基于等效理论计算的电力变压器绕组变形分析

广西电网有限责任公司北海合浦供电局 何泽维 王靖方 龙高玮淋

电力变压器在运行过程中，不可避免地要遭受到各种短路电流的冲击，当变压器受到近区短路电流冲击时，短路电流的瞬时值可达到额定值的几十倍，如此大的短路电流会造成绕组的急剧发热，高温下的导线的机械强度会变小，而巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到较大的电动力，甚至高达额定电流时电动力的数十倍至数百倍，在导线机械强度变小的情况下，绕组更容易变形。

对于一组绕组，内侧绕组受到的是幅向压缩力，导致绕组向内收缩和线匝收紧；外侧绕组受到向外的张力，导致绕组向外扩张和线匝松散，如果所受到的合应力超过线圈刚度的屈服点，必将导致线圈发生永久变形，出现绕组会出现局部扭曲或大或小的鼓包、位移或匝间、饼间短路等变形情况；而且绕组受到的电动力还有累积作用，遭受冲击次数越多，电动力累积越多，造成的绕组轴向或径向的变形也越严重。当绕组发生变形后，有的会立即停运，有些还会继续“带病”运行，此时的变压器存在重大安全隐患，直接影响变压器的安全运行。为了判断变压器是否发生变形，多通过常规电气试验进行判断，下文依托某一变压器的试验数据，结合理论计算公式，进行分析变压器变形情况。

1 变压器概况

某主电力变压器2003年11月出厂，2004年1月投运，型号为SFSZ10-63000/110，电压组合为110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV，连接组别为YNyn0d11，容量组合为63000/63000/31500kVA，负荷中带有高载能负荷。投入运行以来，主变中压侧累计遭受70%以上允许短路电流（估算为4.2kA）冲击90次，累计持续时间2060ms，主变低压侧累计遭受70%以上允许短路电流（估算为5.6kA）冲击90次，累计持续时间4050ms。在变压器油中溶解气体分析数据正常的情况下，对变压器状况运行分析，中压、低压侧遭受的冲击次数较多，持续时间较长，易出现累积变形的情况，为了判断变压器的健康状态，进行了多次各种试验进行判断，选取其中两次进行数据分析。具体情况见表1～4。

表1 直流电阻试验

2 试验分析

2.1 直流电阻数据分析

根据GB/T6451《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》[1]和《输变电设备状态检修试验规程》规定的变压器电阻不平衡率的要求：1600kVA以上变压器，各相绕组电阻相互间差别不应大于三相平均值的2%；无中性点引出的绕组，线电阻相互间差别不应大于三相平均值的1%。正常的变压器三相直流电阻测试结果不应有明显的差别，与出厂时结果相比，也不应有明显差别。通过数据分析发现：高压绕组的相间不平衡率为1.03%，中压绕组为0.754%；而低压绕组的线间不平衡率为0.42%都没有超过规程规定的值。

2.2 介损电容量变化分析

对表2中的试验数据进行初值变化率横向分析：中压、低压绕组的电容量与出厂值比较，均出现明显变化，且第II次比第I次初值差变化更大，且都接近或超过了《输变电设备状态检修试验规程》规定的电容量初值变化率不超过10%的要求，而三相变压器，电容量变化率反应的是三个绕组的整体情况，所以低压绕组的主绝缘电容量的变化率较中压绕组灵敏，按照绕组线圈的排列方式可以判断中压绕组发生严重变形。通过纵向分析，第II次试验的结果比第I次偏离初值更多，也说明主绝缘间的等效距离变化更大，也说明变形有恶化的趋势。

表2 绕组连同套管介损及电容量（试验电压10kV）

2.3 短路阻抗变化分析

2.3.1 判断线圈排列情况

一般变压器绕组的排列方式为：铁心－低压线圈－中压线圈－高压线圈，如图1所示，但也有例外的，为了准确分析绕组情况，需要先对线圈的排列方式进行分析。根据表3短路阻抗电压的铭牌值的大小判断线圈排列方式，高－低的短路阻抗为19.29%，高－中的短路阻抗为10.17%，中－低的短路阻抗为6.46%，判断线圈排列方式为铁心－低压线圈－中压线圈－高压线圈。

图1 绕组结构图

表3 低电压短路阻抗单相试验数据

表4 低电压短路阻抗

2.3.2 单相试验数据分析

按照GB/T6451《油浸式电力变压器技术参数和要求》规定，对于容量介于6300～63000kVA的三绕组电力变压器，其各绕组对之间的短路漏电抗标准同一。因此，考虑到不同容量的变压器短路电抗变化率反应绕组变形程度的灵敏度差异，规定对于额定容量介于25～100000kVA的电力变压器，若短路试验后每相短路电抗值与原始值对比，初值变化率不大于2%，则认为变压器绕组未发生显著变形；反之，则说明异常。对表3中单相测量数据进行初值变化率分析，初值差超过2%的情况如下：两次试验的A、B相高压－中压、中压－低压和B相的高压－中压、中压－低压的变化率都超过规定值，且A相变化更大，说明A，B相中压、低压存在严重变形，且A相的变形程度要大于B相，纵向分析第II次试验的变化要比第I次的大，也说明绕组变形存在恶化的趋势。

