变压器绕组变形分析.doc

浙江省送变电工程公司科技论文变压器绕组变形分析刘江明（浙江省送变电工程公司调试公司高压室）【摘 要】 应用频率响应法对大型电力变压器进行绕组变形测试和诊断，是对电力变压器一种十分有效的试验方法和检测手段。通过检测和诊断变压器绕组变形，及时了解和掌握变压器的正常状况，对预防变压器事故发生和保障电网安全稳定运行有重大的意义。【关键词】 变压器 绕组变形 频率响应法1 前言变压器是电力系统中最重要的设备之一，变压器在运输过程中遭受意外碰撞和冲击，在运行中承受故障状态下的冲击电流均会使变压器的绕组和机械结构受到机械应力的冲击，导致绕组一定程度的变形，运行中造成事故。由于绕组变形对变压器和电力系统运行的严重危害性，而以往的试验方法又不能有效发现这类缺陷，只能通过吊检来验证，这不仅要花费大量的人力物力，而且对变压器本身也有一定的危害性；况且在现行的电力系统运行情况下，大型变压器的长时间停电也是很困难的。因此能在现场不吊罩情况下快速测量绕组内部变形的频率响应法提出后，得到国内外有关部门的重视并积极开展这方面的研究工作。2 变压器绕组变形试验的基本原理及诊断方法21变压器绕组变形的基本原理该试验所采用的方法为频率响应法，其测试原理如图1.1 所示。在变压器绕组的一端加入扫频信号VS，输出不同频率的正弦波电压，通过数字化记录装置同时检测不同扫描频率下绕组两端的对地电压信号Vi(n)和Vo(n)，并对数据进行处理，得到变压器的传递函数H(N)=20lgVo(n)/ Vi(n) ，单位：dB被测变压器绕组H(N)=Vo(n)/Vi(n) Vi(n) Vo(n) 图1.1 频率响应分析法测试原理频率响应法是利用精确的扫频测量技术，通过测量变压器各个绕组的频率响应特性变化，并对测试结果进行纵向或横向的相关性比较，即相当于比较变压器绕组的结构特性“指纹”图。如将变压器遭受短路冲击后测得的各个绕组的频率响应特性与原始图谱（或短路前测量的图谱）比较，并综合考虑变压器的运行情况，如是否经受近区短路冲击、短路电流大小等，从而诊断绕组是否存在变形。在进行变压器绕组变形试验过程中，我们发现频响法具有很高的灵敏度。图1.2为变压器绕组变形测试原理图。第一个谐振峰是由Cb与整个线圈的电感L所决定的，即有 由于L是固定值，因此Cb越大，则第一谐振峰的频率f1越小。图1.2变压器绕组变形试验原理图图中：Cs为串联的饼间电容；Cg为对地电容； Cb为套管对地电容；Ls为线圈电感22 变形试验能检测出变压器短路故障后所存在的缺陷变压器在运行中，当系统短路故障发生在变压器的近区范围或发生在变压器任何一侧绕组的出口时，变压器将会遭受到故障短路电流的冲击，并会引起变压器绕组变形，严重时将直接引发变压器内部故障。变压器绕组的变形主要取决于作用在变压器上的故障短路电流的大小、类型和作用时间，变形试验能非常灵敏和有效的检测出存在严重变形缺陷的变压器。23 绕组变形的诊断方法图谱之间的相互比较，主要是对比各谐振峰的移动情况。而幅值的变化，特别是高频部分，由于易受外界因素的影响，在判断时相对只起参考作用。首先对同侧的三相绕组的频响特性曲线进行比较，如果曲线相似程度较好，谐振峰基本重合，则判断不存在绕组变形。三相绕组间的相似性不好，则与原始图谱比较。若两次测量结果接近，可判断绕组无变形。如无原始图谱，则应与同型号同厂家同批次的变压器的测量结果比较。当频响特性曲线低频段（0.5kHz10kHz）的谐振峰发生明显变化时，说明绕组的电感变化造成整体明显变形。因为频率较低时，绕组的对地电容及饼间电容容抗较大，而感抗较小。绕组的电感发生变化，必然导致频率响应特性曲线低频段谐振峰左右移动。对绝大多数变压器而言，其三相绕组低频段频率响应特性曲线较为一致。当频响特性曲线中频段（10kHz100kHz）的谐振峰发生明显变化时，在该频率范围，绕组的分布电容和电感均发挥作用，因此根据谐振峰的变化能够较灵敏地反映绕组的局部变化。如果谐振峰左右移动或数目减少或增多，通常可认为绕组发生局部变形现象。对频响特性曲线的分析，重点应放在此频段。