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0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)乎電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。變壓器在運(yùn)行中，如果外部發(fā)生短路故障，尤其是出口短路故障，往往造成大、中型變壓器損壞。據(jù)統(tǒng)計，外部短路造成110 kV及以上的變壓器損壞事故占總事故的23%[1]。變壓器中低壓側(cè)弧光接地過電壓、低壓側(cè)絕緣老化、中低壓側(cè)避雷器或斷路器產(chǎn)品質(zhì)量差等都容易造成變壓器出口近區(qū)短路故障，造成變壓器繞組發(fā)生形變[2]?！斗乐闺娏ιa(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》中要求：變壓器遭受近區(qū)突發(fā)故障后，應(yīng)做變壓器低壓側(cè)繞組變形試驗(yàn)或者短路阻抗試驗(yàn)，與出廠原始數(shù)據(jù)比對，判斷無故障后才可投運(yùn)[3]。但是由文獻(xiàn)[4]可知，集中參數(shù)法獲得短路阻抗的方法有不足的地方，當(dāng)繞組變形不嚴(yán)重或缺陷在個別部位時，測量數(shù)據(jù)會因集中參數(shù)的變化不明顯而不敏感。頻響法是采用10 kHz～1 MHz之間的頻率，構(gòu)建1000個左右的掃描測試點(diǎn)，可以很好地測試?yán)@組變形情況，但是頻響法在高頻范圍內(nèi)會受到雜散電容的干擾[5]。并且在各繞組變形趨勢相同的情況下，其特性曲線具有相關(guān)性，容易給繞組變形造成漏判的情況[6]。網(wǎng)絡(luò)分析檢測法是利用傳遞函數(shù)對其繞組產(chǎn)生軸向、徑向尺寸變化的特性進(jìn)行測量，但是在使用LVI法測試時采用的是時域脈沖技術(shù)，由于現(xiàn)場的干擾，導(dǎo)致測試的結(jié)果很難保持重復(fù)性[7]。

基于電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行和試驗(yàn)條件，通常變壓器繞組現(xiàn)場變形診斷大多數(shù)都是在單一試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，輔以其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得診斷結(jié)果。由于各實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，加上一些測試結(jié)果無法檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性，因此影響最終的判斷。下面通過變壓器繞組變形與短路阻抗和繞組電容量測試數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，提出了基于繞組電容量和短路阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變壓器繞組變形分析方法。

1 繞組電容量Cx的數(shù)學(xué)等值

三繞組變壓器主絕緣的等值電路如圖1所示，其中繞組電容值Cx可以由圖中相應(yīng)繞組的連接電容進(jìn)行等值。

圖1 三繞組變壓器主絕緣的等值電容

三繞組變壓器繞組電容值的測量接線方式如圖2所示，進(jìn)行依次測量，可得

Ch=C4+C5+C6

(1)

Cc=C2+C3+C4

(2)

Cb=C1+C2+C6

(3)

Ch+c=C2+C3+C5+C6

(4)

Cc+b=C1+C3+C4+C6

(5)

Ch+b=C1+C2+C4+C5

(6)

Ch+c+b=C1+C3+C5

(7)

變壓器繞組電容量的意義在于當(dāng)實(shí)測值有差異時，通過上述7個公式可以找出發(fā)生異常的確切位置，便于變壓器試驗(yàn)后的分析。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，繞組電容量與繞組間油紙絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)ε、繞組的軸向高度H、內(nèi)繞組的外半徑Rw1、外繞組的內(nèi)半徑Rw2有關(guān)，實(shí)際運(yùn)行的變壓器可認(rèn)為其介電常數(shù)ε恒定，那么H、Rw1、Rw2對于運(yùn)行良好的變壓器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與出廠參數(shù)保持一致，繞組電容量為定值。當(dāng)變壓器繞組發(fā)生形變到一定程度時，便可通過電容量的變化情況來判斷變壓器的狀態(tài)。

