◎顧天逸

引言：作為電力系統(tǒng)中主設(shè)備的變壓器，是電網(wǎng)穩(wěn)定的重要保證。變壓器出口短路時(shí)會(huì)受到很大的電動(dòng)力，進(jìn)而容易導(dǎo)致繞組變形。本文介紹了三繞組電力變壓器的繞組變形，對(duì)發(fā)生變形和原因和短路時(shí)受力情況進(jìn)行了分析，以一個(gè)實(shí)例，介紹了如何利用介質(zhì)損耗與電容量、低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果，來(lái)分析繞組變形。

一、繞組變形的原理及受力分析

目前，在電網(wǎng)中運(yùn)行的變壓器有的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過20年，在多年運(yùn)行中承受一般承受多次短路沖擊，對(duì)于每次極小的變形，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在遭受到多次短路后，積累效應(yīng)可能在某次大的短路電流下爆發(fā)，使得繞組無(wú)法承受電動(dòng)力而變形。有的變壓器為節(jié)省原材料，其低壓繞組未采取足夠的抗短路措施，在短路電流不大時(shí)繞組就會(huì)變形。變壓器損壞對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有著極大的隱患，所以分析診斷變壓器繞組的變形有重大意義。

發(fā)生出口短路時(shí)，漏磁場(chǎng)中繞組流過短路電流，各導(dǎo)線上將產(chǎn)生幅向和軸向應(yīng)力F=BIL，其中漏磁感應(yīng)強(qiáng)度B 正比于I，所以短路時(shí)的應(yīng)力F 正比于I2。雙繞組變壓器低壓側(cè)出口短路時(shí)，輻向上內(nèi)側(cè)的低壓線圈受向內(nèi)的壓力，外側(cè)的高壓線圈受向外的拉力，軸向上高低壓線圈均受向中心的壓力，兩端最大而中部幾乎為零。三繞組變壓器短路受力情況比較復(fù)雜，中壓側(cè)短路和低壓側(cè)短路工況不同，分別如下圖1 和圖2。中壓側(cè)短路時(shí)，中壓繞組中的電流方向與高、低壓繞組相反，根據(jù)右手和左手定則分別判定漏磁場(chǎng)方向和電磁力方向，忽略高低壓繞組之間的影響，內(nèi)側(cè)的低壓線圈在輻向上受向內(nèi)的壓力，外側(cè)的高壓線圈受向外的拉力，中間的中壓線圈同時(shí)受壓力和拉力。低壓側(cè)短路時(shí)，低壓繞組中的電流方向與高、中壓繞組相反，內(nèi)側(cè)的低壓線圈在輻向上受向內(nèi)的壓力，中間的中壓線圈受向外的拉力，外側(cè)的高壓線圈同時(shí)受壓力和拉力。

圖1 中壓繞組短路受力

圖2 低壓繞組短路受力

二、繞組變形的電氣試驗(yàn)技術(shù)

例行試驗(yàn)中，檢測(cè)主變絕緣電阻合格后，再進(jìn)行介質(zhì)損耗和電容量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不符合規(guī)程。緊接著進(jìn)行診斷性試驗(yàn)低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)試驗(yàn)，同樣數(shù)據(jù)不符合規(guī)程，進(jìn)而分析繞組變形。該主變型號(hào)：SSZ11-63000/110，為三繞組變壓器，接線組別：YN，yn0，d11，于 2008 年 11 月投入運(yùn)行。額定電壓 ：110+10（-6）×1.25%/21/10.5kV，額 定 電 流 ：330.7/1732.1/3464.1A。

1.電容量測(cè)試技術(shù)。

在交流電壓的作用下，變壓器可以看做是電容和電阻構(gòu)成的等值電路，因?yàn)樽儔浩髦械慕^緣電阻非常大，可以忽略，因此變壓器繞組間可以視作純電容構(gòu)成的等值電路。變壓器繞組與繞組之間、繞組對(duì)地之間都有電容，繞組和外殼或地都可以視作電容器的兩面，中間的變壓器油視作其中的介質(zhì)，就可以得到三繞組變壓器的等值電路圖如圖3。

