低电压电抗法诊断

电力变压器动稳定状态的实测分析

邬伟民¹      孙强²     李建强³  

（1、天水供电局 2、西北电力试研院3、新疆电力试研院 4、广州电力试验院）

摘要：本报告通过对大量实测事例的对比分析，阐明了在变压器出厂前，运输后和短路电流冲击后，用低电压电抗法检测电力变压器绕组和铁芯的动稳定状态参数的作用和意义。

关键词：阻抗电压、短路阻抗、短路电抗、漏电感、空载电流、空载损耗。

1 前言

采用低电压电抗法检测变压器绕组的动稳定状态有无异常（主要针对变形、位移）已经业绩累累。为降低电力变压器短路事故率发挥了越来越大的作用。其主要原因有三：

第一、低电压电抗法置根于经典的理论原理。^（1）

由戴维南定理可知：变压器的短路阻抗Z_K就是变压器的等效内阻抗。

短路阻抗的无功分量即是通常所称的漏电抗或短路电抗，该电抗X_K的值是变压器输入绕组与输出绕组之间相对几何位置的函数，因此变压器绕组只要发生变形、位移，其电抗值必定有响应。

由于电抗就是交流频率ω和电感L的乘积，因此，漏电感能更“纯”地反映绕组位移、变形等等。

短路阻抗的有功分量可以由绕组的电阻值和实测的总损耗值经温度换算后确定，这样Z_K也就仅仅成了绕组间相对几何位置的函数。

变压器铭牌上的阻抗电压U_K值是制造厂在负载试验后换算得到的。U_K就是试验时通入加压绕组的额定电流I_H和短路阻抗Z_K的乘积。U_K通常是用相对于额定电压的百分数来表示的。

可见，U_K、Z_K、X_K、L_K一脉相承。四参数的变化或差异都显示出变压器绕组有位移、变形或差异等。本文以下提到四参数中的任一个，无特别说明时，即包涵泛指四参数。

更重要的是：负载试验与电抗测试的接线在原理上可以是同一回事。只是所加的激励不同，常规的负载试验要求通入额定电流I_H（许多制造厂只通入了50%I_H，甚至20%I_H），而低压电抗法加上的是市电（380V左右），不必调电压、调电流。可以证明^（1）：X_K和L_K在测试精度0.2%的范围内完全可以认为是线性的，与施加的电压、电流值无关。这就奠定了低压法的有效性。

第二、低电压电抗法诊断变压器动稳定状态是有顶级权威的法规可遵循和所支持的。

（1）   国际电工委员会标准IEC60076—5：2000《电力变压器  第5部分  承受短路的能力》中有要求、有判据。

（2）   中华人民共和国国家标准GB1094.5—××××《电力变压器  第5部分  承受短路的能力》中的“4.2.2和4.2.7故障检测和（短路）试验结果的判断”都明确了电抗法的主裁地位和相应的判据。

（3）   国家电力公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中的“15.2.5认真……对110kV及以上电压等级变压器在出厂和投产前应做低电压短路阻抗测试……”和“15.6…变压器在遭受近区突发短路后，应做低电压短路阻抗测试…，判断变压器无故障后，方可投运”。

第三、测试仪器和测试经验已趋成熟。

中国最权威的国家变压器质量监督检验中心的虎石台强电流高电压试验站，在对受试变压器实施短路电流冲击前后，使用YY2816精密电感分析仪，用低压法实测变压器的电抗X_K。

我国首台^（2）送往国外作变压器承受短路能力试验时，世界电工行业四大试验中心之一的意大利CESI的专家们也认定：IEC推荐的低压电抗法是判断变压器是否经受住了短路电流冲击的主要方法。

本文所举现场测试的实例（除例5之外）均为用《CD9882型变压器动稳定状态参数测试仪》^（3）所测、判。该仪器是便携式，测试电压就直接用380/220V的市电，测试精度完全满足并优于IEC60076和GB1094.5的基本要求（复验性小于0.2%）。测试后可出示U_K、Z_K、X_K、L_K等参数，且均已换算到50HZ（精度不低于0.1%）频率，以增强可比性。仪器配有专家系统，可指导专业人员检测、查询、诊断。确保现场检测简捷、诊断结论准确。

