一起110 kV 变压器绕组变形故障综合分析与解体验证

邓于婷

（国网江西省电力有限公司吉安供电分公司，江西 吉安 343009）

0 引言

随着电网规模的发展，系统短路容量不断增大，短路故障是电力系统中最常见的故障之一。电力变压器运行过程中需承受不同形式的短路冲击，其中一般以变电站开关柜、母线等近区短路最为严重，可形成数倍乃至十余倍额定电流大小的短路电流冲击变压器，巨大的短路电流引起的电动力作用于变压器绕组，当短路电动力大于绕组屈服强度时，将引发绕组出现形变[1]，并进一步引发更严重的故障，据统计，约25%的变压器故障由绕组变形引起[2]，严重威胁了电力系统的安全稳定运行。因此，研究变压器绕组变形综合分析及诊断方法，提前发现潜在隐患，具有重要意义。

变压器常规试验项目无法准确识别绕组变形故障，文中提出了基于绕组电容量、低电压短路阻抗和频率响应测试的变压器绕组变形综合分析方法，应用该方法诊断了一起110 kV变压器绕组变形故障，并通过返厂解体检查结果验证了综合分析方法的准确性。

1 绕组变形综合分析方法

1.1 绕组电容量分解测试

变压器绕组电容由绕组之间的电容和绕组对地（铁芯或油箱）的电容组成。变压器的高、中、低压绕组可等效为多层圆筒结构，因此变压器绕组电容量取决于绕组尺寸、相对位置和绝缘介质等。变压器制造完成后，绕组直径、高度等尺寸，绕组间的距离、绕组对铁芯及油箱等距离等相对位置、变压器油介电常数等参数均已固定，其绕组电容量是确定的。当变压器遭受短路冲击发生绕组变形后，由于相对位置距离的变化，会引起绕组电容量改变。因此可利用绕组电容量测试来评估变压器是否发生绕组变形。

以三绕组电力变压器为例，绕组电容量测试项目一般包含以下五项，如表1所示。

表1 绕组电容量测试项目

表1 中各试验项目测试结果均由多个电容量叠加组成。当绕组电容量测试出现异常时，为了明确发生形变的绕组，提出绕组电容量分解法。三绕组变压器绕组电容量组成，如图1 所示，其中C1表示低压绕组对地电容量；C2表示低压绕组与中间绕组之间的电容量；C3表示中压绕组与高压绕组之间的电容量；C4表示中压绕组对地的电容量；C5表示高压绕组对地的电容量。因此，表1中五个试验项目测试结果可由式（1）组成。

图1 绕组电容量组成

根据式（1）求得C1-C5，并识别变形绕组。

1.2 低电压短路阻抗测试

变压器短路阻抗是当二次侧短路，一次侧通过额定电流时的电压与电流的比值，由于短路阻抗在不同电压下保持稳定，因此可测量低电压（三相380 V、单相220 V）、小电流下的短路阻抗测试代替额定电流下的短路阻抗。短路阻抗有电阻分量和电抗分量组成，其中变压器绕组直阻很小，短路阻抗的大小取决于短路电抗，工程计算中，变压器短路电抗百分比可由式（2）表示[3]。

式中：Xk为短路电抗百分比；N为变压器绕组匝数；f为电压频率；I为额定电流；h为绕组高度；et为单匝电压；D为变压器漏磁通等效面积。

由式（2）可知，短路阻抗是与变压器绕组结构和尺寸等相关的固有参数，当绕组发生变形时将引起短路阻抗的变化。因此可通过短路阻抗纵比（与历史数据相比）或横比（相间对比）的方式来判断变压器绕组是否发生变形。

1.3 频率响应测试

在较高频率（1 kHz~1 000 kHz）的电压作用下，变压器的绕组可视为一个由线性电阻、电感和电容等分布参数组成的二端口网络，若绕组发生变形，绕组内部的分布电感与电容必然发生变化，因此，可通过检测二端口网络的幅频响应特性，并进行纵向和横向比较判断绕组是否发生变形。

