变压器绕组变形的电气试验技术分析

◎顾天逸

引言：作为电力系统中主设备的变压器，是电网稳定的重要保证。变压器出口短路时会受到很大的电动力，进而容易导致绕组变形。本文介绍了三绕组电力变压器的绕组变形，对发生变形和原因和短路时受力情况进行了分析，以一个实例，介绍了如何利用介质损耗与电容量、低电压短路阻抗和频率响应检测结果，来分析绕组变形。

一、绕组变形的原理及受力分析

目前，在电网中运行的变压器有的运行时间已经超过20年，在多年运行中承受一般承受多次短路冲击，对于每次极小的变形，如果不及时发现问题，在遭受到多次短路后，积累效应可能在某次大的短路电流下爆发，使得绕组无法承受电动力而变形。有的变压器为节省原材料，其低压绕组未采取足够的抗短路措施，在短路电流不大时绕组就会变形。变压器损坏对电网运行有着极大的隐患，所以分析诊断变压器绕组的变形有重大意义。

发生出口短路时，漏磁场中绕组流过短路电流，各导线上将产生幅向和轴向应力F=BIL，其中漏磁感应强度B 正比于I，所以短路时的应力F 正比于I2。双绕组变压器低压侧出口短路时，辐向上内侧的低压线圈受向内的压力，外侧的高压线圈受向外的拉力，轴向上高低压线圈均受向中心的压力，两端最大而中部几乎为零。三绕组变压器短路受力情况比较复杂，中压侧短路和低压侧短路工况不同，分别如下图1 和图2。中压侧短路时，中压绕组中的电流方向与高、低压绕组相反，根据右手和左手定则分别判定漏磁场方向和电磁力方向，忽略高低压绕组之间的影响，内侧的低压线圈在辐向上受向内的压力，外侧的高压线圈受向外的拉力，中间的中压线圈同时受压力和拉力。低压侧短路时，低压绕组中的电流方向与高、中压绕组相反，内侧的低压线圈在辐向上受向内的压力，中间的中压线圈受向外的拉力，外侧的高压线圈同时受压力和拉力。

图1 中压绕组短路受力

图2 低压绕组短路受力

二、绕组变形的电气试验技术

例行试验中，检测主变绝缘电阻合格后，再进行介质损耗和电容量试验，发现数据不符合规程。紧接着进行诊断性试验低电压短路阻抗和频率响应试验，同样数据不符合规程，进而分析绕组变形。该主变型号：SSZ11-63000/110，为三绕组变压器，接线组别：YN，yn0，d11，于 2008 年 11 月投入运行。额定电压 ：110+10（-6）×1.25%/21/10.5kV，额 定 电 流 ：330.7/1732.1/3464.1A。

1.电容量测试技术。

在交流电压的作用下，变压器可以看做是电容和电阻构成的等值电路，因为变压器中的绝缘电阻非常大，可以忽略，因此变压器绕组间可以视作纯电容构成的等值电路。变压器绕组与绕组之间、绕组对地之间都有电容，绕组和外壳或地都可以视作电容器的两面，中间的变压器油视作其中的介质，就可以得到三绕组变压器的等值电路图如图3。

图3 三绕组变压器等值电容电路图

图3 中 C1、C2、C3 分别为高、中、低绕组的对地（外壳）电容，忽略高压和低压绕组之间的电容和套管电容，C12 为高压与中压绕组之间的电容，C23 为中压与低压绕组之间的电容。

反接线适用于被试品接地的情况，对于直接接地的变压器，测量绕组连同套管的介质损耗和电容量可以采用。对三绕组变压器的高压绕组加压时，中压和低压绕组均短路接地，即C2、C3 和C23 均无法测出，因此测得的电容为C1+C12。中压绕组加压时，高压和低压绕组均短路接地，即C1 和C3 均无法测出，测得的电容为C2+C12+C23。低压绕组加压时，高压和中压绕组均短路接地，即C1、C2 和C12 均无法测出，测得的电容为C3+C23。

变压器绕组电容量决定于绕组之间、绕组与铁心和箱体的几何尺寸和位置。变压器安装完成后，其特征参数电容、电感基本保持不变。如果电容量明显改变，预示着变压器可能存在绝缘、机械位移、绕组变形等方面的缺陷。