2 短路电流冲击后的检测

2.1 短路承受能力试验前后的电抗测试

2.2.1 文献（4）提供了上世纪末在国家变压器质检中心的一批配电变压器的测试情况，参试变压器66台。55台的短路电抗值在短路试验前后的变化不到2%；有2台在试验过程中内部严重放电；9台的电抗变化超过2%，其中三台是三相超限，六台是单相超限；吊芯检查发现，超限变压器内部均有不同程度的明显位移、变形，详情见表1，由表1可以看出：电抗值的变化与位移、变形的情况有极为良好的可对照性。

表1：    1994-1996年配电变压器短路试验后电抗变化和绕组变形对照表

2.1.2 为了应对上世纪九十年代中期后，大型变压器动稳定破坏事故的不断攀升，1996年开始，先后有三十余家变压器制造厂将40余台110kV变压器进行了短路承受能力试验。试验前后都逐台进行了低电压电抗测试和吊罩检查。文献（5）报道了最早在国家变压器质检中心通过短路试验的四台110kV变压器，短路前后所测得电抗最大偏差为0.06%—0.33%，均远小于国标GB1094.5中要求的不大于2%。吊芯检查亦证实：绕组、引线和支撑件结构均无明显位移、变形。内部无放电痕迹，复试例行试验，完全合格。这些经电抗测试，确认通过短路试验的110kV变压器在运行中尚未发生过任何动稳定故障。

2.1.3 国家变压器质检中心已对二台220kV变压器进行了短路承受能力试验。

2.1.3.1  1997年12月至1998年9月进行试验的是一台专门用于试验的研究性样机（1：1，实体）。用接近最大短路电流的电流（75.3—127.9%）冲击变压器。其中B相冲击了8次，C、A两相各自只冲击了一次。吊检前，B、C、A三相各自的电抗值的相对变化率（与短路冲击前的原始值比）依次为1.49%、1.71%、4%。吊芯检查的结果是B、C两相均未发现线卷、引线和支撑件结构等有明显位移、变形，器身表面也未发现放电痕迹，例行试验复试也完全合格，而A相绕组已失稳损坏。更有意思的是B相在8次短路冲击的前，中、后共进行了6次电抗测试，电抗变化率随冲击次数和短路电流的大小呈攀升趋势，明显可看出积累效应。见表2所附。

2.1.3.2  2002年2月，国家变压器质检中心对12台同一设计的同一批SF₉-120000/220变压器抽取一台进行了短路承受能力试验。

每相冲击3次，每次0.25秒（国标新要求），冲击电流为最大允许短路电流的96.7-104.3%。短路冲击后，A相电抗相对变化0.251%，B相为0.0195%，C相为0.204%，均远远小于2%。吊芯检查和例行试验复试均一切正常。这12台变压器已陆续加入了电网运行。

表2：               220kV样机变压器短路电抗统计表

2.2 运行中，外部短路后的测试

例1      GZ局SYG变电站#2主变，型号为SFZ₇ -40000/110。1994年投运。2002年6月中旬，10kV侧电容补偿装置的真空开关A相爆炸， 2秒后开关柜内三相短路，又经2秒，主变110kV侧过流保护动作，跳高压侧开关，主变停运。用频率响应法进行了绕组变形测试，认为无异常。主变重新加入运行。

一个月后，在作该主变的油中含气色谱分析时发现C₂H₂超过注意值，达13.5PPm，且CO₂高达12116PPm，但总烃仅68.7PPm。4天后再次将主变停电。试用低电压电抗法诊断变压器绕组有无位移、变形。测试结果是：高压绕组在第一档（最高电压档）时，三相电抗的最大偏差为1.999%，三相漏电感的最大偏差为2.004%；高压绕组在第九档（额定电压档）时，三相电抗的最大偏差为1.794%，三相漏电感的最大偏差为1.793%。阻抗电压实测值与铭牌值相差7.263%。诊断意见是：请给予再次复试，若数据仍如上述，制造厂铭牌值错误的几率不大，该主变绕组发生变形位移的可能性很大。

三天后，再次用频响法和低压电抗法复测，结论依旧。且电抗法复测数据均在国标GB1094.5要求的复验性不大于0.2%的范围内，因此判断前述结论可确定无疑，变压器应进行吊罩检查。