圖3 三繞組變壓器等值電容電路圖

圖3 中 C1、C2、C3 分別為高、中、低繞組的對(duì)地（外殼）電容，忽略高壓和低壓繞組之間的電容和套管電容，C12 為高壓與中壓繞組之間的電容，C23 為中壓與低壓繞組之間的電容。

反接線適用于被試品接地的情況，對(duì)于直接接地的變壓器，測(cè)量繞組連同套管的介質(zhì)損耗和電容量可以采用。對(duì)三繞組變壓器的高壓繞組加壓時(shí)，中壓和低壓繞組均短路接地，即C2、C3 和C23 均無(wú)法測(cè)出，因此測(cè)得的電容為C1+C12。中壓繞組加壓時(shí)，高壓和低壓繞組均短路接地，即C1 和C3 均無(wú)法測(cè)出，測(cè)得的電容為C2+C12+C23。低壓繞組加壓時(shí)，高壓和中壓繞組均短路接地，即C1、C2 和C12 均無(wú)法測(cè)出，測(cè)得的電容為C3+C23。

變壓器繞組電容量決定于繞組之間、繞組與鐵心和箱體的幾何尺寸和位置。變壓器安裝完成后，其特征參數(shù)電容、電感基本保持不變。如果電容量明顯改變，預(yù)示著變壓器可能存在絕緣、機(jī)械位移、繞組變形等方面的缺陷。

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依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定（試行）》中規(guī)定：電力變壓器繞組電容量應(yīng)與上次試驗(yàn)結(jié)果相比無(wú)明顯變化，參考《QGDW/10 江蘇省電力公司輸變電設(shè)備交接試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定：繞組電容量與出廠試驗(yàn)值相比變化不大于±5%。由表中數(shù)據(jù)判斷，中壓和低壓繞組電容量數(shù)據(jù)超標(biāo)。

2.短路阻抗測(cè)試技術(shù)。

變壓器繞組發(fā)生變形，則兩個(gè)繞組的相對(duì)距離會(huì)發(fā)生變化，繞組中的漏電感會(huì)隨兩個(gè)繞組之間相對(duì)距離的增大而增大。所以，繞組變形必然導(dǎo)致漏電感的變化。同時(shí)，漏電感還與繞組的高度有關(guān)，近似與高度的算數(shù)平均值成反比。兩個(gè)繞組的短路阻抗與漏電感有關(guān)，所以檢測(cè)短路阻抗可以發(fā)現(xiàn)繞組的變形。

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依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定（試行）》中規(guī)定：容量100MVA 及以下且電壓等級(jí)220kV 以下的變壓器，初值差不超過±2%，三相之間的最大相對(duì)互差不應(yīng)大于2.5%。由表中數(shù)據(jù)判斷，A 相的高—中和中—低初值差超標(biāo)，B 相中—低初值差超標(biāo)，高—中和中—低的三相互差值超標(biāo)。

3.頻率響應(yīng)測(cè)試技術(shù)。

進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)，繞組可以視作由分布電容和電感等參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性二端口網(wǎng)絡(luò)，等效電路圖簡(jiǎn)化后如圖4所示。當(dāng)變壓器線圈匝數(shù)和直徑或者電感系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，繞組的電感量Ls 會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)線餅的半徑、寬度、距離發(fā)生變化時(shí)，繞組的餅間電容量Cs 會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)繞組的內(nèi)外徑和高度發(fā)生變化時(shí)，繞組的對(duì)地電容量Cg 會(huì)發(fā)生變化。

