变压器绕组试验与性能分析

丁 恒

0 前言

变压器是一种可转换电压的设备，能把电能从一个电路传递到其他电路，是输配电的基础设备，保障电力稳定运行的重要装置。绕组是变压器的电路部分，通过各侧绕组匝数比的不同，可改变输出电压值，实现电压大小的变换。因为绕组性能的好坏对变压器能否正常运行有着重要的影响，所以为确保变压器稳定运行，需要对变压器绕组进行试验，根据试验结果分析绕组性能的好坏，尽量减小因绕组缺陷，防止变压器稳定性的降低。

1 变压器绕组构造与作用

变压器按照冷却方式不同可分为干式变压器与油浸式变压器，目前大部分变压器都是油浸式变压器，此种变压器的铁心、绕组都被变压器油所覆盖，通过变压器油进行冷却散温。

变压器绕组是变压器输入与输出电能的电气回路，是变压器的基本部件，变压器按照绕组数目不同可区分为：带一个绕组的自耦变压器和双绕组、三绕组以及多绕组变压器等。变压器的绕组一般分为层式与饼式两种：层式绕组结构紧凑，耐受冲击电压的性能好，但其机械强度差；饼式绕组散热性能好，机械强度高，适用范围大，但其耐受冲击电压的性能差。绕组一般由电导率较高的铜导线或铝导线绕制，再配置各种绝缘件组成，通过电磁感应原理来改变交流电压，110kV及以上等级变压器多为三绕组变压器，分为高压侧、中压测和低压侧。

变压器绕组一般在变压器内部，无法通过外观判断其是否完好，但可通过测量绕组连同套管的介损值与电容值来间接判断，若其发生劣化变质或击穿等情况，介损与电容值将会发生明显变化。

2 电容量与介损的影响因素

2.1 绕组电容量

变压器绕组出厂后，其、S、d 值就已确定，根据电容量计算的公式可知，出厂后其电容值就基本稳定。在测量过程中，外界的电磁场、环境温度、湿度等因素不会对测量造成明显影响和干扰。

2.2 绕组介损值

当电压作用于绝缘介质材料上时，绝缘介质中会有电流经过，此时会有能量的损耗发生，一般将此状态中的能量损耗称之为介质损耗（即介损）。当绝缘介质中有较大的电流流过时，此时的介损也会较大，导致介质的温度上升，继而使介质材料发生不可逆的破坏，严重时可能使其变焦、变形、老化，随着此状况的不断累积，可能会使得绝缘介质被击穿、融化、烧焦，从而不再具有绝缘性质。一般用tan 来表示介质损耗的大小，通过测量tan 能够找出设备存在的缺陷，如绝缘整体受潮、老化，绝缘气隙放电等。tan 只表示绝缘介质损耗大小的指标，与绝缘的体积等其他性质无关。

在实际进行测量设备的tan 时，若附近存在其他正在运行的电力设备，比如大容量变压器或高压母线，此时的测量仪器可能被附近运行的电力设备产生的电磁场所干扰，使得测量出的结果误差较大，无法真实反映设备的内部情况，严重时可能导致测量仪器无法正常工作。实际进行介损试验时可能会存在以下干扰：

2.2.1 磁场干扰

当测量仪器附近存在带电的电抗器、阻波器之类的漏磁通较大的电力设备时，会被这类设备产生的磁场所干扰，此种情况一般是由设备产生的磁场对测量仪器内部的电流线圈产生作用引起的。为减小磁场干扰，一是采用屏蔽接地，将设备屏蔽层（体）进行良好接地，可有效抗干扰。二是采用高磁导率的材料屏蔽磁场，避免干扰与被保护的电路相连，可减小干扰磁通的影响。

2.2.2 电场干扰

附近带电设备及导线可能会和被试品之间产生电容耦合，从而使被试品内部出现干扰电流，使得 角产生变化，继而导致测量结果存在误差，甚至使得原本应测出的“正值”变为“负值”。为尽量减小此情况对测量产生的干扰，在实际测量时，一是尽量加大测试时的试验电压，当干扰电流较弱时，可加大测试试验电压，流过被试品的电容电流将会变大，角将更不容易被干扰电流所影响。二是尽量采用正接线，正接线具有更好的抗干扰性能，受到外界的影响更小。三是采用屏蔽法，若被试品的体积较小，如小型变压器，试验前可在被试品上合适位置加上屏蔽罩，干扰电流将会通过屏蔽罩流向别处，较少影响试验数据，但此方法在实际工作中会增加额外的工作量，且自身也会造成些许误差，故在实际情况中采用频率不高。

除了磁场干扰与电场干扰外，测量的tan 值还与被试品本身有关，被试品的材料、外观构造、内部缺陷都会造成测量结果的不同。此外，对tan 值影响较大的一些外部因素还有以下4 种：

1）温度

温度对tan 测量影响较大。绝大多数情况下，对同一试品而言，tan 随温度的升高而增高。因此在测量同一设备的tan 值时，要同步测量此时的温度值，将tan 值换算到同一温度下进行对比，消除温度不同对测量结果的影响。

2）电压

绝缘性能良好的设备，在一定试验电压范围内，tan 一般不会有明显的变化，但是被试品存在绝缘缺陷时，tan 随电压的变化会较明显。因此在测量过程中，若发现随着试验电压的升高，tan 发生较大变化时，要分析发生此情况的原因，判断设备是否出现缺陷或损坏。

