一起220 kV变压器短路故障跳闸后试验分析

宁小飞，李晔

（云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

0 前言

变压器短路故障是比较常见的，变压器短路故障主要包括：内部原件相间短路、接地短路、出口短路和近区短路等，无论发生什么类型的短路故障，在短路瞬间绕组中都将流过巨大的短路电流，该短路电流将产生和自身平方成正比的电动力作用在绕组上，使绕组发生移位或变形，绕组发生局部变形后，即使没有立即损坏，也有可能留下严重的故障隐患，如因绕组发生变形后，绕组间及绕组对外壳等部件的空间距离将发生改变，固体绝缘介质也将受到一定程度破坏，当遇到大气过电压或内部过电压侵入时，有可能使绕组匝间、层间绝缘击穿，导致突发性绝缘事故的发生，甚至在长期的工作电压下发生局部放电，局部放电虽然放电量小，但由于其长时间存在，对绝缘材料也会产生破坏作用，最终导致绝缘击穿；另一方面，当绕组发生变形后，机械性能将下降，当再次发生短路故障时，将因承受不住巨大的电动力而发生损坏。综上所述，虽然绕组变形不可避免，但通过试验检查及时发现绕组变形情况以便及时处理尤为重要，检测绕组变形的方法较多，如直流电阻和变比测试等，但这种传统方法检测灵敏度较低，通常不能直接作为变压器绕组变形的判别依据，目前绕组连同套管电容量、短路阻抗、频率响应法等是判断绕组变形与否的主要依据，同时应结合变压器实际运行情况进行综合分析，最终得出可靠的、准确的试验结论。

1 设备基本情况

某变电站一台220 kV三绕组变压器，SFPSZ10-H-180000/220GY，由于低压侧近区短路故障跳闸，短路电流达到12000 A,超过该变压器允许短路电流6000 A，现场对该变压器进行外观检查，未发现明显异常，最终通过试验数据分析及吊罩检查确认该变压器发生绕组变形。

2 试验情况

2.1 变压器油色谱分析

变压器油属于碳氢化合物，其在高温和电弧作用下会分解产尘低烃类气体（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）、还会产生H2、CO、CO2等故障特征气体，这些气体大部分溶解在油中，油中各种气体的含量与变压器的故障类型相关，因此通过分析油中气体的成分及含量能初步推断变压器的内部状态。

故障前后油色谱分析结果如表1所示，对比跳闸前后两次分析数据可见，跳闸后油中各种气体含量均增加，其中总烃含量超过150 µL/L，提示变压器内部存在低温过热问题。

表1 变压器油色谱分析 µL/L

2.2 电气试验分析

变压器发生短路故障跳闸后，应重点开展绝缘电阻、绕组直流电阻、绕组连同套管介损及电容量、短路阻抗、频率响应法绕组变形等试验，重点检查分析变压器短路故障后绕组是否发生变形、主绝缘是否良好、绕组与引线接头、调压分接口接触是否良好等问题。

2.2.1 绝缘电阻试验

当变压器发生短路故障时，绕组将受到较大电磁力的作用，当变压器抗短路能力不足时，绕组将发生变形甚至主绝缘击穿，造成主绝缘损坏，通过测量变压器主绝缘电阻，可以初步判断各绕组间及绕组对地间绝缘状态是否良好。

绝缘电阻测试情况如表2所示，试验数据表明：变压器主绝缘电阻大于10000 MΩ，且吸收比大于1.1，试验结果满足《电力设备检修试验规程》Q/CSG1206007-2017相关要求，说明变压器主绝缘没有因短路电流冲击而发生损坏。

表2 绝缘电阻测试

2.2.2 直流电阻测试

当短路电流流过变压器时，绕组可能因承受较大的电磁力而发生变形，绕组严重变形导致绕组被拉升，绕组在拉升力的作用下可能发生局部匝间、层间断线，使得绕组整体直流电阻增大，同时由于绕组变形使绕组被拉伸，导致局部绕组横截面变小，长度增加，使被拉伸部分绕组直流电阻增加，最终导致绕组整体直流电阻增大；另一方面，大量短路电流流经变压器，其薄弱环节容易造成损伤，如套管引线接头、调压分接头、将军帽（顶套）与线圈引出线之间因流过较大短路电流而发热烧损导致接触不良；通过测量变压器直流电阻不仅可以判断绕组是否存在断线、短路等问题，还可以判断绕组各接头部分连接是否良好。

变压器直流电阻测试试验数据表明：变压器三侧绕组直流电阻值三相不平衡率及与历史值对比偏差均满足《电力设备检修试验规程》Q/CSG1206007-2017相关要求，说明变压器各绕组接头及引线焊接质量良好、分接开关接触良好、绕组不否存在匝间、层间短路及断线问题。

