变压器绕组变形综合分析判断与论证

史玉清，杨红伟，矣宗林，杨凯越，陈云浩

（1.云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100； 2.云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱 665000； 3.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000）

0 前言

变压器是电网安全稳定运行的核心设备之一，其健康状态决定供电可靠性。由于近年来电网规模不断增加，系统短路电流不断升高，变压器短路损坏问题日益严重。某电网公司在变压器抗短路能力不足专项治理工作中明确提出：其一针对运行10年及以上110 kV-500 kV应开展低压短路阻抗法和频率响应法试验，试验结果与出厂值对比应无明显变化；其二变压器遭受外界短路冲击跳闸后，应做低压短路阻抗法和频率响应法试验，试验结论满足国标和企业标准后，方可投入运行。

低电压短路阻抗法在DL/T 1093-2018《变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》中已列出测试方法和判定标准[2]，该方法较为成熟，试验过程干扰因素少，判定标准明确。可各测试结果很难进行关联性分析，加上一些测试结果无法检验其准确性，影响最终的判断[3]。因此，本文将变压器绕组对地电容量、绕组短路阻抗测试值与出厂值进行对比分析，得出高、中、低三侧绕组变形方向与变压器绕组对地电容量、绕组短路阻抗之间的定性关系。针对一起220 kV变压器电容量和短路阻抗试验结果判定绕组变形情况，决定将该变压器返厂解体，证实了电容量和短路阻抗试验综合诊断分析的准确性。

1 理论分析

1.1 变压器绕组电容量理论分析

变压器绕组对地电容量计算公式如（1）[5]：

式中：CWW—变压器绕组电容量，pF；

εwe—绕组间油纸绝缘介质的等效介电常数；

H—绕组的轴向电抗高度，mm；

Rw1—内绕组的外半径，mm；

Rw2—外绕组的内半径，mm。

由式（1）可知：变压器绝缘油成分分析和检测分析试验结果合格时，εwe可确定其为一般常数。H、Rw1和Rw2与变压器结构有关，出厂时已确定，若变压器内部结构不发生变化，H、Rw1和Rw2与出厂时保持一致，变压器绕组对地电容量与出厂值对比，在合格范围内。因此，当变压器各绕组变形到一定程度时，便可测试各绕组对地电容量，判断绕组的健康状态[6]。

为进一步研究各绕组电容量试验，三绕组变压器电容量等效电路图，如图1所示。

图1 三绕组变压器各绕组等值电容分布模型

其中高对中、低及地的电容量计算公式如（2）、中对高、低及地的电容量计算公式如（3）、低对高、中及地的电容量计算公式如（4）。当低压绕组向内横向位移时，CH增大、CM减小；当中压绕组向低压绕组方向横向位移时，则CL增大、CM增大、CH减小；当中、低压绕组均横向位移时，则CL增大、CM增大、CH减小。因此开展各绕组对地的电容量试验可判断变压器各侧绕组间的等效距离，进而推断变压器绕组变形情况[7]。

式中：C1-低压绕组与铁芯之间的电容量，C2-中压绕组与低压绕组之间的电容量，C3-高压绕组与中压绕组之间的电容量，C4-高压绕组与外壳之间的电容量，C5-中压绕组与外壳之间的电容量，C6-高压绕组与低压绕组之间的电容量。

1.2 短路阻抗理论分析

变压器各绕组短路阻抗百分数的大小主要取决于短路电抗。根据文献[8]，短路电抗百分数的计算公式如式(5)，可以看出，变压器的短路电抗百分比Uk与∑D成正比。

式中：f—频率；I—额定电流；W—主分接时总匝数（I与W为同一侧绕组数据）；et—每匝电动势，Hk—两个绕组的平均电抗高度；k—附加电抗系数；ρ—洛氏系数；∑D—绕组空间尺寸。

