寧小飛，李曄

（云南電網(wǎng)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(nèi)部原件相間短路、接地短路、出口短路和近區(qū)短路等，無論發(fā)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(chǎn)生和自身平方成正比的電動力作用在繞組上，使繞組發(fā)生移位或變形，繞組發(fā)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(fā)生變形后，繞組間及繞組對外殼等部件的空間距離將發(fā)生改變，固體絕緣介質(zhì)也將受到一定程度破壞，當遇到大氣過電壓或內(nèi)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(fā)性絕緣事故的發(fā)生，甚至在長期的工作電壓下發(fā)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(chǎn)生破壞作用，最終導致絕緣擊穿；另一方面，當繞組發(fā)生變形后，機械性能將下降，當再次發(fā)生短路故障時，將因承受不住巨大的電動力而發(fā)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(jù)，目前繞組連同套管電容量、短路阻抗、頻率響應(yīng)法等是判斷繞組變形與否的主要依據(jù)，同時應(yīng)結(jié)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(jié)論。

1 設(shè)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(cè)近區(qū)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(xiàn)場對該變壓器進行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，最終通過試驗數(shù)據(jù)分析及吊罩檢查確認該變壓器發(fā)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(chǎn)塵低烴類氣體（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）、還會產(chǎn)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(guān)，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(nèi)部狀態(tài)。

故障前后油色譜分析結(jié)果如表1所示，對比跳閘前后兩次分析數(shù)據(jù)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(nèi)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(fā)生短路故障跳閘后，應(yīng)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(yīng)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(fā)生變形、主絕緣是否良好、繞組與引線接頭、調(diào)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(fā)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(fā)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(tài)是否良好。

絕緣電阻測試情況如表2所示，試驗數(shù)據(jù)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(jié)果滿足《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》Q/CSG1206007-2017相關(guān)要求，說明變壓器主絕緣沒有因短路電流沖擊而發(fā)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(fā)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(fā)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(jīng)變壓器，其薄弱環(huán)節(jié)容易造成損傷，如套管引線接頭、調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)表明：變壓器三側(cè)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(shè)備檢修試驗規(guī)程》Q/CSG1206007-2017相關(guān)要求，說明變壓器各繞組接頭及引線焊接質(zhì)量良好、分接開關(guān)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(shù)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(guān)位置是否正確等問題。

變壓器變比測試相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示，試驗數(shù)據(jù)表明：高-中、高-低、中-低變比偏差均滿足《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》Q/CSG1206007-2017相關(guān)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(fā)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(fā)生變形的依據(jù)，現(xiàn)場開展變壓器短路阻抗測試時，一側(cè)加壓一側(cè)短接，短接用的短接線應(yīng)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(shù)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(tài)。

變壓器短路阻抗測試值如表4所示，試驗數(shù)據(jù)表明：繞組高-中、高-低短路阻抗值縱向?qū)Ρ绕罹∮?.6%，橫向?qū)Ρ绕罹∮?%，滿足DL/T1093-2008導則規(guī)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?qū)Ρ绕罡哌_3.88%，超過規(guī)程要求值2%，縱向?qū)Ρ绕罡哌_2.04%，超過規(guī)程要求值1.6%，綜合以上數(shù)據(jù)初步判斷變壓器低壓繞組可能存在變形現(xiàn)象。

表4 短路阻抗測試

2.2.5 繞組連同套管電容量及介質(zhì)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(jù)，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(fā)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(fā)生改變，相應(yīng)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(jù)。

繞組連同套管介質(zhì)損耗試驗數(shù)據(jù)如表5所示，試驗數(shù)據(jù)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(guān)規(guī)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(shè)備交接驗收規(guī)程》規(guī)定值±3%，說明低壓繞組空間位置可能已發(fā)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(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由電阻、電感、電容等分布參數(shù)組成，該二端網(wǎng)絡(luò)可通過傳遞函數(shù)描述，傳遞函數(shù)與分布參數(shù)有關(guān)，當變壓器發(fā)生繞組變形時，電感、電容等分布參數(shù)將發(fā)生變化，導致傳遞函數(shù)的參數(shù)發(fā)生改變，從而使繞組的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化，從而達到檢測繞組變形與否的目的，用頻率響應(yīng)分析法判斷變壓器繞組變形，主要是對繞組的幅頻響應(yīng)特性進行縱向和橫向?qū)Ρ?，縱向?qū)Ρ韧ǔＶ笇⑼焕@組的本次測量數(shù)據(jù)同歷史試驗數(shù)據(jù)進行對比，通過對比前后兩條頻率響應(yīng)特性曲線的一致性來判斷變壓器的繞組變形，縱向?qū)Ρ鹊目煽啃暂^高，但應(yīng)預(yù)先獲得變壓器原始的頻率響應(yīng)特性數(shù)據(jù)，并應(yīng)排除外界干擾對試驗結(jié)果的影響，橫向?qū)Ρ韧ǔＶ笇⑼蛔儔浩魍浑妷旱燃壍牟煌嘀g進行對比，通過比較三相繞組頻率響應(yīng)特性曲線之間的差異來判斷繞組變形。

