电力变压器绕组故障诊断分析

湖南电科院检测集团有限公司 李 斌

随着我国电力系统的逐渐完善，电网容量不断提高的同时，对供电可靠性也提出了更高的要求。变电站是电网的重要组成部分，也是电能供应和输送的枢纽设备，其运行状态对电网整体运行的稳定性有较大影响，变压器与不同等级电网相连，一旦发生故障，极易引发重大电力事故，如：电压波动、设备损毁、大面积停电等，由此带来严重的社会负面影响[1]。因此，需注重变电站日常运维工作的开展，及时采用对应的故障诊断方法和维修措施，这是提高电力系统运行质量的一大重要前提，本文主要从电力变压器绕组故障的角度出发展开分析。

1 电力变压器绕组故障概述

电力变压器实际运行情况分析可得，故障类型较多，主要分为过热故障、绝缘故障、机械故障等[2]；从内部结构上进行划分，包括绕组故障、铁芯故障、附件故障等。根据相关统计数据分析显示，变压力故障多数情况下并非过热或是绝缘问题直接引发，而是由于机械缺陷产生过热、绝缘故障。其中，绕组故障在机械缺陷中发生次数较多，对变电站安全运行产生较大的威胁。

根据调查可得，变压器出厂运行和在线运行状态下会受到电动力和机械外力等因素的影响，绕组会发生不同程度的变形损坏。若结构性损坏或运行环境的异常等情况未被及时发现和处理，变压器持续保持运行状态，则绕组的耐受冲击能力逐渐下降，一旦外界出现负荷波动，就会产生较小暂态冲击电流，造成绕组的严重损伤且不可修复。因此可知，对变压器内外侧进行定期检查、及时发现运行故障，对设备进行检修十分重要，对变压器进行吊罩检查虽然可以发现外侧绕组的异常状态，但是不能准确判断内测绕组的电气状态，不易发现水分侵入引发的绝缘损坏等问题。

对此，国内外学者针对变压器绕组无损故障诊断方法展开了大量的研究分析，如：1966年低压脉冲法由波兰人提出，随后在英国、美国进一步完善；1978年频率响应法首次被提出应用于变压器绕组故障诊断，直至目前为止已经成为现场检测的主要方法之一[3]。为有效提高绕组检测精确性与可靠性，我国也展开了大量的研究，如：有学者提出采用扫频阻抗曲线替代频响曲线检测变压器绕组状态，抗干扰能力较强，且对特定故障具有较高的灵敏度；有学者针对振动信号在变压器绕组故障诊断中的应用展开分析。不同方法对变压器绕组故障灵敏度存在差异，加强不同绕组故障诊断方法研究具有重要意义。

2 电力变压器绕组故障诊断主要方法

电力变压器运行中，绕组作为重要组成部分，对其安全稳定运行起着关键作用。下文主要介绍了几种常见的电力变压器绕组故障诊断方法。

2.1 短路阻抗法

短路阻抗法（Short-CircuitImpedance）由前苏联提出，测量对象为绕组短路阻抗值，通过分析此值的变化情况，判断绕组是否存在形变、移位及匝间开路、短路等问题。该方法使用时间较久，已纳入标准GB1094.5和IEC76.5中。各国短路阻抗值判断标准存在差异，如：IEC标准规定试验前后短路阻抗值变化率在3%以上，可判断为异常[4]；GB1094.5则是针对不同形式线圈的变压器提出不同要求，主要在2%～7.5%之间。

该方法实际使用时，现场测量大多采用伏安法，在正式测试前变压器一侧出线短接，但是必须预留充足的短接用导线截面积，对各出线的端子进行检查，确保接触良好；变压器另一侧施加试验电压，产生流经阻抗的的电流，对阻抗上的电流、电压参数进行跟踪记录，而基波分量比值也就是变压器短路阻抗。此方法测试程序、判断过程较为简单，且有良好重复性，对绕组变形评估可靠性高，但是此方法的试验条件较高，对绕组轻微变形不敏感。

2.2 低压脉冲法

低压脉冲法（LVI：Low Voltage Impulse）基本原理是将每个绕组当作一个由线性的电阻、电感、电容等分布参数构成的无源线性双端口网络，单端输入/输出[5]。经由前后试验结果比较分析，判断变压器绕组是否存在变形问题。此方法目前已经被列入了IEC、IEEE电力变压器短路试验导则与测试标准，其检测速度快、灵敏度高，但是现场测试面临着抗电磁干扰能力弱的问题，且测试方法相对复杂，不同绕组部分对频率响应灵敏度存在一定差异，因此最终的测试结果判断较难。

2.3 频率响应法

从低压脉冲法发展而来的频率响应法（FRA：Frequency Response Analysis），克服了其存在的一些缺陷，目前在全球得到了广泛应用。此方法的基本原理是对变压器各绕组的幅频响应特性进行检测，经过对比分析，参照幅频相应特性判断绕组变形情况[6]。对于变压器绕组幅频相应特性，可通过频率扫描方法获得，如图1所示，图中L为单位长度电感量、K为单位长度电容量、C为单位长度对地电容量、U1为等效网络的激励端电压、U2为等效网络的响应端电压、Us为正弦波激励信号源电压、RS为信号源输出阻抗、R为匹配阻抗。

图1 单相变压器电气原理图

不断变化外施正弦波激励源US的频率，对不同频率下响应端电压U2与激励端电压U1的信号幅值之比进行测量，由此获取指定激励端与响应端情况下绕组幅频响应曲线。此方法的灵敏度高，具有较强的抗干扰能力，测量重复性好，但是尚未能够形成明、可量化的判断依据，测试条件苛刻。

