變壓器低壓繞組可能存在變形現象。

表4 短路阻抗測試

2.2.5 繞組連同套管電容量及介質損耗試驗

變壓器繞組連同套管的介損試驗不僅能檢查變壓器整體是否存在受潮、絕緣油劣化等問題，還能通過對比電容量的變化情況作為繞組變形的判別依據，主要通過比較繞組-繞組及地電容量變化量來分析繞組變形情況的，不論繞組發生整體變形、局部變形、軸向扭曲、輻向變形，此時繞組間及繞組對鐵芯及地的相對位置必將發生改變，相應帶來電容量的變化，因此通過測量繞組連同套管電容量可作為變壓器繞組變形的重要判據。

繞組連同套管介質損耗試驗數據如表5所示，試驗數據表明：高-中低及地、中-高低及地、低-高中及地介損值和歷史值相比，變化量不大，表明該變壓器無絕緣整體受潮、絕緣油劣化等問題；高-中低及地和中-高低及地電容量測試值與歷史值對比滿足相關規程要求，但低-高中及地所測得電容量較歷史值偏差達到3.9%，超過《電力設備交接驗收規程》規定值±3%，說明低壓繞組空間位置可能已發生變化，存在繞組變形可能。

表5 繞組連同套管介損及電容量測試

2.2.6 頻響法繞組變形試驗

變壓器的每個繞組均可等效為一個線性無源二端網絡，該網絡由電阻、電感、電容等分布參數組成，該二端網絡可通過傳遞函數描述，傳遞函數與分布參數有關，當變壓器發生繞組變形時，電感、電容等分布參數將發生變化，導致傳遞函數的參數發生改變，從而使繞組的頻率響應特性發生變化，從而達到檢測繞組變形與否的目的，用頻率響應分析法判斷變壓器繞組變形，主要是對繞組的幅頻響應特性進行縱向和橫向對比，縱向對比通常指將同一繞組的本次測量數據同歷史試驗數據進行對比，通過對比前后兩條頻率響應特性曲線的一致性來判斷變壓器的繞組變形，縱向對比的可靠性較高，但應預先獲得變壓器原始的頻率響應特性數據，并應排除外界干擾對試驗結果的影響，橫向對比通常指將同一變壓器同一電壓等級的不同相之間進行對比，通過比較三相繞組頻率響應特性曲線之間的差異來判斷繞組變形。

1）高壓側ABC三相繞組頻率響應特征曲線如圖1所示，相關系數情況如表6所示，低頻段三條曲線基本相似，諧振點也基本一致，中高頻段3條曲線一致性較差，多個諧振點錯位，220 kHz附近B相少一個波谷，620 kHz附近B相又多出一個波谷，250~300 kHz附近BC相波谷明顯較A相右移，700 kHz附近B相與AC相諧振點相反，中低頻段相關系數偏低，從橫向對比的結果來看，高壓側繞組可能存在變形現象，由于沒有頻率響應特性歷史數據，固無法進行縱向對比分析。

圖1 高壓繞組頻率響應特性曲線

表6 高壓繞組頻響曲線相關系數分析

2）中壓側ABC三相繞組頻率響應特征曲線及相關系數分析結果如圖2所示，相關系數情況如表7所示，3條曲線中高頻段一致性較差，中高頻段3條曲線波峰、波谷的頻率分布位置及分布數量均存在差異，低頻段相關系數偏低，從橫向對比結果來看，中壓繞組可能存在輕度變形現象，由于沒有頻率響應特性歷史數據，固無法進行縱向對比分析。

圖2 中壓繞組頻率響應特性曲線

表7 中壓繞組頻響曲線相關系數分析

3）低壓側ABC三相繞組頻率響應特征曲線及相關系數分析結果如圖3所示，相關系數情況如表8所示，0~250 kHz區間三條曲線一致性較好，諧振點基本一致，300 kHz以后多個諧振點錯位，三相曲線多個波峰、波谷依次輕微右移，從相關系數角度來看，中低頻段相關系數均偏低，從橫向對比結果來看，低壓繞組可能存在輕微變形現象，由于沒有頻率響應特性歷史數據，固無法進行縱向對比分析。

