一起变压器绕组变形故障的测量分析与判断

南方电网红河供电局 王允光 朱启龙 沈 映 余 炜

变压器在电力系统中属于重要的设备之一，其正常运行关系到电网的稳定可靠。但变压器在运行中除长期承受正常运行电流流过绕组所带来的电动力及机械振动的冲击，还要承受故障状态下的冲击电流对变压器的绕组和机械结构受到机械应力的冲击，导致绕组变形，运行中造成事故。为此，在变压器正常运行中或遭受短路冲击后，能准确诊断分析诊断变压器绕组状态，预防因其变形造成的主变损坏、非计划停电等事故的发生显得尤为重要。

1 故障案例分析

某220kV变电站110kV线路发生接地故障，最大电流11052A，线路发生故障时，根据220kV主变故障录波图，220kV1号主变中压侧流过短路为6.41kA（峰值），1号主变中压侧额定电流为903.68A，短路电流为5倍额定电流；220kV2号主变中压侧流过短路为8.99kA（峰值），2号主变中压侧额定电流为602A，短路电流为10.6倍额定电流。220kV1号主变中压侧流过短路电流为8.01kA（峰值），为8.86倍额定电流；220kV2号主变中压侧流过短路电流为11.15kA（峰值），为13.1倍额定电流。220kV2号主变本体重瓦斯动作，跳开2号主变三侧断路器。现场对220kV2号主变及三侧断路器间隔进行外观检查，三侧断路器间隔无异常，检查2号主变本体发现A相变压器瓦斯继电器内部空间有3/5气体，本体呼吸器处有少量油喷出。

对该变压器开展了绝缘电阻测试（绕组连同套管、铁芯及夹件）、绕组连同套管介损及电容量测试、绕组直流电阻测试、绕组变形（频率响应法、低压阻抗）测试[1-3]，中压侧各档位预试及短路后测试结果分别为：RAO131.13/210.86，RBO131.23/128.24，RCO131.03/127.59，ΔR%0.15%/53.53%；低压侧测试结果分别为：Rab37.25/37.16，Rbc37.21/36.34，Rca37.17/36.26，ΔR%0.22%/2.46%。

1.1 绕组直流电阻测试

从绕组直流电阻试验数据看，高压绕组直流电阻三相偏差分布在[2.6%,3.1%]之间，超过“规程”要求。从数据上看，B、C相直流电阻横相偏差很小，造成三相数据偏差异常的原因为A相数据为事故后当夜测试、绕组温度较高，而B、C相数据为事故后第三天测试所得，低压绕组情况与此相似。而中压绕组三相直流电阻偏差为53.52%，显著增大的为A相，鉴于上次预试数据三相偏差为0.22%，以本次B、C相所测数据作为参考，A相与上次预试值比较增长64.43%，可判断A相中压绕组存在断股[2]。

图1 变压器高压侧直流电阻测试值分布图

1.2 绕组连同套管的介损及电容量

从绕组连同套管的介损及电容量试验结果来看，B、C相介损及电容量较上次预试值无明显变化。A相“高-中、低及地”试验数据正常，而“中-高、低及地”、“低-高、中及地”介损值分别为0.944%、0.858%，增长分别为529.3%、512.9%，超过“规程”要求；A相“高-中、低及地”电容量与上次预试值比较，变化量为+0.62%，A相“中-高、低及地”电容量与上次预试值比较变化量为+2.93%，A相“低-高、中及地”电容量与上次预试值比较变化量为+1.91%，由于中压绕组居于高、低压绕组之间，根据以上数据可以初步判断故障点在中、低压绕组之间[4-5]。

表1 主变压器绕组电容量测试数据

表2 主变压器绕组介损测试数据

1.3 绕组变形频率响应

频率响应试验使用TDT6型试验设备进行，依据行标DL/T911-2016《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》测试信号频率选取1～1000kHz范围内，测试并计算低频段：1～100kHz，中频段100～600kHz，高频段600～1000kHz的相关系数分析，分析变压器绕组的状态。当给一个扫频信号后，在整个频率范围内会产生相应谐振，最大的响应电压发生在等效电路出现串联谐振现象时，此时频响特性曲线出现峰值；频响曲线的谷值发生在等效电路出现并联谐振时。该主变中压侧发生短路后进行绕组变形频响法测量，各侧绕组频响特性曲线如图2，测试数据显示高压侧各频段曲线重合度较高，低频段曲线重合度稍差但是仍在合格范围内[3、6、7]。

图2 变压器高压侧绕组频响特性曲线

中压侧频率响应曲线显示，整个高中低频段三相曲线的重合度较差，通过相关系数的计算值可以发现，低频段相关系数R21、R13＜0.6，中频段相关系数R21、R13均为0.2＜0.6，即在中压侧绕组的中、低频段均有明显变形的迹象，且三相曲线相比较A相曲线存在明显右移如图3所示[3]。低压侧曲线显示，在曲线的50～400kHz及550～700kHz部分重合度较低，分布于曲线的低频段、大部分中频段和高频段的小部分。通过相关系数的计算可知，低频段R21＜1，有明显变形现象；中频段R21、R31、R32＜1，有轻度变形现象[8-9]。

图3 变压器中压侧绕组频响特性曲线

发生短路故障后，从获得的变压器每个绕组的频率响应特性分析，横向比较变压器相同的电压等级的三相绕组的当前测试数据，可见该主变A相中压侧绕组频响在低、中、高整个频段与另外两相存在较大差异，A相低压侧横向比较三相绕组的频响特性曲线存在明显差异。A相绕组在低频段的频响曲线明显后移，而B、C两相的则基本保持原有的差异程度，因此可准确判断该变压器A相绕组的频响特性发生明显的变化，且由于该变化主要发生在低频段，故可认为该绕组存在严重变形。

