一起變壓器繞組變形故障的測量分析與判斷

南方電網(wǎng)紅河供電局 王允光 朱啟龍 沈 映 余 煒

變壓器在電力系統(tǒng)中屬于重要的設(shè)備之一，其正常運行關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。但變壓器在運行中除長期承受正常運行電流流過繞組所帶來的電動力及機械振動的沖擊，還要承受故障狀態(tài)下的沖擊電流對變壓器的繞組和機械結(jié)構(gòu)受到機械應(yīng)力的沖擊，導致繞組變形，運行中造成事故。為此，在變壓器正常運行中或遭受短路沖擊后，能準確診斷分析診斷變壓器繞組狀態(tài)，預防因其變形造成的主變損壞、非計劃停電等事故的發(fā)生顯得尤為重要。

1 故障案例分析

某220kV變電站110kV線路發(fā)生接地故障，最大電流11052A，線路發(fā)生故障時，根據(jù)220kV主變故障錄波圖，220kV1號主變中壓側(cè)流過短路為6.41kA（峰值），1號主變中壓側(cè)額定電流為903.68A，短路電流為5倍額定電流；220kV2號主變中壓側(cè)流過短路為8.99kA（峰值），2號主變中壓側(cè)額定電流為602A，短路電流為10.6倍額定電流。220kV1號主變中壓側(cè)流過短路電流為8.01kA（峰值），為8.86倍額定電流；220kV2號主變中壓側(cè)流過短路電流為11.15kA（峰值），為13.1倍額定電流。220kV2號主變本體重瓦斯動作，跳開2號主變?nèi)齻?cè)斷路器?，F(xiàn)場對220kV2號主變及三側(cè)斷路器間隔進行外觀檢查，三側(cè)斷路器間隔無異常，檢查2號主變本體發(fā)現(xiàn)A相變壓器瓦斯繼電器內(nèi)部空間有3/5氣體，本體呼吸器處有少量油噴出。

對該變壓器開展了絕緣電阻測試（繞組連同套管、鐵芯及夾件）、繞組連同套管介損及電容量測試、繞組直流電阻測試、繞組變形（頻率響應(yīng)法、低壓阻抗）測試[1-3]，中壓側(cè)各檔位預試及短路后測試結(jié)果分別為：RAO131.13/210.86，RBO131.23/128.24，RCO131.03/127.59，ΔR%0.15%/53.53%；低壓側(cè)測試結(jié)果分別為：Rab37.25/37.16，Rbc37.21/36.34，Rca37.17/36.26，ΔR%0.22%/2.46%。

1.1 繞組直流電阻測試

從繞組直流電阻試驗數(shù)據(jù)看，高壓繞組直流電阻三相偏差分布在[2.6%,3.1%]之間，超過“規(guī)程”要求。從數(shù)據(jù)上看，B、C相直流電阻橫相偏差很小，造成三相數(shù)據(jù)偏差異常的原因為A相數(shù)據(jù)為事故后當夜測試、繞組溫度較高，而B、C相數(shù)據(jù)為事故后第三天測試所得，低壓繞組情況與此相似。而中壓繞組三相直流電阻偏差為53.52%，顯著增大的為A相，鑒于上次預試數(shù)據(jù)三相偏差為0.22%，以本次B、C相所測數(shù)據(jù)作為參考，A相與上次預試值比較增長64.43%，可判斷A相中壓繞組存在斷股[2]。

圖1 變壓器高壓側(cè)直流電阻測試值分布圖

1.2 繞組連同套管的介損及電容量

從繞組連同套管的介損及電容量試驗結(jié)果來看，B、C相介損及電容量較上次預試值無明顯變化。A相“高-中、低及地”試驗數(shù)據(jù)正常，而“中-高、低及地”、“低-高、中及地”介損值分別為0.944%、0.858%，增長分別為529.3%、512.9%，超過“規(guī)程”要求；A相“高-中、低及地”電容量與上次預試值比較，變化量為+0.62%，A相“中-高、低及地”電容量與上次預試值比較變化量為+2.93%，A相“低-高、中及地”電容量與上次預試值比較變化量為+1.91%，由于中壓繞組居于高、低壓繞組之間，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以初步判斷故障點在中、低壓繞組之間[4-5]。

表1 主變壓器繞組電容量測試數(shù)據(jù)

表2 主變壓器繞組介損測試數(shù)據(jù)

