基于等效理論計(jì)算的電力變壓器繞組變形分析

廣西電網(wǎng)有限責(zé)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(yùn)行過(guò)程中，不可避免地要遭受到各種短路電流的沖擊，當(dāng)變壓器受到近區(qū)短路電流沖擊時(shí)，短路電流的瞬時(shí)值可達(dá)到額定值的幾十倍，如此大的短路電流會(huì)造成繞組的急劇發(fā)熱，高溫下的導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)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(dòng)力，甚至高達(dá)額定電流時(shí)電動(dòng)力的數(shù)十倍至數(shù)百倍，在導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度變小的情況下，繞組更容易變形。

對(duì)于一組繞組，內(nèi)側(cè)繞組受到的是幅向壓縮力，導(dǎo)致繞組向內(nèi)收縮和線匝收緊；外側(cè)繞組受到向外的張力，導(dǎo)致繞組向外擴(kuò)張和線匝松散，如果所受到的合應(yīng)力超過(guò)線圈剛度的屈服點(diǎn)，必將導(dǎo)致線圈發(fā)生永久變形，出現(xiàn)繞組會(huì)出現(xiàn)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(dòng)力還有累積作用，遭受沖擊次數(shù)越多，電動(dòng)力累積越多，造成的繞組軸向或徑向的變形也越嚴(yán)重。當(dāng)繞組發(fā)生變形后，有的會(huì)立即停運(yùn)，有些還會(huì)繼續(xù)“帶病”運(yùn)行，此時(shí)的變壓器存在重大安全隱患，直接影響變壓器的安全運(yùn)行。為了判斷變壓器是否發(fā)生變形，多通過(guò)常規(guī)電氣試驗(yàn)進(jìn)行判斷，下文依托某一變壓器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論計(jì)算公式，進(jìn)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(yùn)，型號(hào)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(fù)荷中帶有高載能負(fù)荷。投入運(yùn)行以來(lái)，主變中壓側(cè)累計(jì)遭受70%以上允許短路電流（估算為4.2kA）沖擊90次，累計(jì)持續(xù)時(shí)間2060ms，主變低壓側(cè)累計(jì)遭受70%以上允許短路電流（估算為5.6kA）沖擊90次，累計(jì)持續(xù)時(shí)間4050ms。在變壓器油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)正常的情況下，對(duì)變壓器狀況運(yùn)行分析，中壓、低壓側(cè)遭受的沖擊次數(shù)較多，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，易出現(xiàn)累積變形的情況，為了判斷變壓器的健康狀態(tài)，進(jìn)行了多次各種試驗(yàn)進(jìn)行判斷，選取其中兩次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。具體情況見(jiàn)表1～4。

表1 直流電阻試驗(yàn)

2 試驗(yàn)分析

2.1 直流電阻數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GB/T6451《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》[1]和《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)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(yīng)大于三相平均值的2%；無(wú)中性點(diǎn)引出的繞組，線電阻相互間差別不應(yīng)大于三相平均值的1%。正常的變壓器三相直流電阻測(cè)試結(jié)果不應(yīng)有明顯的差別，與出廠時(shí)結(jié)果相比，也不應(yīng)有明顯差別。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：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(méi)有超過(guò)規(guī)程規(guī)定的值。

2.2 介損電容量變化分析

對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)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(guò)了《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的電容量初值變化率不超過(guò)10%的要求，而三相變壓器，電容量變化率反應(yīng)的是三個(gè)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(fā)生嚴(yán)重變形。通過(guò)縱向分析，第II次試驗(yàn)的結(jié)果比第I次偏離初值更多，也說(shuō)明主絕緣間的等效距離變化更大，也說(shuō)明變形有惡化的趨勢(shì)。

表2 繞組連同套管介損及電容量（試驗(yàn)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(zhǔn)確分析繞組情況，需要先對(duì)線圈的排列方式進(jìn)行分析。根據(jù)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(jié)構(gòu)圖

表3 低電壓短路阻抗單相試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 低電壓短路阻抗

2.3.2 單相試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照GB/T6451《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》規(guī)定，對(duì)于容量介于6300～63000kVA的三繞組電力變壓器，其各繞組對(duì)之間的短路漏電抗標(biāo)準(zhǔn)同一。因此，考慮到不同容量的變壓器短路電抗變化率反應(yīng)繞組變形程度的靈敏度差異，規(guī)定對(duì)于額定容量介于25～100000kVA的電力變壓器，若短路試驗(yàn)后每相短路電抗值與原始值對(duì)比，初值變化率不大于2%，則認(rèn)為變壓器繞組未發(fā)生顯著變形；反之，則說(shuō)明異常。對(duì)表3中單相測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初值變化率分析，初值差超過(guò)2%的情況如下：兩次試驗(yàn)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(guò)規(guī)定值，且A相變化更大，說(shuō)明A，B相中壓、低壓存在嚴(yán)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(yàn)的變化要比第I次的大，也說(shuō)明繞組變形存在惡化的趨勢(shì)。