当频响特性曲线高频段（100kHz500kHz）的谐振峰发生明显变化时，说明绕组的对地电容变化了。频率较高时，绕组的感抗较大，基本被饼间电容旁路，电感变化对谐振峰的影响较小。对地电容的改变（如绕组整体位移或引线对地距离变化等）是造成该频段变化的主要因素。现阶段，绕组变形诊断仍停留在根据频响特性的变化情况来判断绕组是否变形及变形的严重程度，尚难根据频响特性曲线判断绕组变形的具体部位。今后应加强这方面的研究，并尽快制定变压器绕组变形测试导则。3 变压器绕组变形测试试验事项31测试注意事项绕组变形试验是一种较灵敏、较精确的试验，要求试验人员要有较强的责任心和认真的态度。测量时应拆除变压器套管相连的所有母线，并使其尽可能远离变压器套管，试验人员尽量远离套管，以减少杂散电容的影响。为了便于相互比较，应按照统一规定的试验接线方式和试验顺序进行测试。当发现试验结果异常时应首先检查仪器和试验接线，并重复测量一次，前后两次测量结果应相符，确保试验结果的可靠性。接地线应接地良好，建议用螺母紧固在铁芯接地线上，不可随意缠绕，因为接地线接地不良可能导致测试结果的重复性不好。测试头与变压器接线头的接触应良好。绕组变形测试最好安排在所有直流试验项目之前进行，以避免累积电荷的影响。对于三角型接线的绕组，如果有可能解开，应考虑解开三相分别测量，以提高测量数据的准确度。32变压器绕组初次试验的重要性通过对不同的生产厂家及型号进行初步的分析，我们发现在众多的厂家中，即使是同一型号、同一批生产的变压器，其波形并不象其他厂家一样，即第一次的现场测试的结果为以后变压器检修后测试结果的分析比较十分重要的。33总结测试结果十分必要通过近段时间的总结，归纳出不同生产厂家的波形特征，相对而言，不同型号之间的差别，远没有不同厂家之间的差别明显，有时候甚至可以忽略。由于此项工作对变压器的变形程度、能否继续运行没有一个标准，更多的是依据经验来判断，因此这三年的主要分析工作仍处于总结经验阶段，对各种不同厂家、型号的变压器图谱进行归类，找到其主要的特征，为以后的深入分析作准备。4 变压器绕组变形测试实例 220kV兴南变1#主变压器是济南西门子变压器有限公司的产品，2005年1月生产，型号：SFSZ-180000/220，电压：22081.25%/117/10.5kV，结线组别：YNyn0d11,下列为现场绕组变形测量的波形图： 图3.1 兴南变1#主变高压绕组变形测量波形图图3.2 兴南变1#主变中压绕组变形测量波形图图3.3 兴南变1#主变低压绕组变形测量波形图5 结论绕组变形测试作为一种对变压器新的检验手段，可以及时有效地发现变压器由于受短路冲击后造成的绕组变形缺陷，并通过及时的吊检和大修，避免重大事故的发生。变压器绕组变形测试今后的主要方向是建立波形的分析软件及数据库，重点对曾经发生过出口短路的变压器作深入分析，为变压器安全运行及开展变压器状态检修工作提供依据；加强与国内外单位的联系与交流，吸取同行成功的经验；积极了解该项技术的最新发展情况，不断提高自己的分析判断水平。【参考文献】1电力变压器变形测量与分析，梁江东、李建建，武汉高压研究所。2电力设备预防性试验方法及其诊断技术，陈化刚，中国科学技术出版社。3电力设备预防性试验规程(修订稿)。4电力设备交接试验规程(讨论稿)。5绕组变形试验仪说明书，doble公司。1引言目前，应用频率响应分析技术对遭受短路冲击、突发事故和碰撞的变压器进行绕组变形试验已得到广泛应用，并取得了良好效果。主要体现在以下三方面，通过对遭受过短路冲击的变压器进行变形试验普查，查出了一部分绕组已发生变形的变压器。并及时进行了停电整修或更换绕组，防止了可能的突发性损坏事故；对发生出口短路的变压器立即进行变形试验，未发生绕组变形的及时投运，由于这种方法不用放油吊罩检查，因而可节省大量人力、物力，缩短停电时间。对于发生了绕组变形的变压器，由于能及时发现而避免了再次投运可能带来的损坏事故；通过变形试验，能明确变压器哪侧哪相出了问题，这就减少了检修的盲目性。通过对470台110kV及以上变压器进行变形试验发现，其中有28台发生了绕组变形(占6%)。