1.3 繞組變形頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)試驗使用TDT6型試驗設(shè)備進行，依據(jù)行標DL/T911-2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》測試信號頻率選取1～1000kHz范圍內(nèi)，測試并計算低頻段：1～100kHz，中頻段100～600kHz，高頻段600～1000kHz的相關(guān)系數(shù)分析，分析變壓器繞組的狀態(tài)。當給一個掃頻信號后，在整個頻率范圍內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)諧振，最大的響應(yīng)電壓發(fā)生在等效電路出現(xiàn)串聯(lián)諧振現(xiàn)象時，此時頻響特性曲線出現(xiàn)峰值；頻響曲線的谷值發(fā)生在等效電路出現(xiàn)并聯(lián)諧振時。該主變中壓側(cè)發(fā)生短路后進行繞組變形頻響法測量，各側(cè)繞組頻響特性曲線如圖2，測試數(shù)據(jù)顯示高壓側(cè)各頻段曲線重合度較高，低頻段曲線重合度稍差但是仍在合格范圍內(nèi)[3、6、7]。

圖2 變壓器高壓側(cè)繞組頻響特性曲線

中壓側(cè)頻率響應(yīng)曲線顯示，整個高中低頻段三相曲線的重合度較差，通過相關(guān)系數(shù)的計算值可以發(fā)現(xiàn)，低頻段相關(guān)系數(shù)R21、R13＜0.6，中頻段相關(guān)系數(shù)R21、R13均為0.2＜0.6，即在中壓側(cè)繞組的中、低頻段均有明顯變形的跡象，且三相曲線相比較A相曲線存在明顯右移如圖3所示[3]。低壓側(cè)曲線顯示，在曲線的50～400kHz及550～700kHz部分重合度較低，分布于曲線的低頻段、大部分中頻段和高頻段的小部分。通過相關(guān)系數(shù)的計算可知，低頻段R21＜1，有明顯變形現(xiàn)象；中頻段R21、R31、R32＜1，有輕度變形現(xiàn)象[8-9]。

圖3 變壓器中壓側(cè)繞組頻響特性曲線

發(fā)生短路故障后，從獲得的變壓器每個繞組的頻率響應(yīng)特性分析，橫向比較變壓器相同的電壓等級的三相繞組的當前測試數(shù)據(jù)，可見該主變A相中壓側(cè)繞組頻響在低、中、高整個頻段與另外兩相存在較大差異，A相低壓側(cè)橫向比較三相繞組的頻響特性曲線存在明顯差異。A相繞組在低頻段的頻響曲線明顯后移，而B、C兩相的則基本保持原有的差異程度，因此可準確判斷該變壓器A相繞組的頻響特性發(fā)生明顯的變化，且由于該變化主要發(fā)生在低頻段，故可認為該繞組存在嚴重變形。

在獲得變壓器各個繞組的頻率響應(yīng)特性以后，即可對相同電壓等級的三相繞組頻響數(shù)據(jù)曲線進行橫向（相間）、縱向（歷史數(shù)據(jù)或同廠同型號數(shù)據(jù)）比較，根據(jù)其差異或變化情況，判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形現(xiàn)象。變壓器繞組的頻響數(shù)據(jù)曲線中通常包含多個明顯的波峰和波谷，其分布位置及分布數(shù)量的變化是分析繞組變形的重要依據(jù)。如果在低頻段（1Hz～100kHz）發(fā)生變化，通常表示著繞組的電感改變，有可能存在匝間或餅間短路。

圖4 變壓器低壓側(cè)繞組頻響特性曲

對于絕大部分變壓器，如果不存在繞組結(jié)構(gòu)的先天性差異，其三相繞組在低頻段的頻響數(shù)據(jù)曲線均應(yīng)相似，如果存在差異應(yīng)及時查明原因；如果在中頻段（100kHz～600kHz）發(fā)生變化，通常表示著繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象，大多數(shù)繞組變形現(xiàn)象在該頻段均應(yīng)有較明顯的現(xiàn)象；如果在高頻段（600kHz以上）發(fā)生變化，通常表示著繞組的對地電容改變，可能存在繞組整體位移或引線移位等情況。但由于高頻段易受測試引線的影響，且該類變形現(xiàn)象通常在中頻段也會有較明顯的反映，故通常不把高頻段測試數(shù)據(jù)作為繞組變形分析的主要信息[9-10]。正常測得的頻響數(shù)據(jù)曲線應(yīng)是清晰、連續(xù)和平滑的，其幅度值大多分布在-70dB～0dB之間，且隨頻率的提高呈現(xiàn)總體上升的趨勢。

上一次測試獲得的變壓器每個繞組的頻率響應(yīng)特性分析，橫向比較變壓器相同電壓等級的三相繞組的當前測試數(shù)據(jù)，可見該主變中壓側(cè)橫向比較三相繞組的頻響特性曲線無明顯差異、三相頻響曲線的一致性良好，基本能到達規(guī)程的要求。為此，以上一次測試值為基準，分別比較分析主變中壓側(cè)A、B、C三相。