2.2.3 变比测试

通过变压器变比测试可以检测变压器绕组匝数是否正确、绕组是否存在匝间短路断线、绕组接头的连接及分接开关位置是否正确等问题。

变压器变比测试相关数据如表3所示，试验数据表明：高-中、高-低、中-低变比偏差均满足《电力设备检修试验规程》Q/CSG1206007-2017相关要求；该项试验同直流电阻测试项目共同说明变压器绕组无匝间短路及断线问题。

表3 变比测试

2.2.4 短路阻抗测试

当变压器负荷阻抗为零时输入端的等效阻抗即为变压器短路阻抗，短路阻抗包含电阻、电抗分量；对于大型电力变压器，感抗分量远大于电阻分量，因此短路阻抗值主要由电抗分量决定，当频率一定时，短路电抗值主要由绕组的尺寸形状所决定，因此当变压器绕组发生变形时，势必引起变压器短路阻抗值的变化，因此通过测量变压器短路阻抗可以作为绕组是否发生变形的依据，现场开展变压器短路阻抗测试时，一侧加压一侧短接，短接用的短接线应与出线端充分接触并有足够的截面，将流过加压端的电压电流数值进行计算从而得出被试品的短路阻抗值，将测试值同铭参或历史值进行对比，从而分析变压器绕组的状态。

变压器短路阻抗测试值如表4所示，试验数据表明：绕组高-中、高-低短路阻抗值纵向对比偏差均小于1.6%，横向对比偏差均小于2%，满足DL/T1093-2008导则规定的要求，但其中A相绕组高-低短路阻抗值达到24.09%，较BC两相轻微偏大；A相绕组中-低短路阻抗值达到8.157%，较BC两相绕组明显偏大，中-低短路阻抗横向对比偏差高达3.88%，超过规程要求值2%，纵向对比偏差高达2.04%，超过规程要求值1.6%，综合以上数据初步判断变压器低压绕组可能存在变形现象。

表4 短路阻抗测试

2.2.5 绕组连同套管电容量及介质损耗试验

变压器绕组连同套管的介损试验不仅能检查变压器整体是否存在受潮、绝缘油劣化等问题，还能通过对比电容量的变化情况作为绕组变形的判别依据，主要通过比较绕组-绕组及地电容量变化量来分析绕组变形情况的，不论绕组发生整体变形、局部变形、轴向扭曲、辐向变形，此时绕组间及绕组对铁芯及地的相对位置必将发生改变，相应带来电容量的变化，因此通过测量绕组连同套管电容量可作为变压器绕组变形的重要判据。

绕组连同套管介质损耗试验数据如表5所示，试验数据表明：高-中低及地、中-高低及地、低-高中及地介损值和历史值相比，变化量不大，表明该变压器无绝缘整体受潮、绝缘油劣化等问题；高-中低及地和中-高低及地电容量测试值与历史值对比满足相关规程要求，但低-高中及地所测得电容量较历史值偏差达到3.9%，超过《电力设备交接验收规程》规定值±3%，说明低压绕组空间位置可能已发生变化，存在绕组变形可能。

表5 绕组连同套管介损及电容量测试

2.2.6 频响法绕组变形试验

变压器的每个绕组均可等效为一个线性无源二端网络，该网络由电阻、电感、电容等分布参数组成，该二端网络可通过传递函数描述，传递函数与分布参数有关，当变压器发生绕组变形时，电感、电容等分布参数将发生变化，导致传递函数的参数发生改变，从而使绕组的频率响应特性发生变化，从而达到检测绕组变形与否的目的，用频率响应分析法判断变压器绕组变形，主要是对绕组的幅频响应特性进行纵向和横向对比，纵向对比通常指将同一绕组的本次测量数据同历史试验数据进行对比，通过对比前后两条频率响应特性曲线的一致性来判断变压器的绕组变形，纵向对比的可靠性较高，但应预先获得变压器原始的频率响应特性数据，并应排除外界干扰对试验结果的影响，横向对比通常指将同一变压器同一电压等级的不同相之间进行对比，通过比较三相绕组频率响应特性曲线之间的差异来判断绕组变形。

1）高压侧ABC三相绕组频率响应特征曲线如图1所示，相关系数情况如表6所示，低频段三条曲线基本相似，谐振点也基本一致，中高频段3条曲线一致性较差，多个谐振点错位，220 kHz附近B相少一个波谷，620 kHz附近B相又多出一个波谷，250~300 kHz附近BC相波谷明显较A相右移，700 kHz附近B相与AC相谐振点相反，中低频段相关系数偏低，从横向对比的结果来看，高压侧绕组可能存在变形现象，由于没有频率响应特性历史数据，固无法进行纵向对比分析。

图1 高压绕组频率响应特性曲线

表6 高压绕组频响曲线相关系数分析

2）中压侧ABC三相绕组频率响应特征曲线及相关系数分析结果如图2所示，相关系数情况如表7所示，3条曲线中高频段一致性较差，中高频段3条曲线波峰、波谷的频率分布位置及分布数量均存在差异，低频段相关系数偏低，从横向对比结果来看，中压绕组可能存在轻度变形现象，由于没有频率响应特性历史数据，固无法进行纵向对比分析。