具体地，典型的变压器绕组幅频响应特性曲线在检测频率范围内包括多个明显的波峰与波谷，波峰和波谷的分布位置和强度的变化是分析绕组变形的重要依据。其中低频段（1 kHz~1 000 kHz）曲线的变化表征绕组电感发生了改变，预示可能存在绕组匝间或短路的情况；中频段（100 kHz~600 kHz）曲线出现变化，表示绕组可能存在扭曲或鼓包等局部变形现象；高频段（600 kHz~1 000 kHz）曲线变化，说明绕组对地电容的改变，因其容易受到测试线的影响，且中频段曲线波峰和波谷的位置变化也能反应绕组电容的改变，因此一般可不把高频段测试数据做为绕组变形分析的主要信息[4]。

2 变压器绕组变形实例分析

2.1 异常主变基本情况介绍

某110 kV 变电站1 号主变于2006 年10 月投运，该主变型号SSZ10-31500/110，额定电压为（115±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5）kV，上次例行试验为2019年10 月，试验结果正常。2022 年2 月，对该主变开展绕组电容量、低电压短路阻抗和频率响应测试，试验结果均不合格，判断该主变低压绕组存在明显变形，返厂解体检查验证了判断的准确性。

2.2 试验数据分析

2.2.1 绕组电容量测试结果

绕组电容量测试结果如表2所示。

表2 绕组电容量测试结果

由表2可知，除高压绕组对地电容量测试结果合格外，其他测试项目初值差均超过标准规定值（3%），其中涉及到低压绕组的两个测试项目（Cd、Cgzd）初值差最大，分别达14.53%和24.49%，初步判断低压绕组存在变形。

按照式（1）计算各分解的电容量，如表3所示。

表3 绕组电容量分解计算结果

由表3 可知，低压绕组对地电容量（C1）相比出厂值增大35.77%，低压绕组与中间绕组之间的电容量（C2）相比出厂值偏小8.41%，表示低压绕组与地（铁芯）之间距离减小，而与中间之间的距离偏大，进一步说明低压绕组存在明显的内凹变形。这是因为低压绕组位于最内层，根据安倍左手定则，位于内侧的绕组幅向上压缩应力，而外侧绕组幅向受到拉伸应力。

2.2.2 低电压短路阻抗测试结果

分别测量高压对中压绕组、高压对低压绕组和中压对低压绕组的低电压短路阻抗，测试结果如表4所示。

表4 低电压短路阻抗测试结果%

由表4 可知，中压对低压绕组的短路阻抗初值差为3.12%，不满足DL/T1093—2018[5]标准的要求：容量100 MVA及以下且电压220 kV以下的电力变压器绕组参数的相对变化率不应大于±2%，由此判断该主变中压或低压绕组存在变形。

2.2.3 频率响应测试结果

对该主变高压、中压和低压绕组分别开展频率响应测试，结果如图2所示。

图2 绕组频率响应测试结果

由图2可知，高压绕组、中压绕组相间频率响应曲线吻合度较高，低、中频段波峰、波谷的频率分布位置以及分布数量基本一致；而低压绕组相间频响曲线相差较大，波峰、波谷的频率分布位置以及分布数量均存在差异，即三相绕组的幅频响应特性一致性较差。

结合绕组电容量、低电压短路阻抗、频率响应测试结果，综合判断该主变低压绕组存在明显的内凹变形。

2.3 解体检查

对主变开展解体检查解体，发现三相低压绕组幅向均存在严重翘曲变形，轴向未见明显变形，如图3所示。

图3 低压绕组绕组变形

由图3 可知，三相低压绕组在部分撑条之间发生了内凹变形，其变形形式如图4所示。

图4 绕组幅向变形形式

由图4 可知，低压绕组内径处安装有撑条支撑，以提高绕组的幅向强度。低压绕组位于最内侧，根据安培左手定则，受到幅向压缩应力，当短路电流超过某一值时，幅向压缩应力超过绕组临界应力值，绕组将在某一撑条间距内所有线匝同时向内凹陷，而在相邻撑条间距内，绕组将向外凸出。

3 结语

文中提出了基于绕组电容量分解法、低电压短路阻抗和频率响应测试的变压器绕组变形综合分析方法，并将该方法应用于一起110 kV 变压器绕组变形故障分析，诊断该主变低压侧发生了严重的内凹变形，解体检查结果验证了综合分析方法的准确性。