八月该变压器返厂、吊罩、解体检查。发现：三相绕组严重变形。

例2      GZ局SH变电站#1主变，型号为SFZ₈-40000/110。1994年投运。96年11月中旬10kV母线短路，主变过流保护动作，跳#1主变两侧开关。之后，曾于2000年、2001年两次用频率响应法诊断绕组有无位移、变形。结论相似：高压侧绕组三相图谱重合较好，低压侧b、c两相的相关参数0.86，略小于1。2002年8月例行预防性试验时，再次进行频响法测试，结果同前二次基本吻合。由于该局上一个月刚有了SYG站（见例1）的经验，因此同时进行了低电压阻抗法测试。测试在额定档加电压，同时测出三相各自的U_K、Z_K、X_K、L_K，三相彼此间的偏差分别为2.39%，2.38%。阻抗电压实测值与铭牌值相关4.58%。对此，结论与例1也是相似的：变压器绕组发生位移和变形的可能性很大，应予吊罩解体检查。

    9月上旬返厂吊罩、解体检查。发现：三相绕组均有严重变形，A相明显倾斜，引线位移。

例3      WLMQ局BHL变电站#1主变，型号为SFZ₈-40000/110，96年投运。运行中曾多次因发生外部短路而遭受短路电流的冲击。为此，曾先后4次用频响法进行绕组有无位移和变形的测试。测试结果是二次测、算后的相关系数全大于1，而另两次有小于1的，，为审慎起见，2001年9月31日用低压电抗法测试，经二次重复试测，证实仪器测试数据的复验性完全满足要求，三相阻抗和电抗彼此的最大偏差均为4.19%。结论为：绕组有明显的变形或位移。建议、尽早安排芯体检查。

    一月后该变压器在某制造厂吊芯解体检查，三相低压绕组均已变形，A相最甚，局部呈现坍塌状。

例4      WLMQ局LYS变电站#1主变，型号SFZ₁₀-31500/110。96年投运，运行中曾多次承受短路电流的冲击，2001年9月对该主变用频响法和低电压电抗法进行了绕组有无变形和位移的对照检测，频响法测试的结果是ab两相低压绕组的相关系数仅为0.275，bc两相低压绕组的相关系数也仅为0.295；电抗法测试的结果是高压对低压的三相阻抗和电抗的最大偏差都是4.48%。高对低阻抗电压与铭牌值（额定档）相差30.52%。两种检测方法的结论一致：绕组有严重的变形或位移。

    该变压器运到某制造厂吊芯解体检查，完全证实了诊断结论。

例5      WHHF厂#1主变^（6），型号为SFZ₇-20000/110；额定电压为115/6.3kV；94年初投运，99年底曾发生因低压侧接地引发a、b相间短路。2001年3月，同时采用了频率响应分析法和漏电抗法（用MAXWELL电桥）检测变压器绕组有无变形位移。频响法的测试结果是高压线卷BC相间和AC相间的相关系数分别为0.8和0.7，其它各相关系数均大于或等于1。电抗法的测试结果是：A、C两相的偏差最大，为3.18%；B、C两相的偏差1.9%；AB两相的偏差最小，为1.25%。两种方法的结论是相似的，只是电抗法的显示的三相差异更明显一点罢了。

    解体检查发现A、B两相有局部变形，线卷上压板断裂，压钉弯曲变形。是一例极明显的绕组变形。

2.3 事故后的诊断测试

变压器事故跳闸后，按惯例进行相关测试，以达到确认故障、判定故障性质、部位、严重程度，进而指导抢修等目的。此时实施低电压电抗测试常常收到良好的预期效果。仅举一例示之。

例6      GSDS厂#1主变，型号为SFSZ-40000/110，曾经多次短路电流冲击，98年3月在正常运行中差动，瓦斯保护一齐动作，跳三侧开关。

进行低电压电抗测试的结果是：高对地的阻抗电压较铭牌值下降了5.73%；A相电抗较B相小15.3%，较C相小15.7%；同时用低电压法测得A相的空载电流较B、C两相增加了百倍左右，A相的高压绕组的直流电阻亦下降4.73%。判断为A相绕组匝间短路，并严重坍塌。根据这一判断，制定了更换A相绕组的修理方案。推断事故的原因是多次短路引起的动、热效应在绝缘弱处造成隐患，量变积累到一定程度，发生质变，突发了事故。