3）局部缺陷

局部缺陷对整体tan 测量结果有影响，这种影响既与局部缺陷占整体的体积大小有关，又与局部缺陷本身的绝缘状况有关。若局部缺陷的涉及的范围很小或在非重点部位，而被试设备体积又比较大，试验时其对tan 值的影响可能不会太明显。因此试验过程中，若能将大体积设备进行分段测试，最好采用分段测试的方法，可尽量精确地查找出设备存在的缺陷，提升试验准确性。

4）表面

当空气相对湿度较大或表面脏污时，瓷表面泄漏电流的影响使测试结果可信度低，易发生误判断。测量设备介损时一般选择天气晴朗时进行，若被试品外部存在脏污，应提前将脏污擦拭干净，并保持被试品的干燥。介损试验不允许在雨天进行的原因，一是介损测试仪需要接电源使用，下雨可能会造成设备漏电，使操作人员面临触电危险；二是介损测试仪属于较精密仪器，雨水可能会渗透进仪器内部，造成仪器的损坏；三是下雨会使得被试品外部潮湿，更多的电流从设备表面流过，将会使值产生很大的误差。

3 变压器绕组介损与电容量试验方式与判断标准

介损值与电容量值是判断设备性能好坏的两项重要指标，当变压器A 修后或必要时，需要测量介损与电容量值来判断其性能好坏，目前的测试仪器一次试验可同时测量出介损值与电容量值大小，测量变压器介损及电容量时一般是绕组连同套管一起测量。进行变压器绕组连同套管的介损及电容量试验时，被测量绕组应分别进行短路，非被测量绕组也应短路接地或屏蔽，避免因绕组本身的电感使得其他绕组首尾两端存在较大的电位差，从而使试验结果出现较大误差。因为被测绕组可以看成是由绕组的电感和对地分布电容组成的链形回路，所以无论是测量大容量还是小容量的设备，为减小误差，都应进行短路。

同一变压器各绕组介损值的理论要求值相同，测量温度以顶层油温为准，各次测量时的温度应尽量相近。且要尽量在油温低于50℃时测量，不同温度下介损值换算方式采用其中tan2、tan1分别为温度在t2、t1时的介损值。若绕组电压为10kV 及以上时，试验电压选择10kV；若绕组电压小于10kV，则试验电压选择绕组额定电压，从而避免因试验电压过高造成设备的损坏。本次试验选择110kV 变压器，故试验电压均选择10kV。

规程要求：当变压器电压等级为35kV 及以上且容量在10000kVA 及以上时，应测量tan 值与电容量，20℃时的tan（%）值不应大于表1中的数值，且测得tan 值与出厂试验值或历年的数值比较不应有显著变化（增量一般不大于30%）。测出电容量值与历史值相比应没有较大变化，偏差一般应不大于±3%，且换算出的电容量要大于0。

表1 不同电压等级下的介损值

4 变压器绕组试验数据

本次试验选择额定电压110kV、容量25000kVA 的油浸式变压器，试验时的温度为8℃。为方便试验人员接线，避免进行拆除更多接线，试验接线选择反接法，加压电压均选择10kV，测量次数为7次，分别为高压侧对中、低压侧及地，中压侧对高、低压侧及地，低压侧对高、中压侧及地，高、中压侧对低压侧及地，高、低压侧对中压侧及地，中、低压侧对高压侧及地，高、中、低压侧对地。

本次变压器绕组介损及电容量测试数据如表2 所示。

5 数据分析

5.1 介损值数据分析

根据试验数据，将试验温度8℃测得的介损值换算到20℃时：

根据规程要求，110kV 变压器20℃时的绕组tan（%）值不应大于0.8，本次试验7 次测得的介损值换算到20℃的值最大为0.422，均小于0.8，故测得介损值合格。

5.2 电容值数据分析

除了分析介损值，还需要分析电容值大小，测得电容值与历史值相比误差分别为-0.37%、-0.88%、-0.29%、-0.48%、-0.36%、-0.23%、-0.38%，偏差都小于±3%，符合要求。

再计算每两相间的电容值，设高压侧对中压侧的电容为C1，高压侧对低压侧的电容为C2，高压侧对地的电容为C3，中压侧对低压侧的电容为C4，中压侧对地的电容为C5，低压侧对地的电容为C6。则：

通过解7 个等式，可得出：C1≈11950，C2≈125，C3≈3465，C4≈11420，C5≈1630，C6≈12285。数据在误差允许范围内，且数值均大于0，满足要求。

6 测试结果分析

因换算到20℃时的介损值均小于0.8，满足规程要求，而测得的电容量也满足要求，故可根据此次试验数据判断此变压器绕组的介损与电容量合格。若试验数据不合格，则需要分析不合格的原因，查找是否是因测试仪器存在问题或试验人员在试验过程中操作失误而引起，亦或是被试品内部确实存在缺陷导致。可通过更换介损测试仪重新进行测试，若测得数据合格，则原因可能是介损测试仪被损坏。若更换介损测试仪后，试验人员接线以及操作都没有问题，则可考虑是被试品自身存在缺陷，这时需要再进行更深层次原因的查找，可将被试品进行分解，针对每个部分的分解品单独进行试验，查找出具体存在缺陷部分，将存在缺陷的部分进行更换，避免了将整体直接替换，节省费用。

若仍然无法查找出原因，需要进一步采用其他方式进行检查，如绝缘电阻试验、油中溶解气体色谱分析、绕组变形试验与耐压试验等等。若要准确了解设备性能的好坏，需采用多种不同的试验方式多维度综合分析研判。