图2 中压绕组频率响应特性曲线

表7 中压绕组频响曲线相关系数分析

3）低压侧ABC三相绕组频率响应特征曲线及相关系数分析结果如图3所示，相关系数情况如表8所示，0~250 kHz区间三条曲线一致性较好，谐振点基本一致，300 kHz以后多个谐振点错位，三相曲线多个波峰、波谷依次轻微右移，从相关系数角度来看，中低频段相关系数均偏低，从横向对比结果来看，低压绕组可能存在轻微变形现象，由于没有频率响应特性历史数据，固无法进行纵向对比分析。

图3 低压绕组频率响应特性曲线

表8 低压绕组频响曲线相关系数分析

频率响应分析法在现场应用中容易受外界干扰，如杂散电容、附加电感以及绕组残余电荷均会对测量结果产生不同程度的影响，使测量得到的频率响应特性曲线失真，甚至导致工作人员对试验结果的误判断，通常将变压器故障前后的频率响应特性曲线进行纵向对比，是作为频率响应分析法得出试验结论的重要判据，当缺乏历史数据进行对比时，只能将各相频率响应特性曲线进行横向对比，但对比结果只能对试验结论起到参考作用，如果三相曲线较为一致，则可初步判断变压器绕组无变形现象，当3条曲线一致性较差时，则不能证明变压器存在绕组变形问题，实践经验表明，很多绕组完好无变形的变压器，在进行频率响应特性测试横向对比时，三相曲线一致性仍然较差，甚至部分变压器在出厂试验时，三相曲线横向对比结果就不理想，因此在进行绕组变形分析判断时应结合多项试验数据进行综合分析，本台变压器无历史频率响应特性试验数据，固实际绕组变形情况应结合其他试验项目及变压器实际运行情况进行综合分析判断。

3 试验数据综合分析

综合以上多项试验项目可知：

1）变压器油色谱分析结果显示故障前后油中总烃含量明显增多而且超过规程注意值，提示变压器内部存在低温过热现象，考虑到变压器短路瞬间流过较大短路电流产生热量使变压器油分解生成多种故障气体导致；

2）绕组直流电阻测试、变比测试数据正常，说明绕组未发生匝间断线、短路等问题且绕组各接头部位接触均良好；

3）绕组高、中、低三相绕组及铁芯绝缘电阻合格，说明变压器各电压等级绕组间、绕组对地、贴芯对地绝缘状况良好，没有因短路电流冲击而发生损坏；

4）A相高压绕组-低压绕组短路阻抗值 较BC两 相 轻 微 偏 高（A相24.09%，B相23.85%，C相23.88%），但横向、纵向偏差均满足相关导则要求；中压绕组-低压绕组短路阻抗值横向、纵向偏差较大，均超过相关导则要求值，其中A相中压绕组-低压绕组短路阻抗值较BC两相明显偏大（A相8.157%，B相7.849%，C相7.869%，三相对比偏差达3.88%）；低-高中及地电容量较历史值增加较大，增量达到3.9%；通过频率响应分析法可以看出，高压绕组三相横向对比3条曲线多个波峰波谷分布位置存在差异，曲线一致性较差；中压绕组三相横向对比3条曲线波峰、波谷的频率分布位置及分布数量均存在差异；低压绕组三相横向对比3条曲线多个谐振点错位，3条曲线多个波峰、波谷依次轻微右移；从横向对比来看，高中低三侧绕组均存在变形现象，由于没有频率响应特性历史试验数据，固无法将故障前后的频率响应曲线进行向对比，本次横向对比结果仅供参考；综合以上变压器油色谱分析、短路阻抗、绕组连同套管电容量、频率相应法的试验结果，最终判断该变压器低压绕组存在变形故障。

4 吊罩检查情况

该故障变压器返厂吊罩检查后发现：低压绕组A相发生明显辐向变形，上、中、下部均存在不同程度的鼓包和坍塌现象，线圈局部绝缘破损，垫块未见脱落；低压绕组C相发生轻微辐向变形，部分换位处有导线坍塌现象，其他绕组及部件未见异常；变形原因：该变压器为2005年产品，低压线圈采用纸包导线，导线强度偏低，抗短路能力不足导致该主变遭受近区短路故障后低压绕组发生变形。

5 结束语

本文通过对一起220 kV变压器故障跳闸后试验分析，确定了变压器低压绕组发生变形，最后通过返厂吊罩检查验证了试验结论的真实性；绕组变形是变压器短路跳闸后常出现的故障，绕组变形会导致匝间绝缘裂开引起匝间短路、主绝缘强度下降、绕组辐向、轴向失稳等问题，因此通过试验手段判断变压器绕组是否发生变形尤为重要，尤其是发生短路故障后的变压器；在现场试验中，不仅应开展油试验、常规电气试验，还应开展短路阻抗测试、频率响应法、绕组电容量测试等，将多个试验项目进行综合分析，再结合变压器实际情况，最终得出更准确、更可靠的结论。