基于等效理論計算的電力變壓器繞組變形分析

廣西電網有限責任公司北海合浦供電局 何澤維 王靖方 龍高瑋淋

電力變壓器在運行過程中，不可避免地要遭受到各種短路電流的沖擊，當變壓器受到近區短路電流沖擊時，短路電流的瞬時值可達到額定值的幾十倍，如此大的短路電流會造成繞組的急劇發熱，高溫下的導線的機械強度會變小，而巨大的短路沖擊電流將使變壓器繞組受到較大的電動力，甚至高達額定電流時電動力的數十倍至數百倍，在導線機械強度變小的情況下，繞組更容易變形。

對于一組繞組，內側繞組受到的是幅向壓縮力，導致繞組向內收縮和線匝收緊；外側繞組受到向外的張力，導致繞組向外擴張和線匝松散，如果所受到的合應力超過線圈剛度的屈服點，必將導致線圈發生永久變形，出現繞組會出現局部扭曲或大或小的鼓包、位移或匝間、餅間短路等變形情況；而且繞組受到的電動力還有累積作用，遭受沖擊次數越多，電動力累積越多，造成的繞組軸向或徑向的變形也越嚴重。當繞組發生變形后，有的會立即停運，有些還會繼續“帶病”運行，此時的變壓器存在重大安全隱患，直接影響變壓器的安全運行。為了判斷變壓器是否發生變形，多通過常規電氣試驗進行判斷，下文依托某一變壓器的試驗數據，結合理論計算公式，進行分析變壓器變形情況。

1 變壓器概況

某主電力變壓器2003年11月出廠，2004年1月投運，型號為SFSZ10-63000/110，電壓組合為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV，連接組別為YNyn0d11，容量組合為63000/63000/31500kVA，負荷中帶有高載能負荷。投入運行以來，主變中壓側累計遭受70%以上允許短路電流（估算為4.2kA）沖擊90次，累計持續時間2060ms，主變低壓側累計遭受70%以上允許短路電流（估算為5.6kA）沖擊90次，累計持續時間4050ms。在變壓器油中溶解氣體分析數據正常的情況下，對變壓器狀況運行分析，中壓、低壓側遭受的沖擊次數較多，持續時間較長，易出現累積變形的情況，為了判斷變壓器的健康狀態，進行了多次各種試驗進行判斷，選取其中兩次進行數據分析。具體情況見表1～4。

表1 直流電阻試驗

2 試驗分析

2.1 直流電阻數據分析

根據GB/T6451《三相油浸式電力變壓器技術參數和要求》[1]和《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定的變壓器電阻不平衡率的要求：1600kVA以上變壓器，各相繞組電阻相互間差別不應大于三相平均值的2%；無中性點引出的繞組，線電阻相互間差別不應大于三相平均值的1%。正常的變壓器三相直流電阻測試結果不應有明顯的差別，與出廠時結果相比，也不應有明顯差別。通過數據分析發現：高壓繞組的相間不平衡率為1.03%，中壓繞組為0.754%；而低壓繞組的線間不平衡率為0.42%都沒有超過規程規定的值。

2.2 介損電容量變化分析

對表2中的試驗數據進行初值變化率橫向分析：中壓、低壓繞組的電容量與出廠值比較，均出現明顯變化，且第II次比第I次初值差變化更大，且都接近或超過了《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定的電容量初值變化率不超過10%的要求，而三相變壓器，電容量變化率反應的是三個繞組的整體情況，所以低壓繞組的主絕緣電容量的變化率較中壓繞組靈敏，按照繞組線圈的排列方式可以判斷中壓繞組發生嚴重變形。通過縱向分析，第II次試驗的結果比第I次偏離初值更多，也說明主絕緣間的等效距離變化更大，也說明變形有惡化的趨勢。

表2 繞組連同套管介損及電容量（試驗電壓10kV）

2.3 短路阻抗變化分析

2.3.1 判斷線圈排列情況

一般變壓器繞組的排列方式為：鐵心－低壓線圈－中壓線圈－高壓線圈，如圖1所示，但也有例外的，為了準確分析繞組情況，需要先對線圈的排列方式進行分析。根據表3短路阻抗電壓的銘牌值的大小判斷線圈排列方式，高－低的短路阻抗為19.29%，高－中的短路阻抗為10.17%，中－低的短路阻抗為6.46%，判斷線圈排列方式為鐵心－低壓線圈－中壓線圈－高壓線圈。

圖1 繞組結構圖

表3 低電壓短路阻抗單相試驗數據

表4 低電壓短路阻抗

2.3.2 單相試驗數據分析

按照GB/T6451《油浸式電力變壓器技術參數和要求》規定，對于容量介于6300～63000kVA的三繞組電力變壓器，其各繞組對之間的短路漏電抗標準同一。因此，考慮到不同容量的變壓器短路電抗變化率反應繞組變形程度的靈敏度差異，規定對于額定容量介于25～100000kVA的電力變壓器，若短路試驗后每相短路電抗值與原始值對比，初值變化率不大于2%，則認為變壓器繞組未發生顯著變形；反之，則說明異常。對表3中單相測量數據進行初值變化率分析，初值差超過2%的情況如下：兩次試驗的A、B相高壓－中壓、中壓－低壓和B相的高壓－中壓、中壓－低壓的變化率都超過規定值，且A相變化更大，說明A，B相中壓、低壓存在嚴重變形，且A相的變形程度要大于B相，縱向分析第II次試驗的變化要比第I次的大，也說明繞組變形存在惡化的趨勢。