对三绕组变压器开展短路阻抗试验可以获得UkH-M、UkH-L、UkM-L短路阻抗百分数，其中H、M、L分别代表变压器的高、中、低压绕组；UkH-M为高压对中压绕组的短路阻抗百分数，UkH-L为高压对低压绕组的短路阻抗百分数，UkM-L为中压对低压绕组的短路阻抗百分数。由式(5)知短路电抗百分数与绕组空间尺寸∑D成正比。根据文献[9]，等效距离∑DM-L(见图2)由中压绕组外侧到铁芯的距离W1、中压绕组内侧到铁芯的距离W2、低压绕组外侧到铁芯的距离W3和低压绕组内侧到铁芯的距离W4共同决定，∑DM-L计算公式如式（6）。

图2 ∑DM-L等效距离示意图

式(6)中∑DM-L的大小取决于中、低压绕组之间主绝缘通道的宽度，而非中、低压绕组自身的厚度，即式中∑DM-L与W22-W32成正比关系。由式(5)和式(6)可知，主绝缘通道加宽，∑DM-L，UkM-L也增大；反之，则UkM-L减小[11]。UkH-M、UkH-L的分析思路与UkM-L相同[12]。

1.3 变压器绕组综合判据

基于绕组电容量和短路阻抗理论分析，总结变压器短路阻抗和绕组电容量试验值变化时，高压、中压、低压绕组的变形规律，如表1。若试验结果与绕组变化规律匹配，则可确定该变压器绕组已变形。

表1 变压器绕组变形综合判据

2 变压器试验

2.1 变压器概况

某220 kV变电站#1主变于2011年4月投运，型号为SFPSZ-H-150000 / 220GY，连接组别为YNyn0d11，额定电压为220±8×1.25%/115/38.5 kV。其运行中负荷较重，遭受多次短路电流冲击，电网公司定级为中度危险型变压器，2021年7月，预防性试验过程中开展短路阻抗试验，短路阻抗试验数据如表2。中对低横向偏差为2.81%，大于标准2.0%，纵向偏差为8.71%，大于标准1.6%；高对低纵向偏差为2.40%，大于标准1.6%，短路阻抗试验数据不合格。初步判定变压器内部绕组已变形。

表2 某220 kV变电站 #1主变路短路阻抗试验结果

因变压器短路阻抗试验不合格，为进一步验证变压器绕组是否变形，于是开展变压器的绕组对地电容量测试，变压器绕组电容量试验数据如表3，低压-中压、高压及地的纵比偏差为22.89%，中压-高压、低压及地的纵比偏差为-5.6%，超过了规程3%的要求。

表3 某220 kV变电站 #1主变绕组电容量试验结果

基于该变压器绕组短路阻抗试验数据和绕组对地电容量测试数据不合格，应用表1判据规律进行综合判断，该变压器可能存在低压三相绕组整体向内变形。

3 解体检查

为进一步核实上述分析过程及变压器低压绕组变形程度，将该变压器返厂进行解体检查分析。解体检查结果如下：

1）检查变压器A、B、C相高中低压绕组引出线接头、外侧的围屏、上部的绝缘压板、铁芯及夹件绝缘，正常。

2）拆除变压器A、B、C相绕组上部的绝缘压板，发现低压绕组上部局部向中压绕组位移，高压、中压及调压绕组上部无明显位移，如图3所示。

图3 低压绕组上部局部向中压绕组位移

3）拔出变压器A、B、C相的高压、中压、调压绕组，未发现异常；A、B、C相低压绕组支撑条因整体向内挤压而向外凸起，如图4所示。说明表1变压器绕组变形综合判据与现场实际吻合。

图4 变压器A、B、C相低压绕组支撑条凸起

4 结束语

结合上述试验数据和解体分析，提出以下结论。

1）短路阻抗试验结果存在疑问时，可通过绕组电容量测试验证变压器内部健康状态，可避免常规试验数据的误判，过滤不准确的试验数据，提高变压器绕组变形综合分析能力。

2）通过对220 kV变电站#1主变开展试验和解体分析，同预期结论一致，说明表1所提出的变压器绕组变形综合判据在绕组变形实际应用中可行。

3）35 kV及以上变压器遭受近区短路电流冲击后，除常规试验外，应开展绕组电容量和短路阻抗测试，进行综合分析，试验偏差在合格范围内才允许投运。