2.3.3 初值变化率对比分析

对表3中的数据进行分析：高压－中压、中压－低压绕组短路阻抗与出厂值比较，远远超出《输变电设备状态检修试验规程》要求不超过±2.0%范围的要求，且第II次与第I次误差比较增加明显。第II次试验数据与出厂试验值相比，高压－中压绕组对间变化率为18.68%，高压－低压绕组对间变化率为0.88%，初步分析，高压－中压绕组对间等效漏磁面积增大，由于对于高压绕组供电的情况，中低压绕组发生辐向变形时，总是使绕组间空道距离增大，从而导致电抗电压增大，初步判断，中压、低压绕组发生了变形，但中压变形更为严重；而中压－低压绕组对间的电抗电压最大变化率为-18.27%，说明中压绕组与低压绕组的中空道距离减小，当中压绕组发生严重变形，低压绕组也有显著变形。

也说明“对于三绕组变压器，当实际几何位置在中间的绕组发生辐向变形时，其对外侧绕组的短路电抗增大，对内侧绕组的短路电抗减小；当实际几何位置在最内侧的绕组发生辐向变形时，其对外侧的其余绕组短路电抗均增大”。根据第I次和第II次的绕组试验数据分析表明：当三相绕组发生变形时，中-低压绕组的短路阻抗要比高-低的变化率要大的。通过试验数据分析，还发现最小分接位的阻抗变化率最大，这也说明当绕组发生变形时，最小分接位置对变形的灵敏度最强。

2.4 变形情况分析

根据孟建英[2]等对等效变形量与短路电抗关系的研究，可以推导出绕组变形恶化程度与电抗变化率之间的关系为公式（1）：

通过计算，对高压-低压绕组对而言，第I次和第II次的电抗实测数据为19.45%和19.46%，电抗初值变化率分别为0.83%和0.88%，绕组变形恶化程度为8%；对高压-中压绕组对而言，第I次和第II次的电抗实测数据为10.68%和12.07%，电抗初值变化率分别为5.01%和18.68%，绕组变形恶化程度为271%；对高中压-低压绕组对而言，第I次和第II次的电抗实测数据为6.09%和5.28%，电抗初值变化率分别为-5.73%和-18.27%，绕组变形恶化程度为220%；从以上对比数据可以看出中压绕组和低压绕组的变形恶化趋势严重。

3 解体故障原因剖析

解体后，发现A、B、C三相高压线圈均没有明显变形情况，A、B相中压、低压绕组均有明显变形，C相低压有轻微变形，并且A相中低压绕组的变形最为严重，主要是中压线圈与低压线圈由于变形绕接在一起无法脱离；说明内绕组受到幅向压缩力，导致绕组向内收缩和线匝收紧。对变压器进行短路强度计算，线圈导线可承受的最大拉或压应力均小于导线的屈服强度，在设计上有很大的安全裕度；对内线圈线饼的临界失稳强度和变压器承受短路耐热能力计算也表示该变压器设计能够满足国家标准的要求。解体结构分析如下。

一是变压器绕组A、B相出现较大变形，说明该变压器在长达16年的运行过程中遭受到短路冲击的次数较多，平均一年6次，持续约130ms，导致绕组在承受短路力的情况下，绕组间外线圈受到向外拉扯的力，而内线圈受到向内压缩的力，导致撑条间隔内的线饼出现向内凹陷。A相绕组变形大，主要是由于A相绕组距离调压开关近，遭受到的短路冲击更大。

二是线圈变形还可能与线圈本身的抗短路力的能力有关，由于变压器2003年出厂，而当时对于变压器出厂关于抗短路能力方面要求没有现在严格。虽然变压器短路强度表明能够承受短路应力，但在长期的运行过程中，线圈受电动力的振动作用，电磁线本身的屈服强度也会逐渐下降，同时器身的压紧力也会逐年下降，这就会造成变压器的抗短路能力逐年降低。

通过试验数据进行理论分析，能够从理论上剖析绕组变形的原因，当发现在变压器绕组存在有一定变形后，且在负荷侧运行条件恶劣或运行线路有短路频发的情况下，变压器绕组变形的累积效应明显，轻微变形的绕组是变压器的薄弱部位，在长期的运行过程中慢慢地恶化，发展到一定程度或者遭受短路电流冲击后，绕组的薄弱部位首先发生故障，进而导致绕组严重变形或部件损坏，也从而验证试验数据分析的重要性。