A相中壓側(cè)繞組頻率特性在在低頻段（1kHz～100kHz）發(fā)生變化，因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、感抗較小，波峰波谷的位置有明顯的變化，通常預示著繞組電感的變化，預示著繞組的電感改變，有可能存在匝間或餅間短路。在中頻段（100kHz～600kHz）發(fā)生變化，通常預示著繞組發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。

圖5 主變中壓側(cè)A、B、C三相上一次測試頻響特性曲線

圖6 主變A相中壓側(cè)前后兩次測試繞組變形數(shù)據(jù)

圖7 A相中壓側(cè)兩次測試中低頻段繞組變形測試數(shù)據(jù)

該主變發(fā)生中壓側(cè)短路后，內(nèi)繞組受到向內(nèi)壓縮的力，可能會出現(xiàn)繞組向內(nèi)過度彎曲的情況，整個內(nèi)繞組直徑減小，繞組的平均直徑變小，電感量下降。與高低壓繞組間的間距變大，互感電容也隨之減小，電感電容量參數(shù)均減小，在整個頻率范圍內(nèi)諧振峰值均向高頻方向發(fā)生移動，且諧振峰值幅值也略微增大。同時也導致在短路電動力作用下繞組變形導致匝絕緣破裂而引起匝間短路，從而產(chǎn)生更為嚴重的短路事故[11]。

變壓器當前測得的三相繞組頻響數(shù)據(jù)，分別比較三相頻響曲線的一致性很差，通過橫向比較法很難做出準確的診斷結(jié)論，更不能簡單地認為三相繞組均存在變形現(xiàn)象。但通過與圖9所示的歷史數(shù)據(jù)進行縱向比較可看出，A相繞組在低頻段的頻響曲線明顯前移，而B、C兩相的則基本保持原有的差異程度，因此可準確判斷該變壓器A相繞組的頻響特性發(fā)生明顯的變化，且由于該變化主要發(fā)生在低頻段，故可認為該繞組存在嚴重變形。

圖8 B相中壓側(cè)前后兩側(cè)繞組變形數(shù)據(jù)分析

圖9 C相中壓側(cè)前后兩側(cè)繞組變形數(shù)據(jù)分析

1.4 變壓器解體驗證

該變壓器解體吊罩后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部干凈程度較好，最外層高壓繞組線圈外觀良好，繞線線圈潔凈、形狀規(guī)則，高壓繞組取下后，發(fā)現(xiàn)中壓繞組線圈有非常明顯的鼓包和扭曲變形，低壓側(cè)分離后顯示有一些輕微的變形，應(yīng)是受中壓側(cè)擠壓所致。

2 變壓器繞組故障分析總結(jié)

綜合運用常規(guī)試驗、頻率響應(yīng)法、短路阻抗法等試驗測試完成主變故障檢測，總結(jié)如下：變壓器直流電阻值已出現(xiàn)明顯異常，可以判定繞組出現(xiàn)匝間或餅間短路及繞組燒損的情況；從頻率響應(yīng)的情況來看，中、低壓測繞組均存在變形情況，中壓側(cè)繞組變形的程度可能要嚴重一些，短路阻抗測試的數(shù)據(jù)也表明，有中壓繞組參與的數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了明顯異常；結(jié)合繞組電容量、介質(zhì)損耗測試，中、低壓側(cè)繞組整體電容量略有變化，而A相中低壓繞組的介質(zhì)損耗已大幅增漲。綜合以上數(shù)據(jù)分析，可以認定該主變壓器繞組在外力作用下發(fā)生了比較明顯的變形，結(jié)合主變壓器歷史運行負荷較小，主變壓器中壓側(cè)(也可能有低壓側(cè))繞組在短路電流產(chǎn)生巨大的電動力沖擊下，繞組線圈發(fā)生了結(jié)構(gòu)上的形變，繞組出現(xiàn)匝間或餅間短路及繞組過熱、短路、燒蝕等現(xiàn)象。

根據(jù)本體電容及介損試驗、中低壓側(cè)直阻試驗以及頻率響應(yīng)試驗檢測的試驗結(jié)果，通過綜合分析判斷該變壓器繞組存在變形，并解體印證。通過上述變壓器繞組變形故障的判斷處理，發(fā)現(xiàn)在試驗中對于不合格的試驗結(jié)果應(yīng)從多個方面綜合分析，對后期檢修工作的開展具有指導意義。對于變壓器繞組狀態(tài)的評估分析試驗應(yīng)重視現(xiàn)場檢測試驗的數(shù)據(jù)分析，才能為后期檢修工作提供有針對性和有效性的方案，從而降低檢修成本，維護設(shè)備和電網(wǎng)的健康穩(wěn)定運行。