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依据《国家电网公司变电检测管理规定（试行）》中规定：电力变压器绕组电容量应与上次试验结果相比无明显变化，参考《QGDW/10 江苏省电力公司输变电设备交接试验规程》中规定：绕组电容量与出厂试验值相比变化不大于±5%。由表中数据判断，中压和低压绕组电容量数据超标。

2.短路阻抗测试技术。

变压器绕组发生变形，则两个绕组的相对距离会发生变化，绕组中的漏电感会随两个绕组之间相对距离的增大而增大。所以，绕组变形必然导致漏电感的变化。同时，漏电感还与绕组的高度有关，近似与高度的算数平均值成反比。两个绕组的短路阻抗与漏电感有关，所以检测短路阻抗可以发现绕组的变形。

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依据《国家电网公司变电检测管理规定（试行）》中规定：容量100MVA 及以下且电压等级220kV 以下的变压器，初值差不超过±2%，三相之间的最大相对互差不应大于2.5%。由表中数据判断，A 相的高—中和中—低初值差超标，B 相中—低初值差超标，高—中和中—低的三相互差值超标。

3.频率响应测试技术。

进行频率响应测试时，绕组可以视作由分布电容和电感等参数构成的无源线性二端口网络，等效电路图简化后如图4所示。当变压器线圈匝数和直径或者电感系数发生变化时，绕组的电感量Ls 会发生变化。当线饼的半径、宽度、距离发生变化时，绕组的饼间电容量Cs 会发生变化。当绕组的内外径和高度发生变化时，绕组的对地电容量Cg 会发生变化。

图4 绕组频谱测试等值电路

图4 中G 为扫频信号源，Ri 为激励匹配电阻，Ro 为响应匹配电阻，C1 为激励端套管对地电容，C2 为响应端套管对地电容，Cs 为饼间电容，Cg 为线饼对地电容，Ls 为绕组电感。从变压器的等效电路图可以看出，绕组电感Ls、饼间电容Cs、线饼对地电容Cg 在不同的频率下会发生多次谐振，不同的谐振点在频谱图上表现为一系列的峰谷点，当绕组发生变形或者移位后，峰谷点将随着Ls、Cs 及Cg 的变化而改变位置。一般来说，一台变压器制造完成后，其绕组的频响曲线就确定了，一旦绕组发生变形，其内电感电容变化，频率响应曲线和一开始就会有差别，判断绕组变形情况可以利用这差别。

在曲线的低频段（1~100kHz），波峰、波谷位置反应绕组电感的改变，谐振点减少或向高频方向、信号幅度增大等变化预示着可能存在绕组匝间或者饼间短路的情况，因为在低频的情况下，绕组的分布电容阻抗很大，而感抗很小，从而引起感抗变化的因素起主导作用。在曲线的中频段（100~600kHz）的波峰、波谷位置预示着绕组可能发生了扭曲和鼓包等局部变形的现象，绕组的电感和饼间电容比较敏感，若变化改变部分谐振条件，曲线产生峰谷现象。在曲线的高频段（>600kHz）的频谱曲线的变化取决于绕组对地电容的变化，此时的感抗较大，容抗小，对地电容对高频段较敏感，变化时预示绕组可能出现整体位移等情况，波峰和波谷的位置主要以对地电容影响为主，但受人体、油枕等杂散电容影响和干扰较大。高中低压绕组的频率响应曲线如图5。

图5 高中低压绕组频响曲线

通过相关系数可以定量描述出两条波形曲线之间的相似程度，根据曲线的相似程度可以用来分析被试变压器的绕组变形情况，相似程度可以用相关系数来说明。但是由于频响测试本身受干扰较大，所以一般只作为辅助的判断手段，具体结果还应根据被试变压器的运行情况及其它信息综合判断。绕组变形程度根据相关系数，可以判断绕组频响曲线在低频段存在轻度不一致，在中频段存在轻度和明显不一致。

三、结束语

综合绕路连同套管的电容量测试、低电压短路阻抗试验和频率响应测试，初步判断主变绕组发生局部变形，大概率在A 相和B 相的中、低压绕组。经返厂解体，实际绕组变形情况与理论分析一致。

对于变压器绕组发生变形，试验人员可以通过绕组连同套管介质损耗及电容量试验、低电压短路阻抗试验和频率响应试验来进行综合分析判断，最终与解体检查情况对比，积累相关经验。主变运维需要加强主变出口短路技术监督，对于主变发生多次出口短路的，必要时考虑缩短停电检修试验周期。