变压器绕组变形检测和诊断方法论述.doc

变压器绕组变形检测和诊断方法论述勇明，黄芬（无锡供电公司，江苏 无锡 214061）摘 要：运用电力变压器的检测和诊断技术，及时了解和掌握变压器各绕组的状况，对预防变压器绕组变形事故的发生和保障电网安全稳定运行有重大的意义。本文结合实例，阐述了综合应用变压器的油色谱分析、电容量测试、绕组变形的频响法和短路阻抗法测试技术，提高判断检测结果的准确性，是一种有效的变压器绕组变形的综合诊断方法。关键词：变压器；绕组变形；分析变压器是电力系统中最重要的设备之一，由于电力系统发展迅速，系统故障短路电流较变压器投运初期均有一定的增长。变压器在运行中，次级近区范围内发生短路故障时，变压器将会遭受到强大的故障短路电流的冲击，产生强大的电动力引起变压器绕组变形，严重时将直接引发变压器内部故障。根据统计数据显示，对变压器本身影响最严重、目前发生机率最高的就是变压器出口短路引起的绕组变形故障。由于现有试验规程对变压器绕组变形的试验方法还没有对应的规定，测试和诊断的技术还不能有效发现这类缺陷，往往只能通过排油吊罩检查来验证，这不仅要花费大量的人力物力，长时间停运变压器，并且现场处理难度极大。因此，通过有效的试验手段来正确诊断绕组变形的程度具有非常重要的实际意义，本文通过综合运用变压器的油色谱分析、电容量测试、绕组变形的频响法和短路阻抗法测试技术在诊断变压器绕组变形中的实例，介绍了现场判断变压器绕组变形的方法。1变压器绕组变形原因分析变压器绕组变形的原因，主要是绕组的机械结构强度不足，在受到短路电流电动力和外部机械力的不平衡作用影响时，绕组发生轴向、幅向变形，造成绕组绝缘损坏发生故障。由于绕组在漏磁作用下受到电动力的作用，特别是突然短路时电动力最大。电动力通常可分解为轴向分量和幅向分量。轴向力分为两部分，一部分由于绕组端部漏磁弯曲部分的辐向分量与载流导体作用而产生，它使内、外绕组都受压力；另一部分是由于内外绕组安匝不平衡所产生的辐向漏磁与载流导体作用而产生，该力使内绕组外绕组产生相反方向的轴向力；安匝越不平衡，该轴向力越大。幅向力则由于内外绕组内的电流方向相反，而使外绕组受到幅向张力，内绕组受到幅向压缩力。这几种力都可能损坏绕组的匝间绝缘和使绕组向外扩张，造成相间或对地绝缘损坏，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。电动力致使变压器绕组变形情况主要有以下几种：（1）高压绕组处于外层，轴向力使绕组端部压钉松动、垫块飞出，严重时，铁轭夹件、拉板、紧固钢带都会弯曲变形，绕组松弛后使其高度增加。轴向力使绕组向外扩张使其松弛脱出垫块。（2）中、低压绕组的位置处于内柱或中间时，受到轴向和辐向力的影响，使绕组端部紧固压钉松动，垫块位移；匝间垫块位移，撑条倾斜，线饼在辐向上呈多边形扭曲。若变形较轻，如35kV线饼外圆无变形，而内圆周有扭曲，在辐向上向内突出，绕组内衬是软纸筒时这种变形特别明显。如果变压器承受短路冲击超过2s，变形更加严重，线饼会有较大面积的内凹、上翘现象。测量整个绕组时往往高度降低，如果变压器继续投运，变压器箱体振动将明显增大。（3）绕组分接区、纠接区线段变形。这是由于分接区(一般在绕组高度的1/4和3/4处)和纠接区(一般在绕组首端)安匝不平衡，产生横向漏磁场，短路时使线饼受到的电动力比正常线段要大得多，更易产生变形和损坏。特别是分接区线饼，发生有载分接开关造成的分接段短路故障时，绕组会变形成波浪状，影响绝缘和油道的通畅。（4）绕组引线位移扭曲。这是变压器出口短路故障后常发生的情况，由于受电动力的影响，破坏了绕组引线原有的绝缘距离。如引线离箱壁距离太近，会造成放电，引线间距离太近，因摩擦而使绝缘受损，会形成潜伏性故障，并可能发展成短路事故。2变压器绕组变形故障的检测和诊断分析案例变压器遭受的短路电流大，继电保护延时动作甚至拒动，变形将会很严重，甚至造成绕组损坏。如果短路电流小，继电保护正确动作，绕组变形将是轻微的；对于轻微的变形，如果不及时检修，恢复垫块位置，紧固绕组的压钉及铁轭的拉板、拉杆，恢复绕组和引线的原状，在多次短路冲击后，由于累积效应也会使变压器损坏。