经吊检或解体得到证实的有23台，其余5台待查。在变形的23台变压器中，有14台发生了严重变形并更换了绕组(占3%)。前苏联在19841987年间，对75台遭受短路冲击的大型变压器(主要是330kV等级)进行调查发现，22台发生了变形(占29.3%)，其中16台进行了更换1。尽管目前变形试验的重要性已得到普遍承认，电力部预试规程和反事故措施中也明文规定变压器出口短路后需进行变形试验，但如何应用频响法诊断变压器绕组变形，目前尚无统一的方法和标准。为使这一方法标准化和规范化，笔者进行了多年的分析研究，形成了一套变压器绕组变形判定标准。这套标准经过对全国470台110kV及以上变压器，尤其是28台绕组发生变形变压器的考核，证明这套判定标准是简单可靠的，完全可以满足变压器运行、检修的需要。2变压器绕组变形的定义变压器遭受短路冲击时，绕组受到辐向力、轴向力和周向力(或扭矩的作用)，因而变压器绕组会发生相应的变形，即辐向位移、轴向位移和扭曲(或绕组转动)，以及包括断股、匝间短路、引线位移和静电板引线断开等的特殊变形。从表面上看，特殊变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了改变，因而绕组的频响特性发生了变化，故把这类变形称之为特殊变形。实际运行当中的绕组变形有时是几种变形同时发生的。实际应用中，除需要确定变压器是否发生了绕组变形，更需要确定绕组的变形程度，以便决定变压器是否继续投运。为此规定了3种状态：正常(或无明显变形)、中度变形和严重变形。具体定义如下：(1)正常(或无明显变形)指变压器绕组与出厂时状态基本一致，或存在不明显的绕组变形但仍可以继续运行，无需检修。(2)中度变形指变压器绕组发生了明显变形，在其它试验合格情况下，变压器可以临时带病运行，但需要加强监督，应在适当时机安排检修。若再次遭受短路冲击或承受过电压，则有可能造成变压器损坏。(3)严重变形指变压器发生了严重的绕组变形。在这种情况下，即使其它试验均合格，也不能再继续运行，否则随时可能发生损坏事故。3变压器绕组变形的判定标准当频率超过1kHz时，变压器的等效电路是一个无源线性、单端输入单端输出的电感和电容网络。这种网络是可以用频率特性来描述，而且一个网络对应着唯一的一条频响曲线。当变压器绕组发生变形时网络参数如电感和电容发生变化，该网络的频响特性也随之变化。变压器绕组变形试验，实际上就是比较变压器事故前后绕组频响特性曲线的变化。本文采用差值计算公式来描述频响曲线的变化。这种计算方法的优点是能够反映变压器绕组的各种变形，既灵敏又全面，不会遗漏特殊变形类型。其计算公式为式中E12为两条频响曲线之间的差值；n为采样点总数；V1n为第一条频响曲线第n点处的幅值；V2n为第二条频响曲线第n点处的幅值。计算时频率的选取范围是很重要的，经多年研究和实践认为选取10700kHz较为合适。绕组变形判定的经验数据为1.6MVA以上变压器三相绕组间的E12及各绕组与原始数据相比差值均不应大于3.5dB。变压器绕组变形诊断：(1)首先判定有无变形如果三相绕组相间差值E12大于3.5dB时，应引起注意，但该值(称为注意值)不是唯一判据，还得进一步比较。如果与原始数据(出厂试验、交接试验或事故前数据)比较无明显变化，则仍可判定该变压器为正常。当相间差值大于3.5dB，且与原始数据相比有明显变大时，则可判定变压器发生了绕组变形；当相间差值虽小于3.5dB，但与原始频响特性曲线相比差值大于3.5dB时，则仍应判定该变压器发生了绕组变形。如果没有原始数据时，则可与同厂同期同型变压器的频响特性曲线进行比较，并以此作为参考。(2)变形程度诊断当确定变压器发生绕组变形后，需进一步确定变形程度，以便决定是否继续运行。绕组变形程度判定的推荐值列于表1。表1绕组变形程度判定推荐值绕组状态 正常 中度变形 严重变形 差值/dB 3.5 3.57.0 7.0 4变压器绕组变形诊断实例 4.1严重变形实例例1.北京老君堂2号变(型号SFPS7-120000/220)在运行中低压遭受出口短路。