2.3.3 初值變化率對(duì)比分析

對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：高壓－中壓、中壓－低壓繞組短路阻抗與出廠值比較，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》要求不超過(guò)±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(yàn)數(shù)據(jù)與出廠試驗(yàn)值相比，高壓－中壓繞組對(duì)間變化率為18.68%，高壓－低壓繞組對(duì)間變化率為0.88%，初步分析，高壓－中壓繞組對(duì)間等效漏磁面積增大，由于對(duì)于高壓繞組供電的情況，中低壓繞組發(fā)生輻向變形時(shí)，總是使繞組間空道距離增大，從而導(dǎo)致電抗電壓增大，初步判斷，中壓、低壓繞組發(fā)生了變形，但中壓變形更為嚴(yán)重；而中壓－低壓繞組對(duì)間的電抗電壓最大變化率為-18.27%，說(shuō)明中壓繞組與低壓繞組的中空道距離減小，當(dāng)中壓繞組發(fā)生嚴(yán)重變形，低壓繞組也有顯著變形。

也說(shuō)明“對(duì)于三繞組變壓器，當(dāng)實(shí)際幾何位置在中間的繞組發(fā)生輻向變形時(shí)，其對(duì)外側(cè)繞組的短路電抗增大，對(duì)內(nèi)側(cè)繞組的短路電抗減?。划?dāng)實(shí)際幾何位置在最內(nèi)側(cè)的繞組發(fā)生輻向變形時(shí)，其對(duì)外側(cè)的其余繞組短路電抗均增大”。根據(jù)第I次和第II次的繞組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：當(dāng)三相繞組發(fā)生變形時(shí)，中-低壓繞組的短路阻抗要比高-低的變化率要大的。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，還發(fā)現(xiàn)最小分接位的阻抗變化率最大，這也說(shuō)明當(dāng)繞組發(fā)生變形時(shí)，最小分接位置對(duì)變形的靈敏度最強(qiáng)。

2.4 變形情況分析

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

通過(guò)計(jì)算，對(duì)高壓-低壓繞組對(duì)而言，第I次和第II次的電抗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)高壓-中壓繞組對(duì)而言，第I次和第II次的電抗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)高中壓-低壓繞組對(duì)而言，第I次和第II次的電抗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)比數(shù)據(jù)可以看出中壓繞組和低壓繞組的變形惡化趨勢(shì)嚴(yán)重。

3 解體故障原因剖析

解體后，發(fā)現(xiàn)A、B、C三相高壓線圈均沒(méi)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(yán)重，主要是中壓線圈與低壓線圈由于變形繞接在一起無(wú)法脫離；說(shuō)明內(nèi)繞組受到幅向壓縮力，導(dǎo)致繞組向內(nèi)收縮和線匝收緊。對(duì)變壓器進(jìn)行短路強(qiáng)度計(jì)算，線圈導(dǎo)線可承受的最大拉或壓應(yīng)力均小于導(dǎo)線的屈服強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)上有很大的安全裕度；對(duì)內(nèi)線圈線餅的臨界失穩(wěn)強(qiáng)度和變壓器承受短路耐熱能力計(jì)算也表示該變壓器設(shè)計(jì)能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。解體結(jié)構(gòu)分析如下。

一是變壓器繞組A、B相出現(xiàn)較大變形，說(shuō)明該變壓器在長(zhǎng)達(dá)16年的運(yùn)行過(guò)程中遭受到短路沖擊的次數(shù)較多，平均一年6次，持續(xù)約130ms，導(dǎo)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(nèi)線圈受到向內(nèi)壓縮的力，導(dǎo)致?lián)螚l間隔內(nèi)的線餅出現(xiàn)向內(nèi)凹陷。A相繞組變形大，主要是由于A相繞組距離調(diào)壓開(kāi)關(guān)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(guān)，由于變壓器2003年出廠，而當(dāng)時(shí)對(duì)于變壓器出廠關(guān)于抗短路能力方面要求沒(méi)有現(xiàn)在嚴(yán)格。雖然變壓器短路強(qiáng)度表明能夠承受短路應(yīng)力，但在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，線圈受電動(dòng)力的振動(dòng)作用，電磁線本身的屈服強(qiáng)度也會(huì)逐漸下降，同時(shí)器身的壓緊力也會(huì)逐年下降，這就會(huì)造成變壓器的抗短路能力逐年降低。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，能夠從理論上剖析繞組變形的原因，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在變壓器繞組存在有一定變形后，且在負(fù)荷側(cè)運(yùn)行條件惡劣或運(yùn)行線路有短路頻發(fā)的情況下，變壓器繞組變形的累積效應(yīng)明顯，輕微變形的繞組是變壓器的薄弱部位，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中慢慢地惡化，發(fā)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(fā)生故障，進(jìn)而導(dǎo)致繞組嚴(yán)重變形或部件損壞，也從而驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的重要性。