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用漏电感法诊断变压器线圈变形的研究

曾红        凌愍

1　前言

随着电力系统的不断发展，变压器作为电力系统中的关键设备起着日益重要的作用，它的安全运行直接关系到整个电力系统运行的可靠性。

变压器线圈变形是指线圈在受力后，发生的轴向、幅向尺寸变化、器身位移、线圈扭曲等情况。造成变压器线圈变形的主要原因有二个：一是变压器运行中难以避免地要受到外部短路故障冲击：二是变压器在运输吊装过程中发生意外碰撞。对于线圈来说，前者的冲击力往往要比后者大得多，应作为制造及运行维护的主要关注问题。尽管要求变压器具有承受短路的能力，但目前大多数变压器不进行突发短路试验，尤其是大型变压器还没有条件进行试验，其动稳定强度只能靠设计和计算来保证，由于目前的制造水平所限，短路引起的事故是变压器损坏的一个重要原因。

变压器线圈变形后，有的立即发生损坏事故：有的还可暂时运行，但绝缘有可能已有损伤，当再次遇到雷电过电压或短路事故时，则会发生损坏事故。这无疑是影响整个电力系统正常运行的不安定因素。

变压器线圈变形诊断技术的目的在于寻找一种迅速、方便、准确检测变压器线圈变形的方法，研制出一套操作方便、性能稳定的测试系统并制定出行之有效的判断标准。这对防止变压器发生突发性损坏事故，确保电力系统的安全运行有十分重要的意义。

2　漏电感测量原理

国内诊断变压器经短路或冲撞后，是否有线圈变形，仍主要采用常规的试验方法进行，并配合吊罩检查，要花费大量人力、物力和财力，还不一定能做出准确判断。近年来采用先进的频响法进行变形诊断取得了明显的效果。事实上，测量漏电感也是判断变压器线圈变形的简便有效的方法。

变压器漏电感是和短路阻抗的电抗分量相对应的，其值是由变压器线圈的几何尺寸所决定的。根据变压器理论分析，漏电感

Lx=W²Λ             (1)

式中W是一次线圈匝数，Λ是漏磁路的磁导。如图1所示，漏磁通经过的磁路，在空间形成一个圆筒形。圆筒的平均直径等于一次及二次线圈的平均直径D，厚度等于两个线圈的厚度（d₁+d₂）再加上线圈间隙d，圆筒的高度等于线圈的轴向高度h。这个漏磁路的磁导Λ，与圆筒的园周长和等效厚度的乘积成正比，与它的等效高度成反比。考虑到通过线圈截面的那部分磁通没有链着全部线圈匝数的影响，漏磁路的总磁导为：

Λ=μ₀πD[d+1/3(d₁+d₂)]/h'           (2)

式中　　μ₀是空气的导磁率：

　　　　h'是线圈的等效高度。

则式（1）有:

L_X=W²μ₀πD[d+1/3(d₁+d₂)]/h'         (3)

由此可见,当变压器一次及二次线圈发生变形或匝间有短路时,会影响漏磁通的磁路尺寸d₁、d₂、d及h'、D或改变线圈匝数W，从而引起漏电感值L_X的改变。

3  漏电感的测量方法

前述分析可知，变压器漏电感是与一次及二次线圈的几何位置密切相关的电气参数，通过漏电感的变化就可估算出变压器线圈的平均位移。

变压器线圈变形的准确诊断要求漏电感的测量方法有较强的抗现场电磁干扰的能力，并且测量重复性好，工作稳定，具有较高灵敏度。为此，我们采用MAXWELL电桥来测量变压器漏电感，并且变压器结构不同，测量接线方式也有差异。其基本原理是将变压器的短路阻抗（即短路电阻和漏电抗）作为如图2所示的MAXWEL电桥的R_X、L_X桥臂。通过调节电阻R4和电容C使桥体平衡。此时，有：

R_X·R₄=R₂·R₃              (4)