圖2 三繞組變壓器的Cx接線

當(dāng)變壓器受到短路沖擊時，繞組的電動力使高壓繞組向外擴(kuò)展，低壓繞組向內(nèi)收斂。低壓繞組靠近鐵芯，其所受軸向電動力作用大，繞組發(fā)生形變更嚴(yán)重。變壓器典型短路沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，廠家設(shè)計的高壓繞組抗變形能力裕度大于中、低壓繞組，因此，發(fā)生短路試驗(yàn)后中、低壓繞組更容易發(fā)生形變。

2 短路阻抗與繞組變形的數(shù)學(xué)模型

在變壓器進(jìn)行短路承受能力高壓試驗(yàn)中，短路阻抗的大小主要取決于短路電抗。忽略變壓器高導(dǎo)磁介質(zhì)的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，短路電抗的百分?jǐn)?shù)可以通過式(8)獲得，可以看出，變壓器的短路電抗百分比Xk與∑D成正比。

(8)

式中：Xk為短路電抗百分比；f為變壓器額定頻率；IN為繞組額定相電流；W為繞組匝數(shù)；ρ為洛氏系數(shù)；∑D為漏磁總等效面積；e為每匝電勢；h為各側(cè)繞組高度平均值。

變壓器的短路阻抗是其固有結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，若變壓器各側(cè)繞組發(fā)生形狀變化，其短路阻抗與額定阻抗會有所差別，所以可以通過短路電抗的變化量來判斷繞組的變形情況。對于三繞組變壓器，通過短路阻抗試驗(yàn)可以獲得Xk h-c、Xk h-b、Xk c-b等參數(shù)，其中h、c、b分別表示變壓器的高壓繞組、中壓繞組、低壓繞組；Xk h-c表示高壓繞組對中壓的短路阻抗，Xk h-b、Xk c-b含義同理。對于式(8)中的短路電抗百分比，通過變壓器固有參數(shù)進(jìn)行計算獲得∑D，從而獲得Xk(%)。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，等效距離∑Dh-c(見圖3)由中壓繞組內(nèi)側(cè)到鐵芯的距離R1、中壓繞組外側(cè)到鐵芯的距離R2、高壓繞組內(nèi)側(cè)到鐵芯的距離R3和高壓繞組外側(cè)到鐵芯的距離R4共同決定，∑Dh-c由式(9)計算可得。

(9)

圖3 等效距離

3 Cx-Xk(%)分析方法及實(shí)例分析

3.1 Cx-Xk(%)分析方法

由于在變壓器短路試驗(yàn)中，當(dāng)某次試驗(yàn)測量到的電抗百分?jǐn)?shù)超過規(guī)程要求，變壓器內(nèi)部繞組可能已經(jīng)損壞，不允許再進(jìn)行短路試驗(yàn)，以免致使內(nèi)部繞組再次遭受沖擊損壞。那么，在有限的短路阻抗測量數(shù)據(jù)下無法全面分析變壓器繞組的形變情況，因?yàn)槎搪纷杩箿y量涉及兩個繞組，單從一組數(shù)據(jù)是不能判斷哪個繞組發(fā)生了嚴(yán)重的形變。

圖4 Cx-Xk(%)法繞組變形分析流程

為此，所提出的Cx-Xk(%)方法是基于在一個短路阻抗測量數(shù)據(jù)，綜合繞組電容量間接判斷繞組形變情況。根據(jù)式(1)—式(7)可知，如果在變壓器短路阻抗試驗(yàn)后不合格，復(fù)測7組繞組電容量可以計算出繞組間或繞組對地的相對電容值，根據(jù)圖1中繞組與電容的關(guān)系，進(jìn)而推斷出繞組發(fā)生形變情況。通常，7組繞組電容量不會進(jìn)行全部測量來分析繞組變形情況。為此，將Ch、Cc、Cb稱為繞組電容量分析的基準(zhǔn)量，Ch+c、Cc+b、Ch+b、Ch+c+b稱為繞組電容量分析的輔助量。Cx-Xk(%)方法就可以基于在一個短路阻抗，結(jié)合繞組電容量的基準(zhǔn)量和部分輔助量就可以判斷出繞組的形變情況。