因此诊断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期是提高变压器抗短路能力的一项重要措施，下面结合实际诊断案例进行技术分析：2.1绕组变形诊断案例一220kV塘头变1号主变为OSFPS7180000/220型变压器， 1994年6月生产，1994年12月投运。2005年2月1日预防性试验测试的电容量数据与前一次2003年10月27日相比，高中压对低压、平衡绕组及地电容量增长4.5%，低压对高中压、平衡绕组及地电容量增长3%左右，其它试验数据均无明显变化，缩短试验周期并加强绝缘油色谱跟踪检测处理。（1）绕组电容量（介损）试验绕组电容量（介损）试验数据见表1。表1电容量测试数据 pF测试接线2003.10.272005.02.012006.04.162007.5.18高中低平地15890166001725017067低高中平地25930267002740027160平衡绕组高中低地29500296502940029586备注：介质损均无异常（2）历年色谱分析统计发现绕组电容量试验数据异常后，对该变压器油色谱进行跟踪分析，数据显示无异常。历次试验数据见表2。（3）变压器短路阻抗试验为进一步查明电容量明显增大的原因，分别于2006年4月和2007年5月进行变压器短路阻抗试验，试验数据见表3。从低电压短路阻抗数据看，B、C相阻抗数据基本平衡，A相中压绕组阻抗与其它两相相差较大。从试验数据分析，试验电压的高低对低电压短路阻抗试验的有效性产生重要影响，如高压绕组对中压绕组测试时，试验电流2A和5A时测试数据有明显差异，在现场试验中应尽量提高试验电压或试验电流。 表2历年色谱分析统计表 ppm试验日期氢甲烷乙烷乙烯乙炔总烃一氧化碳二氧化碳评价2002-10-09 822.6439065.62292453 正常2003-10-31 1133.35.550.5089.34932910 正常2004-08-02 925.95.642.50743802108 正常2005-10-31 1324.64.331.2060.15162199 正常2006-11-14 10305.336.8072.15002230 正常2007-05-14 9285350685202210正常表3低电压短路阻抗试验加压相短路相2006年4月2007年5月电压/V电流/A电压/V电流/A中压侧AmO低压侧abc27.52795BmO332895CmO32.52885高压侧AO中压侧AmBmCmO11921625BO117.521525CO11821545高压侧AO低压侧abc17022002.18BO18222002.05CO18222002.05（4）变压器进行频响法测试绕组变形2007年对该变压器进行频响法测试绕组变形。从三侧绕组测试波形看，变化趋势基本一致，与该变压器出厂原始图谱进行对照，由于测试仪器不同，各绕组测试波形变化不一致，对测试结果无法进一步分析判断。频响测试图谱和出厂原始图谱对照见图1、2、3。（5）解体检查情况综合塘头1号主变上述低电压短路阻抗数据、电容量数据分析，该主变存在内绕组变形的可能较大，再次承受短路电流冲击极易发生损坏事故，该变压器不能继续投入运行。2007年11月，该变压器吊罩检查，中压绕组A相已严重变形，如图4所示，该绕组有4处变形突出，每处约有1829饼，部分绕组包扎绝缘纸破损如图5，绕组部分铜线裸露，绕组外观检查无明显放电痕迹。 图1低压侧频谱图形与出厂原始图谱对照 图2中压侧频谱图形与出厂原始图谱对照 图3高压侧频谱图形与出厂原始图谱对照2.2绕组变形诊断案例二2007年5月5日22点20分左右，220kV延陵变2号主变中压侧110kV延巷739线路距离I段、零序I段动作，保护显示线路A相故障，经检查为线路上异物造成线路AC相间短路，为判断变压器的状态，对该变压器进行了检查和试验。（1）油色谱跟踪分析数据2007年5月6日油色谱分析发现乙炔突增到17ppm，与2007年2月6日分析数据相比，氢、乙炔、总烃均有上升，见表4。5月7日、5月8日进行了油色谱跟踪分析，初步判断变压器内部可能存在绝缘缺陷，变压器停运检查处理。