 L_X =C·R₂·R₃             (5)

由此测量出变压器漏电感L_X，并通过比较漏电感的变化来反映变压器线圈有无变形。至于线圈变形状况与漏感变化量间的关系，尚需通过理论推算和大量试验研究，积累经验数据后，才能定论。

采用MAXWELL电桥测量变压器漏电感时，无须对变压器励磁，克服了短路阻抗法所需大容量设备之缺点。此外，其抗干扰能力也优于低压脉冲法（LVI）。由于测量系统的关键设备是较简单的电桥，降低了测量系统的造价。此外，根据实际变压器漏电感情况，对电桥的测量范围、测量精度及抗干扰性能有特殊要求。MAXWELL电桥原理简单，操作方便，且造价低廉，完善后的该诊断方法应在电力部门推广使用，并建议列入变压器预防性试验规程，这对指导制造厂提高变压器抗短路强度，确保变压器安全运行是有现实意义的。

国外采用漏电感法作为判断变压器线圈变形的重要手段积累了一定的经验，并已纳入相应标准。在1993年柏林召开的国际大电网会议上，意大利同行介绍了他们十几年来采用测量变压器的漏电感变化来判断变压器线圈有否变形的成功经验。据介绍，采用便携式的MAXWELL电桥可以方便地用于现场，在4小时之内（2小时布线，2小时测量）完成对变压器漏电感的测量。因MAXWELL电桥具有较高的可靠性、稳定性以及较好的抗干扰能力，能保证变压器在正常运行了10～20年后的漏感测量值与投运时的漏感值之差小于0.2%。意大利电力部门对100MVA以上的变压器每三年进行一次漏感测量，已进行了十几年，他们的应用经验表明，当漏感变化值超过额定值的2.5%时需引起重视，并经常进行漏感测试和绝缘检查；变化值超过去5%时，应立即将变压器退出运行，进行检查。该方法须运行中变压器退出运行后才可进行。这时不能停电以及可靠性要求较高的变压器的线圈变形诊断有困难。为此，他们又引入在线监测技术，研制出实时诊断变压器线圈变形的智能化系统，经检测和试运行，结果令人满意，并准备进入实用阶段。

研究漏电感法诊断变压器线圈变形，首先应对变压器的漏感进行实测，掌握其分布特点，以确定MAXWELL专用电桥的技术指标，然后进行试验研究工作，包括不同模型试验、不同变形部位的对比试验、测试结果的对照等，最终完善该诊断技术（装置和方法）。并选择数台变压器作出厂前→运输后→安装中→运行短路后情况的跟踪。在此基础上，确定用于测试结果分析的判断，并试点推广应用。

4  变压器漏感的实测及结果分析

基于上述分析，我们对保定变压器厂、北京变压器厂、沈阳变压器厂生产的7种共8台成品和半成品变压器的漏电感进行了测试，取得了初步的实测结果。各变压器的型号参数及测试结果如附录A表A1～A7。

根据表A1、A2…A7中测试数据，得到以下结果：

a  理论上，漏感应等于短路阻抗的电感分量，但因表中所列阻抗电压U_K（%）是设计值，再加上常忽略直流电阻不计，所以由此阻抗电压计算得的漏感值与实测值有一定偏差。尽管如此，表A5.2、表A6、表A7中的实测结果表明，L_AO'≈L_AO，L_BO'≈L_BO，L_CO'≈L_CO，L_AMO'≈L_AMO，即漏感实测值基本等于由阻抗电压计算得到的理论值，这已证实，采用该电桥方法在上述表中所示的测试条件下测到的电感确是变压器的漏感。

  b  从表A1中可看到，前后两次对同一台变压器的漏感进行测试结果表明，漏感测量值具有较好的重复性。最大偏差为0.33%。

  c  从表A2及表A3可知，对双线圈变压器，高压侧测到的漏感与从低压侧测到的漏感之比近似等于变压器变比的平方。并且型号相同的变压器具有大致相同的漏感值。

  d  对有调压装置（分接开关）的变压器，在不同分接位置测到的漏感有明显的差别。表5.1变压器的高压线圈每两相邻分接的匝数相差18匝，从表中的实测结果看，其漏感平均相差8mH左右。由此说明，当变压器线圈匝数改变或是发生匝间短路时，其漏感值定有相应的变化。