2.4 扫频阻抗法

2009年扫频阻抗法首次被提出，其结合了频率响应法与短路阻抗法，实现一次测量同时获取变压器绕组短路阻抗—频率特征曲线、频响特征曲线。通过检测结果的纵向、横向对比，分析曲线变化情况，可对绕组可能发生的变形进行判断[7]。此方法在低频段时测试效果良好，抗干扰能力较强；进入高频段时，测试的灵敏度可达到频率响应分析法水平。

2.5 振动法

变压器振动主要由绕组、铁芯振动引起，负载电流通过绕组时，在绕组周围产生漏磁场，基于负载电流与漏磁场共同作用下产生电动力，最终出现绕组振动。在对绕组状态进行判断时，需充分考虑负载电流对绕组振动基频幅值的影响。若绕组内部发生的变形或其他结构性损坏，负载电流不变，但是变形位置的漏磁场会发生改变，则引发了变压器振动信息的变化，因此需综合诊断绕组机械状态。

绕组振动信号属于是一个非线性、非平稳的时变信号，包含丰富特征信息量，可采用小波包分析等非线性时频分析法，具有良好的时频定位特性、信号自适应能力[8]。振动法的特点在于与整个电力系统无电气连接，因此不会对电力系统正常运行产生影响，抗干扰能力强且灵敏度好，可对电力变压器状态进行监测，具有良好的应用前景。

3 实例探析

3.1 主变压器故障情况

此次发生事故的是某220kV变电站2#主变压器，2011年投入运行，2015年8月23日下午2点2#变压器重瓦斯保护动作，1s后压力释放阀动作、发信，同时2#变压器三侧断路器跳闸、轻瓦斯保护发出信号。根据调度自动化显示，重瓦斯与轻瓦斯间隔3s。

3.2 现场检测

工作人员到达现场后发现2#变压器压力释放阀动作，发现由喷油现象。对设备进行故障排查，发现瓦斯继电器已动作、轻瓦斯继电器发出预警信号，在瓦斯保护设备的内部也有残留气体。按照现行行业规定对残留气体开展燃烧试验，发现气体不可燃。后提取瓦斯气体以及变压器油样品进行气相色谱分析试验，内容详细如下：

变压器油色谱分析。气相色谱试验结果显示，瓦斯气样中各组分体积分数显著高于变压器油样，尤其是乙炔体积分数最大。根据三比值法分析，本次试验乙炔/乙烯、甲烷/氢气、乙烯/乙烷三对比值对应编码为102，判断变压器的内部发生高能放电情况。同时，因初次提取的气样中炔体积分数高于油中乙炔，经三次油色谱分析可知乙炔体积分数逐渐增长，由此判断变压器内部可能发生了突发性的高能量电弧放电故障。

变压器三侧直流电阻试验。根据试验显示，故障后变压器低压侧三相互差达100.4%，远超规程要求。对故障前（2014年）、后的试验结果进行对比，Rv、Rw近似相等，Ru明显增大，同时，故障后Ruv=Rv，Rvw=Rw，Rvw=Ruv+Rvw，由此判断低压U相发生断线故障。

短路阻抗试验。低电压短路阻抗试验中，要求高对中、中对低、高对低的纵比、横比误差均在1%以内，而规定要求在2%以内。故障后，短路阻抗试验结果均远超过上述规定，由此判断U相绕组发生断线故障。

录波器波形分析。对220kV、10kV录波器采集到的波形进行分析，判断2#变压器高压、中压侧电流状态，波形如图2所示。由图2可知，在发生故障前高压、中压侧三相电流的相位基本堆成，220kV侧U相电流较V、W相略有升高，110kV侧V相电流较V、W略有降低，由此判断10kV侧缺相运行正常。因为变压器内部故障多是根据非电气量的重瓦斯、电气量的差动保护配合实现，对于不同类型的故障其灵敏度也有所差异。本次故障发生前，电气量无显著变化，故障过程中变压器重瓦斯、压力释放和轻瓦斯相继动作，由此判断是变压器内部发生了突发性的短路。

图2 高压、中压侧电流波形

3.3 解体试验分析

2#变压器返厂后，初步进行吊罩检查，未发现变压器自身存在较大异常，随后进行进一步的解体试验。经解体发现变电站第18匝绕组有灼烧痕迹，且绕线也有严重损坏。经过详细检查发现U相绕组未出现故障的区域有较多毛刺，会引发电场的变化，若电场强度较大，极易出现高能放电，导致绝缘受损，由此在该点位置出现股间短路，构成短路环，最终导致绕组整匝熔断。

3.4 改进建议

经过详细检查发现2#主变压器存在故障，其有载调压开关支撑法兰密封槽面有裂纹，测量得出裂纹长度达40cm，同时定位销和开关盖板也有不同程度的变形，曾发生冲撞。由此判断是变压器安装操作失误引发的问题。此外，对该变电站返修的其他变压器进行检查，发现有2台变压器存在明显缺损，1台运行过程中温度过高，所以作为生产厂家必须对变压器的材质选择和组装等环节进行严格管控。

综上，绕组故障在电力变压器故障中较为常见，相关诊断方法经由多年发展也较为成熟，不同诊断方法各有优缺点，如：短路阻抗法使用简单，但是对中部的局部变形不灵敏；频率响应法灵敏性较好，但是对检测人员专业性要求较高；扫频阻抗法、振动法目前现场应用较少，其可提供丰富的指标参量，但还需通过仿真分析和现场实证确定指标的准确性。上述检测方法各有不同的适用场合，可根据实际情况进行合理选择，及时、准备判断故障原因，做好维修与总结分析。