1）高壓側(cè)ABC三相繞組頻率響應(yīng)特征曲線如圖1所示，相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)偏低，從橫向?qū)Ρ鹊慕Y(jié)果來看，高壓側(cè)繞組可能存在變形現(xiàn)象，由于沒有頻率響應(yīng)特性歷史數(shù)據(jù)，固無法進行縱向?qū)Ρ确治觥?/p>

圖1 高壓繞組頻率響應(yīng)特性曲線

表6 高壓繞組頻響曲線相關(guān)系數(shù)分析

2）中壓側(cè)ABC三相繞組頻率響應(yīng)特征曲線及相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如圖2所示，相關(guān)系數(shù)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(shù)量均存在差異，低頻段相關(guān)系數(shù)偏低，從橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果來看，中壓繞組可能存在輕度變形現(xiàn)象，由于沒有頻率響應(yīng)特性歷史數(shù)據(jù)，固無法進行縱向?qū)Ρ确治觥?/p>

圖2 中壓繞組頻率響應(yīng)特性曲線

表7 中壓繞組頻響曲線相關(guān)系數(shù)分析

3）低壓側(cè)ABC三相繞組頻率響應(yīng)特征曲線及相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如圖3所示，相關(guān)系數(shù)情況如表8所示，0~250 kHz區(qū)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(guān)系數(shù)角度來看，中低頻段相關(guān)系數(shù)均偏低，從橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果來看，低壓繞組可能存在輕微變形現(xiàn)象，由于沒有頻率響應(yīng)特性歷史數(shù)據(jù)，固無法進行縱向?qū)Ρ确治觥?/p>

圖3 低壓繞組頻率響應(yīng)特性曲線

表8 低壓繞組頻響曲線相關(guān)系數(shù)分析

頻率響應(yīng)分析法在現(xiàn)場應(yīng)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(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響，使測量得到的頻率響應(yīng)特性曲線失真，甚至導致工作人員對試驗結(jié)果的誤判斷，通常將變壓器故障前后的頻率響應(yīng)特性曲線進行縱向?qū)Ρ?，是作為頻率響應(yīng)分析法得出試驗結(jié)論的重要判據(jù)，當缺乏歷史數(shù)據(jù)進行對比時，只能將各相頻率響應(yīng)特性曲線進行橫向?qū)Ρ?，但對比結(jié)果只能對試驗結(jié)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(xiàn)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(jīng)驗表明，很多繞組完好無變形的變壓器，在進行頻率響應(yīng)特性測試橫向?qū)Ρ葧r，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?qū)Ρ冉Y(jié)果就不理想，因此在進行繞組變形分析判斷時應(yīng)結(jié)合多項試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，本臺變壓器無歷史頻率響應(yīng)特性試驗數(shù)據(jù)，固實際繞組變形情況應(yīng)結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)果顯示故障前后油中總烴含量明顯增多而且超過規(guī)程注意值，提示變壓器內(nèi)部存在低溫過熱現(xiàn)象，考慮到變壓器短路瞬間流過較大短路電流產(chǎn)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(shù)據(jù)正常，說明繞組未發(fā)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(fā)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(guān)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(guān)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(yīng)分析法可以看出，高壓繞組三相橫向?qū)Ρ?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?qū)Ρ?條曲線波峰、波谷的頻率分布位置及分布數(shù)量均存在差異；低壓繞組三相橫向?qū)Ρ?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?qū)Ρ葋砜?，高中低三?cè)繞組均存在變形現(xiàn)象，由于沒有頻率響應(yīng)特性歷史試驗數(shù)據(jù)，固無法將故障前后的頻率響應(yīng)曲線進行向?qū)Ρ?，本次橫向?qū)Ρ冉Y(jié)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(yīng)法的試驗結(jié)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(fā)現(xiàn)：低壓繞組A相發(fā)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(xiàn)象，線圈局部絕緣破損，墊塊未見脫落；低壓繞組C相發(fā)生輕微輻向變形，部分換位處有導線坍塌現(xiàn)象，其他繞組及部件未見異常；變形原因：該變壓器為2005年產(chǎn)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(qū)短路故障后低壓繞組發(fā)生變形。

5 結(jié)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(fā)生變形，最后通過返廠吊罩檢查驗證了試驗結(jié)論的真實性；繞組變形是變壓器短路跳閘后常出現(xiàn)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(wěn)等問題，因此通過試驗手段判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形尤為重要，尤其是發(fā)生短路故障后的變壓器；在現(xiàn)場試驗中，不僅應(yīng)開展油試驗、常規(guī)電氣試驗，還應(yīng)開展短路阻抗測試、頻率響應(yīng)法、繞組電容量測試等，將多個試驗項目進行綜合分析，再結(jié)合變壓器實際情況，最終得出更準確、更可靠的結(jié)論。