在获得变压器各个绕组的频率响应特性以后，即可对相同电压等级的三相绕组频响数据曲线进行横向（相间）、纵向（历史数据或同厂同型号数据）比较，根据其差异或变化情况，判断变压器绕组是否发生变形现象。变压器绕组的频响数据曲线中通常包含多个明显的波峰和波谷，其分布位置及分布数量的变化是分析绕组变形的重要依据。如果在低频段（1Hz～100kHz）发生变化，通常表示着绕组的电感改变，有可能存在匝间或饼间短路。

图4 变压器低压侧绕组频响特性曲

对于绝大部分变压器，如果不存在绕组结构的先天性差异，其三相绕组在低频段的频响数据曲线均应相似，如果存在差异应及时查明原因；如果在中频段（100kHz～600kHz）发生变化，通常表示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象，大多数绕组变形现象在该频段均应有较明显的现象；如果在高频段（600kHz以上）发生变化，通常表示着绕组的对地电容改变，可能存在绕组整体位移或引线移位等情况。但由于高频段易受测试引线的影响，且该类变形现象通常在中频段也会有较明显的反映，故通常不把高频段测试数据作为绕组变形分析的主要信息[9-10]。正常测得的频响数据曲线应是清晰、连续和平滑的，其幅度值大多分布在-70dB～0dB之间，且随频率的提高呈现总体上升的趋势。

上一次测试获得的变压器每个绕组的频率响应特性分析，横向比较变压器相同电压等级的三相绕组的当前测试数据，可见该主变中压侧横向比较三相绕组的频响特性曲线无明显差异、三相频响曲线的一致性良好，基本能到达规程的要求。为此，以上一次测试值为基准，分别比较分析主变中压侧A、B、C三相。

A相中压侧绕组频率特性在在低频段（1kHz～100kHz）发生变化，因频率较低时绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大、感抗较小，波峰波谷的位置有明显的变化，通常预示着绕组电感的变化，预示着绕组的电感改变，有可能存在匝间或饼间短路。在中频段（100kHz～600kHz）发生变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。

图5 主变中压侧A、B、C三相上一次测试频响特性曲线

图6 主变A相中压侧前后两次测试绕组变形数据

图7 A相中压侧两次测试中低频段绕组变形测试数据

该主变发生中压侧短路后，内绕组受到向内压缩的力，可能会出现绕组向内过度弯曲的情况，整个内绕组直径减小，绕组的平均直径变小，电感量下降。与高低压绕组间的间距变大，互感电容也随之减小，电感电容量参数均减小，在整个频率范围内谐振峰值均向高频方向发生移动，且谐振峰值幅值也略微增大。同时也导致在短路电动力作用下绕组变形导致匝绝缘破裂而引起匝间短路，从而产生更为严重的短路事故[11]。

变压器当前测得的三相绕组频响数据，分别比较三相频响曲线的一致性很差，通过横向比较法很难做出准确的诊断结论，更不能简单地认为三相绕组均存在变形现象。但通过与图9所示的历史数据进行纵向比较可看出，A相绕组在低频段的频响曲线明显前移，而B、C两相的则基本保持原有的差异程度，因此可准确判断该变压器A相绕组的频响特性发生明显的变化，且由于该变化主要发生在低频段，故可认为该绕组存在严重变形。

图8 B相中压侧前后两侧绕组变形数据分析

图9 C相中压侧前后两侧绕组变形数据分析

1.4 变压器解体验证

该变压器解体吊罩后发现内部干净程度较好，最外层高压绕组线圈外观良好，绕线线圈洁净、形状规则，高压绕组取下后，发现中压绕组线圈有非常明显的鼓包和扭曲变形，低压侧分离后显示有一些轻微的变形，应是受中压侧挤压所致。

2 变压器绕组故障分析总结

综合运用常规试验、频率响应法、短路阻抗法等试验测试完成主变故障检测，总结如下：变压器直流电阻值已出现明显异常，可以判定绕组出现匝间或饼间短路及绕组烧损的情况；从频率响应的情况来看，中、低压测绕组均存在变形情况，中压侧绕组变形的程度可能要严重一些，短路阻抗测试的数据也表明，有中压绕组参与的数据均出现了明显异常；结合绕组电容量、介质损耗测试，中、低压侧绕组整体电容量略有变化，而A相中低压绕组的介质损耗已大幅增涨。综合以上数据分析，可以认定该主变压器绕组在外力作用下发生了比较明显的变形，结合主变压器历史运行负荷较小，主变压器中压侧(也可能有低压侧)绕组在短路电流产生巨大的电动力冲击下，绕组线圈发生了结构上的形变，绕组出现匝间或饼间短路及绕组过热、短路、烧蚀等现象。

根据本体电容及介损试验、中低压侧直阻试验以及频率响应试验检测的试验结果，通过综合分析判断该变压器绕组存在变形，并解体印证。通过上述变压器绕组变形故障的判断处理，发现在试验中对于不合格的试验结果应从多个方面综合分析，对后期检修工作的开展具有指导意义。对于变压器绕组状态的评估分析试验应重视现场检测试验的数据分析，才能为后期检修工作提供有针对性和有效性的方案，从而降低检修成本，维护设备和电网的健康稳定运行。