结论

  a  变压器漏电感测量原理简单，操作方法简便，作为变压器线圈变形的诊断技术具有非常乐观的应用前景。

b  在变压器一侧短路时从另一侧测量得的电感即为漏电感，且漏电感测量值具有较好的重复性。

c  理论及试验都证实，漏电感是与变压器一次二次线圈几何位置密切相关的参数。具体体现为，当线圈有变形（几何尺寸变化或匝数变化）都会引起漏电感值的改变。

d  采用电桥法对变压器漏电感进行测试的规范接线方式为：

双线圈变压器：

① 低压侧短路时，从高压侧测量，即高—低漏电感；

或者② 高压侧短路时，从低压侧测量，即低—高漏电感。

三线圈变压器：

① 高—中漏电感：低压侧开路，中压侧短路，从高压侧测量；

② 高—低漏电感：低压侧短路，中压侧开路，从高压侧测量；

③ 中—低漏电感：低压侧短路，从中压侧测量，高压侧开路。

在现场测量时，应根据实际接线情况，可拆开连接较方便的一端接头进行测量，也可从刀闸一端测。并需与原始数据进行比较。

  e  漏电感L_X≈U²_N·U_K(%)/2πf·S_N。其中U_N是变压器的额定电压，U_K是阻抗电压，S_N是表观容量。根据理论计算和实测，3kV～500kV变压器的漏电感值大致在0.01～900mH范围内。

附录A  变压器漏感测量结果

表A1. 同一台变压器两次漏感测量值对比

注：型    号：SJ1—180/6

额定电压：3150（3000，3300）/400V

联结组别：Y/Y₀—12

冷却方式：ONAN

表A2.两台1600kVA/6kV变压器漏感测量值比较

注：型号：BS9—1600/6

额定电压：6±5%/0.4kV 

接线方式：D，yn11

冷却方式：ONAN

出厂序号：670—1，670—2

制造厂：北京变压器厂

表A3.6300kVA/35kV变压器的漏感测量值

注：型    号：SZ7—6300/35

额定电压：35/10.5kV

接线方式：Y，d11

冷却方式：ONAN

制 造 厂：北京变压器厂

表A4.变压器真空干燥前后的漏感测量值

※  △表示干燥后与干燥前漏感值之差

注：工作号：947S15—1

型  号：SFSZ7—31500/110

额定电压：110kV±8×1.25%/38500V±2×2.5%/10500V

联结组别：YN  yno,d11

冷却方式：OFAF

制 造 厂：保定变压器厂

表A5.1  变压器真空干燥前后的漏感测量值

表A5.2  根据变压器真空干燥前测量的直流电阻及阻抗电压设计值计算的漏感值

注：工  作 号：947S05—1

型    号：SFPSZ8—63000/220

额定电压：220±8×1.25%/121/38.5kV

冷却方式：OFAF

制造厂：保定变压器厂

表A6.  漏感测量值及计算值

※ 该值是忽略直流电阻不计，从短路计算得的。

注：型    号：SFP10—370000/220

额定电压：242 kV±2×2.5%

联结组别：YN，d11

冷却方式：ODAF

制 造 厂：保定变压器厂

表A7. 漏感测量值及近似计算值

注：工 作 号：938S02

型    号：ODFPS—250000/500

额定电压：525/   /242/  /36kV

容    量：250000/250000/60000 kVA

额定电流：824.8/1789.3/1666.7A

联结组别：I，a0，I0

制 造 厂：保定变压器厂

作者单位

曾红　凌愍   国家电力公司电力科学研究院高压所  北京100085