圖4 繞組頻譜測(cè)試等值電路

圖4 中G 為掃頻信號(hào)源，Ri 為激勵(lì)匹配電阻，Ro 為響應(yīng)匹配電阻，C1 為激勵(lì)端套管對(duì)地電容，C2 為響應(yīng)端套管對(duì)地電容，Cs 為餅間電容，Cg 為線餅對(duì)地電容，Ls 為繞組電感。從變壓器的等效電路圖可以看出，繞組電感Ls、餅間電容Cs、線餅對(duì)地電容Cg 在不同的頻率下會(huì)發(fā)生多次諧振，不同的諧振點(diǎn)在頻譜圖上表現(xiàn)為一系列的峰谷點(diǎn)，當(dāng)繞組發(fā)生變形或者移位后，峰谷點(diǎn)將隨著Ls、Cs 及Cg 的變化而改變位置。一般來(lái)說(shuō)，一臺(tái)變壓器制造完成后，其繞組的頻響曲線就確定了，一旦繞組發(fā)生變形，其內(nèi)電感電容變化，頻率響應(yīng)曲線和一開始就會(huì)有差別，判斷繞組變形情況可以利用這差別。

在曲線的低頻段（1~100kHz），波峰、波谷位置反應(yīng)繞組電感的改變，諧振點(diǎn)減少或向高頻方向、信號(hào)幅度增大等變化預(yù)示著可能存在繞組匝間或者餅間短路的情況，因?yàn)樵诘皖l的情況下，繞組的分布電容阻抗很大，而感抗很小，從而引起感抗變化的因素起主導(dǎo)作用。在曲線的中頻段（100~600kHz）的波峰、波谷位置預(yù)示著繞組可能發(fā)生了扭曲和鼓包等局部變形的現(xiàn)象，繞組的電感和餅間電容比較敏感，若變化改變部分諧振條件，曲線產(chǎn)生峰谷現(xiàn)象。在曲線的高頻段（>600kHz）的頻譜曲線的變化取決于繞組對(duì)地電容的變化，此時(shí)的感抗較大，容抗小，對(duì)地電容對(duì)高頻段較敏感，變化時(shí)預(yù)示繞組可能出現(xiàn)整體位移等情況，波峰和波谷的位置主要以對(duì)地電容影響為主，但受人體、油枕等雜散電容影響和干擾較大。高中低壓繞組的頻率響應(yīng)曲線如圖5。

圖5 高中低壓繞組頻響曲線

通過相關(guān)系數(shù)可以定量描述出兩條波形曲線之間的相似程度，根據(jù)曲線的相似程度可以用來(lái)分析被試變壓器的繞組變形情況，相似程度可以用相關(guān)系數(shù)來(lái)說(shuō)明。但是由于頻響測(cè)試本身受干擾較大，所以一般只作為輔助的判斷手段，具體結(jié)果還應(yīng)根據(jù)被試變壓器的運(yùn)行情況及其它信息綜合判斷。繞組變形程度根據(jù)相關(guān)系數(shù)，可以判斷繞組頻響曲線在低頻段存在輕度不一致，在中頻段存在輕度和明顯不一致。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜合繞路連同套管的電容量測(cè)試、低電壓短路阻抗試驗(yàn)和頻率響應(yīng)測(cè)試，初步判斷主變繞組發(fā)生局部變形，大概率在A 相和B 相的中、低壓繞組。經(jīng)返廠解體，實(shí)際繞組變形情況與理論分析一致。

對(duì)于變壓器繞組發(fā)生變形，試驗(yàn)人員可以通過繞組連同套管介質(zhì)損耗及電容量試驗(yàn)、低電壓短路阻抗試驗(yàn)和頻率響應(yīng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行綜合分析判斷，最終與解體檢查情況對(duì)比，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。主變運(yùn)維需要加強(qiáng)主變出口短路技術(shù)監(jiān)督，對(duì)于主變發(fā)生多次出口短路的，必要時(shí)考慮縮短停電檢修試驗(yàn)周期。