图4A相中压绕组变形情况 图5A相中压绕组局部损坏情况 表4变压器历次色谱分析数据表 ppm 试验日期氢甲烷乙烷乙烯乙炔总烃一氧化碳二氧化碳评价2006-11-30(下部)203810320803502700正常2007-2-6(下部)184112400935803100正常2007-5-6(下部)65541249171325703250正常2007-5-7(下部)92631965231708723170正常2007-5-8(中部)1076516592316412934933正常2007-5-8(下部)1207318662618214505450正常（2）常规高压电气试验数据进行高压试验并对试验数据分析，高中压对低压、平衡绕组及地的电容量、低压对高中压、平衡绕组及地的电容量均有增大的趋势，其它试验数据无明显变化，数据见表5，根据电容量变化判断分析该主变中压侧绕组发生变形。表5绕组电容量测试数据表测试绕组绕组电容量测试数据/pF 电容量变化/%2006-5-172007-5-8高中-低平地1535017840 16.2低-高中平地240702721013平衡绕组-高中低地2924030120 3（3）低电压短路阻抗试验进行变压器短路阻抗试验，分析试验数据见表6，判断绕组变形可能性很大。（4）频响法测试绕组变形情况对该变压器进行频响法测试绕组变形，从三侧绕组测试波形看，频谱一致性差，绕组变形可能大。频响测试图谱见图6、7、8、9。（5）检查解体情况根据以上试验检测数据综合分析，判断该主变存在中压绕组变形的可能较大，再次承受短路电流冲击极易发生损坏事故，不宜继续投入运行。2007年9月对该变压器吊罩检查，发现中压绕组ABC三相都有不同程度变形，AC相低压绕组有部分突起，铁芯有局部过热。解体情况见图1012所示。表6电压短路阻抗试验加压相短路相电压/V电流/A中压侧AmO低压侧abc705BmO765CmO705高压侧AO中压侧AmBmCmO2284BO2204CO2284高压侧AO低压侧abc1722BO1782CO1722图6低压侧频谱图 图7中压侧频谱图图8高压侧频谱图图9中压激励高压响应频谱图 图10A相中压绕组变形情况 图11B相中压绕组变形情况图12C相中压绕组变形情况2.3绕组变形诊断案例三220kV梁溪变1号主变为某厂1997年8月生产的OSFPS7180000/220型变压器，1998年5月投运。2007年12月13日梁渔线出线电缆故障，故障相为A相，故障电流12638A。为了解该变压器状态，对该变压器进行了检查和试验：（1）油色谱分析数据2007年12月13日变压器出口短路故障后，根据变压器管理有关要求，立即组织对该主变进行油样色谱分析，发现有乙炔含量为20.8ppm，该变压器内部可能发生了高能量电弧放电，需要进行进一步检查。变压器历次色谱分析数据见表7。 表7色谱分析数据 ppm试验日期氢甲烷乙烷乙烯乙炔总烃一氧化碳二氧化碳评价2007-7-3184.11.311.9017.35942119正常2007-11-27215.82.824.3032.97712728正常2007-12-137416.54.437.620.879.38043138三比值102电弧放电（2）常规高压电气试验数据对该变压器进行常规高压试验, 各项测试数据与历史比较无明显变化。为进一步查明原因，进行变压器短路阻抗试验，试验数据见表8，从低电压短路阻抗数据看，B、C相阻抗数据基本平衡，A相中压绕组阻抗与其它两相相差较大，判断该变压器中压绕组有变形可能。表8低电压短路阻抗试验加压相短路相电压/V电流/A中压侧AmO低压侧abc765BmO85.55CmO835高压侧AO中压侧AmBmCmO1284BO1194CO1224高压侧AO低压侧abc2342.5BO2452.5CO2442.5（3）频响法测试绕组变形情况对该变压器进行频响法测试绕组变形，测试图谱见图13、14、15、16，因该变压器没有原始图谱，对测试结果初步分析供参考。 图13低压侧频谱图形图14中压侧频谱图形 图15高压侧频谱图形图16中压激励高压响应频谱图 （4）解体检查情况根据以上试验检测数据综合分析，该主压器内部有高能量电弧放电，设备低电压短路阻抗测试显示故障相Am相与其它两相数据存在明显差异，判断该主变存在A相中压绕组变形的可能较大，再次承受短路电流冲击极易发生损坏事故，不宜继续投入运行。对该变压器吊罩检查，发现中压绕组A、C相都有不同程度变形，B相绕组完好。