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(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。但變壓器在運(yùn)行中除長(zhǎng)期承受正常運(yùn)行電流流過(guò)繞組所帶來(lái)的電動(dòng)力及機(jī)械振動(dòng)的沖擊，還要承受故障狀態(tài)下的沖擊電流對(duì)變壓器的繞組和機(jī)械結(jié)構(gòu)受到機(jī)械應(yīng)力的沖擊，導(dǎo)致繞組變形，運(yùn)行中造成事故。為此，在變壓器正常運(yùn)行中或遭受短路沖擊后，能準(zhǔn)確診斷分析診斷變壓器繞組狀態(tài)，預(yù)防因其變形造成的主變損壞、非計(jì)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(shí)，根據(jù)220kV主變故障錄波圖，220kV1號(hào)主變中壓側(cè)流過(guò)短路為6.41kA（峰值），1號(hào)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(hào)主變中壓側(cè)流過(guò)短路為8.99kA（峰值），2號(hào)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(hào)主變中壓側(cè)流過(guò)短路電流為8.01kA（峰值），為8.86倍額定電流；220kV2號(hào)主變中壓側(cè)流過(guò)短路電流為11.15kA（峰值），為13.1倍額定電流。220kV2號(hào)主變本體重瓦斯動(dòng)作，跳開(kāi)2號(hào)主變?nèi)齻?cè)斷路器。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)220kV2號(hào)主變及三側(cè)斷路器間隔進(jìn)行外觀檢查，三側(cè)斷路器間隔無(wú)異常，檢查2號(hào)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(duì)該變壓器開(kāi)展了絕緣電阻測(cè)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(cè)試、繞組直流電阻測(cè)試、繞組變形（頻率響應(yīng)法、低壓阻抗）測(cè)試[1-3]，中壓側(cè)各檔位預(yù)試及短路后測(cè)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(cè)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(cè)試

從繞組直流電阻試驗(yàn)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(guò)“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?yàn)锳相數(shù)據(jù)為事故后當(dāng)夜測(cè)試、繞組溫度較高，而B(niǎo)、C相數(shù)據(jù)為事故后第三天測(cè)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(yù)試數(shù)據(jù)三相偏差為0.22%，以本次B、C相所測(cè)數(shù)據(jù)作為參考，A相與上次預(yù)試值比較增長(zhǎng)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(cè)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(yàn)結(jié)果來(lái)看，B、C相介損及電容量較上次預(yù)試值無(wú)明顯變化。A相“高-中、低及地”試驗(yàn)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(zhǎng)分別為529.3%、512.9%，超過(guò)“規(guī)程”要求；A相“高-中、低及地”電容量與上次預(yù)試值比較，變化量為+0.62%，A相“中-高、低及地”電容量與上次預(yù)試值比較變化量為+2.93%，A相“低-高、中及地”電容量與上次預(yù)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(diǎn)在中、低壓繞組之間[4-5]。

表1 主變壓器繞組電容量測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 主變壓器繞組介損測(cè)試數(shù)據(jù)

1.3 繞組變形頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)試驗(yàn)使用TDT6型試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行，依據(jù)行標(biāo)DL/T911-2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》測(cè)試信號(hào)頻率選取1～1000kHz范圍內(nèi)，測(cè)試并計(jì)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(dāng)給一個(gè)掃頻信號(hào)后，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)會(huì)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(shí)，此時(shí)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(shí)。該主變中壓側(cè)發(fā)生短路后進(jìn)行繞組變形頻響法測(cè)量，各側(cè)繞組頻響特性曲線如圖2，測(cè)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(gè)高中低頻段三相曲線的重合度較差，通過(guò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)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(guò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)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(gè)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(jí)的三相繞組的當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)，可見(jiàn)該主變A相中壓側(cè)繞組頻響在低、中、高整個(gè)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(niǎo)、C兩相的則基本保持原有的差異程度，因此可準(zhǔn)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(rèn)為該繞組存在嚴(yán)重變形。

在獲得變壓器各個(gè)繞組的頻率響應(yīng)特性以后，即可對(duì)相同電壓等級(jí)的三相繞組頻響數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行橫向（相間）、縱向（歷史數(shù)據(jù)或同廠同型號(hào)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(gè)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(duì)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(shí)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(duì)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(cè)試引線的影響，且該類變形現(xiàn)象通常在中頻段也會(huì)有較明顯的反映，故通常不把高頻段測(cè)試數(shù)據(jù)作為繞組變形分析的主要信息[9-10]。正常測(cè)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(shì)。

上一次測(cè)試獲得的變壓器每個(gè)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(jí)的三相繞組的當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)，可見(jiàn)該主變中壓側(cè)橫向比較三相繞組的頻響特性曲線無(wú)明顯差異、三相頻響曲線的一致性良好，基本能到達(dá)規(guī)程的要求。為此，以上一次測(cè)試值為基準(zhǔn)，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(shí)繞組的對(duì)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(yù)示著繞組電感的變化，預(yù)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(yù)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(cè)試頻響特性曲線

圖6 主變A相中壓側(cè)前后兩次測(cè)試?yán)@組變形數(shù)據(jù)

圖7 A相中壓側(cè)兩次測(cè)試中低頻段繞組變形測(cè)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(huì)出現(xiàn)繞組向內(nèi)過(guò)度彎曲的情況，整個(gè)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(gè)頻率范圍內(nèi)諧振峰值均向高頻方向發(fā)生移動(dòng)，且諧振峰值幅值也略微增大。同時(shí)也導(dǎo)致在短路電動(dòng)力作用下繞組變形導(dǎo)致匝絕緣破裂而引起匝間短路，從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的短路事故[11]。

變壓器當(dāng)前測(cè)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(guò)橫向比較法很難做出準(zhǔn)確的診斷結(jié)論，更不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為三相繞組均存在變形現(xiàn)象。但通過(guò)與圖9所示的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(niǎo)、C兩相的則基本保持原有的差異程度，因此可準(zhǔn)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(rèn)為該繞組存在嚴(yán)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(yàn)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(yùn)用常規(guī)試驗(yàn)、頻率響應(yīng)法、短路阻抗法等試驗(yàn)測(cè)試完成主變故障檢測(cè)，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(lái)看，中、低壓測(cè)繞組均存在變形情況，中壓側(cè)繞組變形的程度可能要嚴(yán)重一些，短路阻抗測(cè)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(cè)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(rèn)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(yùn)行負(fù)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(dòng)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(guò)熱、短路、燒蝕等現(xiàn)象。

根據(jù)本體電容及介損試驗(yàn)、中低壓側(cè)直阻試驗(yàn)以及頻率響應(yīng)試驗(yàn)檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)綜合分析判斷該變壓器繞組存在變形，并解體印證。通過(guò)上述變壓器繞組變形故障的判斷處理，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中對(duì)于不合格的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)從多個(gè)方面綜合分析，對(duì)后期檢修工作的開(kāi)展具有指導(dǎo)意義。對(duì)于變壓器繞組狀態(tài)的評(píng)估分析試驗(yàn)應(yīng)重視現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，才能為后期檢修工作提供有針對(duì)性和有效性的方案，從而降低檢修成本，維護(hù)設(shè)備和電網(wǎng)的健康穩(wěn)定運(yùn)行。