3.2 變壓器試驗(yàn)概況

某110 kV變電站2號主變壓器于2017年11月進(jìn)行總裝配，該變壓器型號為SSZ 11-50000/11，額定電壓110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV。2018年8月采用GB 1904.5-2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》推薦的單相電源法對2號主變壓器進(jìn)行突發(fā)短路承受力試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。B相電抗在高壓側(cè)對中壓側(cè)試驗(yàn)中出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，達(dá)到了8.024%，超過了規(guī)程2%的要求，未通過短路試驗(yàn)。針對變壓器短路試驗(yàn)不合格的情況，課題組對變壓器的直流電阻、繞組電容量、變比和油色譜進(jìn)行重新測試，油色譜和高壓例行試驗(yàn)如表2至表5結(jié)果顯示：變壓器油中溶解氣體、繞組直流電阻、繞組電壓比測試數(shù)據(jù)合格；繞組電容量Ch+c最大偏差達(dá)到了10.79%，超過了規(guī)程3%的要求。

表1 主變壓器高壓-中壓(9a擋)短路試驗(yàn)電抗計算值

表2 變壓器油中溶解氣體色譜分析數(shù)據(jù)

表3 繞組電容量測試數(shù)據(jù)(油溫：29.6 ℃)

表4 直流電阻測試數(shù)據(jù)(油溫：29.8 ℃)

表5 繞組電壓比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)Cx-Xk(%)法繞組變形分析流程，其具體實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示，由表1可知2號主變壓器B相繞組高壓-中壓第3次短路試驗(yàn)測得短路電抗值偏差增大，繞組短路電抗增加，由式(9)可推知，高壓和/或中壓繞組發(fā)生了形變。表3繞組電容量測試數(shù)據(jù)顯示，Ch+c+b偏差可以忽略不計，根據(jù)式(7)可以判斷出繞組中電容C1、C3、C5為恒定值，根據(jù)式(1)—式(4)可以綜合推出繞組電容C2+C4、C2+C6增加，那么與中壓繞組相連的電容C2、C4一定發(fā)生了變化，由此可以準(zhǔn)確推出中壓繞組已經(jīng)發(fā)生形變。

圖5 中壓繞組變形分析流程

3.3 變壓器返廠檢修

2019年8月14日至15日，對該 110 kV 2號變壓器進(jìn)行吊罩解體檢查，變壓器現(xiàn)場解體情況見圖6所示：圖6(a)中可以看出變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn)后B相劃線明顯錯位；圖6(b)中變壓器B相上側(cè)絕緣壓板已經(jīng)發(fā)生破損；圖6(c)中變壓器B相中壓繞組內(nèi)側(cè)沒有發(fā)生明顯的形變，但是圖6(d)中變壓器B相繞組外側(cè)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)收變形。設(shè)備解體返廠檢查結(jié)果證實(shí)了所判斷繞組變形方法的可行性和有效性。

圖6 變壓器返廠解體

4 結(jié) 語

通過前面理論分析方法和返廠檢查結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)變壓器進(jìn)行《承受短路的能力》試驗(yàn)后，其短路阻抗和繞組電容量是相互佐證的關(guān)系，可以避免單一試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)致誤判結(jié)果。

2)所提出分析繞組變形的Cx-Xk(%)法，通過計算推出內(nèi)部電容的變化情況，再根據(jù)電容與繞組的關(guān)系判斷繞組變形情況，與短路阻抗結(jié)果共同判斷繞組情況，實(shí)現(xiàn)了“雙保險”。

3)后期通過對110 kV變電站1號主變壓器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得了同樣的結(jié)果。說明所提出的Cx-Xk(%)分析繞組變形的可行性。