解体情况见图1718所示。 图17A相中压绕组变形情况 图18C相中压绕组变形情况3 变压器绕组变形检测和诊断方法总结由以上案例总结，对变压器进行油色谱分析、绕组电容量测试、绕组变形的频响法和短路阻抗测试进行综合诊断变压器绕组变形是有效的，在实际应用中应结合历史数据综合分析，见表9。表9各种试验方法有效性比较案例油色谱分析绕组电容量测试频响法测试变形低电压短路阻抗测试塘头延陵梁溪备注：表示未发现测试数据明显异常，表示测试数据分析有明显异常。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、类型和累计作用时间，通过试验手段来正确诊断绕组内部变形的方法是非常重要的，绕组变形以后的变压器，运行中检测参数的改变包括电气和机械两个方面，因此，变压器绕组变形的分析、判断不是一个片面的问题而是一个综合的问题，在应用各种检测手段和数据分析时，应注意以下几个方面。3.1变压器油色谱分析目前，在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障诊断的实践所证明。在变压器发生出口短路故障而无法立即对变压器进行停电检测的情况下，应采用油色谱分析的方法对变压器进行故障诊断，特别是当故障电流超过变压器额定电流数倍时。利用油色谱分析诊断变压器绕组变形缺陷，是一个技术和经验相结合的过程，当变压器绕组发生变形但没有形成放电时，该方法尚不容易发现绕组变形。但随着绝缘破损缺陷的发展，局部放电的气体经对流、扩散不断溶解在油中，利用气相色谱分析绝缘油中溶解气体检测电力变压器潜伏性故障的方法，具有在运行中就能发现缓慢发展的绕组故障的独特优点。目前该方法已开发出油色谱在线连续监测设备，成为提高电力变压器运行可靠性和杜绝在运行中发生电力变压器烧毁事故的主要方法，且效果显著。3.2变压器绕组电容量测试变压器绕组的电容量是由测试介质损耗因数正切值得到的数据，一般的，人们对介质损耗因数正切值的测试结果非常重视，在规程中也有非常明确的要求和标准，专业人员在现场容易分析和判断，但现有的规程和规定中对电容量的测试结果均没有明确的标准，往往容易被忽略，即使发现电容量测试结果有偏差，也会因没有标准而不进行分析判断。从以上案例不难发现，变压器各绕组之间电容量的变化往往也是一种缺陷的表征，对分析变压器绕组变形具有重要意义，根据经验，当电容量变化超过4%时，应分析和检查变化原因。3.3绕组频响法测试频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异，判断变压器绕组可能发生的变形。频响法绕组变形试验是一种较灵敏、较精确的试验，该方法要求试验人员要有较强的责任心和认真的态度。通过对不同的变压器生产厂家及不同的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，其波形并不一样。另外通过对不同的频率响应测量仪器测量同一台变压器的结果进行分析，我们发现其波形也不一样。所以为了便于相互比较，应按照统一规定的试验接线方式、试验顺序和同一台试验仪器进行测试。检测最好安排在所有直流试验项目之前进行，以避免累积电荷和剩磁的影响。现阶段绕组变形频响法诊断仍在经验积累阶段，主要根据仪器制造商提供的判断依据来判断绕组是否变形及变形的严重程度，但由于缺乏对应的基础频响特性来做比较，尚难根据频响特性曲线判断绕组变形，更无法确定变形的具体部位，今后的主要方向是建立波形的分析软件及数据库，加强这方面的经验积累和研究。3.4低电压短路阻抗法变压器的短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量，对于110kV及以上的大型变压器，电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压器的电抗分量就是绕组的漏电抗，由绕组的几何尺寸所决定的，变压器绕组变形势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变。将现场测得的短路阻抗值与原始(如出厂) 短路阻抗数据对比，就可以判断绕组是否变形，但由于现场试验设备容量有限，往往采取低电压下测量短路阻抗，因此，在变压器出