2.3.3 初值變化率對比分析

對表3中的數據進行分析：高壓－中壓、中壓－低壓繞組短路阻抗與出廠值比較，遠遠超出《輸變電設備狀態檢修試驗規程》要求不超過±2.0%范圍的要求，且第II次與第I次誤差比較增加明顯。第II次試驗數據與出廠試驗值相比，高壓－中壓繞組對間變化率為18.68%，高壓－低壓繞組對間變化率為0.88%，初步分析，高壓－中壓繞組對間等效漏磁面積增大，由于對于高壓繞組供電的情況，中低壓繞組發生輻向變形時，總是使繞組間空道距離增大，從而導致電抗電壓增大，初步判斷，中壓、低壓繞組發生了變形，但中壓變形更為嚴重；而中壓－低壓繞組對間的電抗電壓最大變化率為-18.27%，說明中壓繞組與低壓繞組的中空道距離減小，當中壓繞組發生嚴重變形，低壓繞組也有顯著變形。

也說明“對于三繞組變壓器，當實際幾何位置在中間的繞組發生輻向變形時，其對外側繞組的短路電抗增大，對內側繞組的短路電抗減小；當實際幾何位置在最內側的繞組發生輻向變形時，其對外側的其余繞組短路電抗均增大”。根據第I次和第II次的繞組試驗數據分析表明：當三相繞組發生變形時，中-低壓繞組的短路阻抗要比高-低的變化率要大的。通過試驗數據分析，還發現最小分接位的阻抗變化率最大，這也說明當繞組發生變形時，最小分接位置對變形的靈敏度最強。

2.4 變形情況分析

根據孟建英[2]等對等效變形量與短路電抗關系的研究，可以推導出繞組變形惡化程度與電抗變化率之間的關系為公式（1）：

通過計算，對高壓-低壓繞組對而言，第I次和第II次的電抗實測數據為19.45%和19.46%，電抗初值變化率分別為0.83%和0.88%，繞組變形惡化程度為8%；對高壓-中壓繞組對而言，第I次和第II次的電抗實測數據為10.68%和12.07%，電抗初值變化率分別為5.01%和18.68%，繞組變形惡化程度為271%；對高中壓-低壓繞組對而言，第I次和第II次的電抗實測數據為6.09%和5.28%，電抗初值變化率分別為-5.73%和-18.27%，繞組變形惡化程度為220%；從以上對比數據可以看出中壓繞組和低壓繞組的變形惡化趨勢嚴重。

3 解體故障原因剖析

解體后，發現A、B、C三相高壓線圈均沒有明顯變形情況，A、B相中壓、低壓繞組均有明顯變形，C相低壓有輕微變形，并且A相中低壓繞組的變形最為嚴重，主要是中壓線圈與低壓線圈由于變形繞接在一起無法脫離；說明內繞組受到幅向壓縮力，導致繞組向內收縮和線匝收緊。對變壓器進行短路強度計算，線圈導線可承受的最大拉或壓應力均小于導線的屈服強度，在設計上有很大的安全裕度；對內線圈線餅的臨界失穩強度和變壓器承受短路耐熱能力計算也表示該變壓器設計能夠滿足國家標準的要求。解體結構分析如下。

一是變壓器繞組A、B相出現較大變形，說明該變壓器在長達16年的運行過程中遭受到短路沖擊的次數較多，平均一年6次，持續約130ms，導致繞組在承受短路力的情況下，繞組間外線圈受到向外拉扯的力，而內線圈受到向內壓縮的力，導致撐條間隔內的線餅出現向內凹陷。A相繞組變形大，主要是由于A相繞組距離調壓開關近，遭受到的短路沖擊更大。

二是線圈變形還可能與線圈本身的抗短路力的能力有關，由于變壓器2003年出廠，而當時對于變壓器出廠關于抗短路能力方面要求沒有現在嚴格。雖然變壓器短路強度表明能夠承受短路應力，但在長期的運行過程中，線圈受電動力的振動作用，電磁線本身的屈服強度也會逐漸下降，同時器身的壓緊力也會逐年下降，這就會造成變壓器的抗短路能力逐年降低。

通過試驗數據進行理論分析，能夠從理論上剖析繞組變形的原因，當發現在變壓器繞組存在有一定變形后，且在負荷側運行條件惡劣或運行線路有短路頻發的情況下，變壓器繞組變形的累積效應明顯，輕微變形的繞組是變壓器的薄弱部位，在長期的運行過程中慢慢地惡化，發展到一定程度或者遭受短路電流沖擊后，繞組的薄弱部位首先發生故障，進而導致繞組嚴重變形或部件損壞，也從而驗證試驗數據分析的重要性。