事故发生后进行的常规电气试验、局放试验和油色谱分析均合格，按照以往的标准，该变压器没问题，可以继续投入运行。但同时进行绕组变形试验后发现：高压绕组三相间最大差值为1.9dB，中压绕组相间差值最大为2.9dB，均小于注意值3.5dB；低压绕组相间差值最大达9.2dB，超过了注意值。查该变压器交接试验时3侧差值均小于3.5dB。通过比较认为，该变压器低压绕组相间差值事故前后发生了明显变化，相间差值9.2dB大于严重变形判据7.0dB，因此，判定该变压器低压侧绕组发生了严重变形。交接试验和事故后所测频响曲线如图1所示。图1老君堂2号变事故前后低压绕组频响曲线根据变形试验结果，该变压器及时退出了运行，并送变压器厂进行解体后发现，高压、中压绕组正常，而低压绕组出现多处轴向长条状鼓包。由于无法修复，最后更换了3个低压绕组。例2.秦皇岛小营站4号变(型号：SFPSZ7-150000/220)低压侧发生出口短路，当时重瓦斯动作。事故后油中乙炔达56106，低压直流电阻互差达10%。可以断定变压器内部发生了电弧性放电故障。为确保该变压器在30天内修复，避免重大设备损坏事故的发生，需确定损坏的绕组，以便厂家提前赶制绕组。如果等到把变压器送厂家解体后再确定，工期至少推迟5天，30天修复好的计划就很难保证。为此，事故当天就进行了绕组变形试验。试验结果为：高压绕组相间最大差值为0.7dB，与事故前频响特性比较，差值无明显变化，说明高压绕组未发生明显变形；低压绕组相间差值最大为13.8dB，且与事故前相间最大差值2.3dB相比发生了明显变化。因此，判定低压绕组发生了严重变形。事故前后低压三相绕组频响特性差值均大于3.5dB，说明低压三相绕组均发生了变形；中压绕组相间最大值为4.5，略大于注意值3.5dB，考虑到当低压绕组发生严重变形后，中压对低压的绝缘距离会发生变化，引起中压三相绕组对地电容发生变化，三相绕组频响特性一致性也变差。因而判定中压绕组未发生明显变形，无需更换。根据上述试验结论，厂家提前绕制了3个低压绕组。最终按期完成了变压器修复任务。变压器的返厂解体也证实上述试验结论完全正确，即高、中压6个绕组未发生变形，可以继续使用；低压三相绕组发生了严重变形，不能再使用，变形特征主要是鼓包、匝间放电和断股等。事故前后频响特性曲线如图2所示图2小营4号变事故前后低压绕组频响曲线用此方法还对黑龙江省富拉尔基电厂6号主变(220kV/240MVA)和北京石景山热电厂1号厂高变(SFFL-31500/15)进行了绕组变形试验，为检修提供了重要依据。其频响特性曲线如图3、图4所示图3富拉尔基电厂两台变压器低压绕组频响曲线 图4石景山热电厂两台厂高变分支频响曲线4.2中度变形实例例1.下花园电厂1号主变电压等级为220kV、容量为150000kVA，中压侧遭受出口短路1年后，于1992年进行了绕组变形试验。测试结果为：高压绕组相间最大差值为0.8dB，低压绕组相间最大差值为1.2dB，均小于注意值3.5dB，说明高、低压绕组无明显变形；中压绕组相间最大差值为5.3dB，大于注意值3.5dB。该变压器没有事故前频响曲线，但查得该制造厂同期、同型号产品三相绕组频响特性一致性较好，因而可判定该变压器中压绕组发生了变形。由于其相间最大差值小于7.0dB，故属于中度变形。根据变形试验结果以及该变压器中压出口短路时间较长的实际情况，对该变压器进行了吊检。发现中压A、C相靠近高压侧的压板上升了2530mm，B相有轻微的上升。现场整修后投入运行，安全运行至今。下花园电厂1号变频响特性曲线见图5。图5下花园电厂1号变中压绕组频响曲线例2.山西太原城西站1号变(型号：SF2-31500/110)低压曾遭受出口短路冲击。变形试验表明该变压器高、低压绕组相间差值均小于注意值3.5dB，绕组未发生明显变形。该站2号变与1号变为同型号、同一厂家的同期产品，未受出口短路冲击，但近区短路多次。为此，对2号变进行绕组变形试验。试验结果表明：2号变高压绕组相间最大差值为2.1dB，低压绕组相间差值最大为5.1dB， 大于注意值3.5dB， 且与1号变相比差值发生了明显变化， 因此， 判定2号变低压绕组发生了变形，差值