圖3 低壓繞組頻率響應特性曲線

表8 低壓繞組頻響曲線相關系數分析

頻率響應分析法在現場應用中容易受外界干擾，如雜散電容、附加電感以及繞組殘余電荷均會對測量結果產生不同程度的影響，使測量得到的頻率響應特性曲線失真，甚至導致工作人員對試驗結果的誤判斷，通常將變壓器故障前后的頻率響應特性曲線進行縱向對比，是作為頻率響應分析法得出試驗結論的重要判據，當缺乏歷史數據進行對比時，只能將各相頻率響應特性曲線進行橫向對比，但對比結果只能對試驗結論起到參考作用，如果三相曲線較為一致，則可初步判斷變壓器繞組無變形現象，當3條曲線一致性較差時，則不能證明變壓器存在繞組變形問題，實踐經驗表明，很多繞組完好無變形的變壓器，在進行頻率響應特性測試橫向對比時，三相曲線一致性仍然較差，甚至部分變壓器在出廠試驗時，三相曲線橫向對比結果就不理想，因此在進行繞組變形分析判斷時應結合多項試驗數據進行綜合分析，本臺變壓器無歷史頻率響應特性試驗數據，固實際繞組變形情況應結合其他試驗項目及變壓器實際運行情況進行綜合分析判斷。

3 試驗數據綜合分析

綜合以上多項試驗項目可知：

1）變壓器油色譜分析結果顯示故障前后油中總烴含量明顯增多而且超過規程注意值，提示變壓器內部存在低溫過熱現象，考慮到變壓器短路瞬間流過較大短路電流產生熱量使變壓器油分解生成多種故障氣體導致；

2）繞組直流電阻測試、變比測試數據正常，說明繞組未發生匝間斷線、短路等問題且繞組各接頭部位接觸均良好；

3）繞組高、中、低三相繞組及鐵芯絕緣電阻合格，說明變壓器各電壓等級繞組間、繞組對地、貼芯對地絕緣狀況良好，沒有因短路電流沖擊而發生損壞；

4）A相高壓繞組-低壓繞組短路阻抗值 較BC兩 相 輕 微 偏 高（A相24.09%，B相23.85%，C相23.88%），但橫向、縱向偏差均滿足相關導則要求；中壓繞組-低壓繞組短路阻抗值橫向、縱向偏差較大，均超過相關導則要求值，其中A相中壓繞組-低壓繞組短路阻抗值較BC兩相明顯偏大（A相8.157%，B相7.849%，C相7.869%，三相對比偏差達3.88%）；低-高中及地電容量較歷史值增加較大，增量達到3.9%；通過頻率響應分析法可以看出，高壓繞組三相橫向對比3條曲線多個波峰波谷分布位置存在差異，曲線一致性較差；中壓繞組三相橫向對比3條曲線波峰、波谷的頻率分布位置及分布數量均存在差異；低壓繞組三相橫向對比3條曲線多個諧振點錯位，3條曲線多個波峰、波谷依次輕微右移；從橫向對比來看，高中低三側繞組均存在變形現象，由于沒有頻率響應特性歷史試驗數據，固無法將故障前后的頻率響應曲線進行向對比，本次橫向對比結果僅供參考；綜合以上變壓器油色譜分析、短路阻抗、繞組連同套管電容量、頻率相應法的試驗結果，最終判斷該變壓器低壓繞組存在變形故障。

4 吊罩檢查情況

該故障變壓器返廠吊罩檢查后發現：低壓繞組A相發生明顯輻向變形，上、中、下部均存在不同程度的鼓包和坍塌現象，線圈局部絕緣破損，墊塊未見脫落；低壓繞組C相發生輕微輻向變形，部分換位處有導線坍塌現象，其他繞組及部件未見異常；變形原因：該變壓器為2005年產品，低壓線圈采用紙包導線，導線強度偏低，抗短路能力不足導致該主變遭受近區短路故障后低壓繞組發生變形。

5 結束語

本文通過對一起220 kV變壓器故障跳閘后試驗分析，確定了變壓器低壓繞組發生變形，最后通過返廠吊罩檢查驗證了試驗結論的真實性；繞組變形是變壓器短路跳閘后常出現的故障，繞組變形會導致匝間絕緣裂開引起匝間短路、主絕緣強度下降、繞組輻向、軸向失穩等問題，因此通過試驗手段判斷變壓器繞組是否發生變形尤為重要，尤其是發生短路故障后的變壓器；在現場試驗中，不僅應開展油試驗、常規電氣試驗，還應開展短路阻抗測試、頻率響應法、繞組電容量測試等，將多個試驗項目進行綜合分析，再結合變壓器實際情況，最終得出更準確、更可靠的結論。