3 验收时的电抗检测

由于低电压电抗测试的有效且简便，在各阶段的验收工作中已经崭露了不可忽视的作用。

3.1 出厂试验时的电抗测试

出厂试验时进行电抗测试至少有二大功能：

（1）考核产品的主要技术参数是否达到了订货合同或技术协议书中规定的标准。

（2）检验变压器制造厂工艺质量的控制水平。

3.1.1 众所周知，阻抗电压U_K是电力变压器的极为重要的技术参数。它不仅是变压器绕组动稳定状态的特征参数；而且影响到供电电压的质量（电压波动率）；运行时负荷的分配，进而影响到经济效益；还是继电保护整定计算的基础数据，其真实性影响到系统运行安全。下面例8是一个很有代表性的实例。

例7      TS局TS变电站的1#和2#主变，型号为：SFPSZ8—150000/330GY。电压组合为：345±8×1.25%/121/35kV。

1999年6月供需双方签订了这二台变压器的购销合同，其中规定：“变压器在最大分接和最小分接时的阻抗电压U_K相对于额定分接时的U_K的相对差不得大于13.9%”。出厂时，制造厂提供的两台变压器的出厂试验报告上的这个值分别是16.2%和16.6%。而需方用《CD9882型变器动稳定状态参数测试仪》，用低电压电抗法测出的这个值分别是19.6%和19.7%。自然是轩然大波，甚至涉及低压电抗法的有效性。最后，经双方共同复测，确认上述最后一组数据是可信的、准确的。剩下的问题就是需方被迫对保护定值和灵敏度作调整。庆幸的是真实的技术参数由于开展了这简便有效的检测而得以显现。

在我们的检测实践中，类似现象已经不是极其个别的特例了。因此，加强出厂验收时对主要技术参数的检测是必要的。

3.1.2 通过测试变压器的电抗X_K，，检验（或叫考核）变压器制造工艺质量的控制水平的基本原理当然就是本文前言中所述的：这四参数都是线卷之间相对位置的函数，与线卷的各种尺寸直接相关。因此，同一套图纸生产的二台或多台变压器的上述四参数在理论上应当是完全一样的，同一台变压器的三相的上述四参数一般应当极为相近的。这在很大成份上反映了工艺控制的水平。

回顾携带CD9882仪器进厂参与出厂验收试验了数十台变压器的经历，工厂的工艺装备、质量管理、工艺控制与上述两个“应当”有明显的相关性。有一个特例可以说明一点问题：

例8 某变压器制造厂已生产了数百台110kV变压器，颇得市场好评。试制的一台220kV变压器，其三个单相的电抗之偏差在3.89%-4.14%（在不同的档位偏差不同），整个试制过程，设计是认真的，有关的技术问题是在享有盛誉，确有业绩的专家指导下逐个完成的，质量把关是严格的。问题在于工艺的成熟有一个人与机、人与人逐渐磨合的过程。

假若工艺装备落后或质量控制松懈，电抗偏差更难以小下来。

归纳起来，就变压器用户而言，关注三个偏差，想要越小越好。

第一，    产品的实测阻抗与合同值的偏差越小越好，强调这一点至少有助于产品设计水平的提升。最低的要求是它的真实性，如例7所述。所以要把这一关。

第二，    两台或多台并列运行的变压器，它们彼此的阻抗电压的偏差是越小越好的。差多大一个百分比，变压器实际上可输出的最大容量就少多大一个百分比。

第三，    每台三相变压器的各单相的电抗，彼此的差越小越好。三相变压器各单相电抗都完全相同是不可能的。引线的布置，与箱壳和夹件的相对位置会有些影响的，但也不能相差太大。据我们实测上千台次的不完整统计：98%以上变压器的三个单相电抗彼此的最大偏差在1%以内。其中80%又在0.15%-0.6%之间。

这个偏差大了，也有碍于现场诊断。从例1到例5可以看到：运行中短路后的动稳定状况诊断用的都是三单相彼此互比（即通常说的横比），因为几乎都没有发生短路电流冲击前的原始数据。唯一一个可以用作历史性纵比的阻抗电压有时还不准。

因此，提出这三个越小越好的要求对供需双方都是有益的。

3.2 交接验收时的电抗测试

电力变压器的交接验收主要有三个环节：

3.2.1 变压器由工厂运输到现场后，运输单位向安装单位的交接运输不都是平平稳稳的.一次一台110kV变压器由我国东部沿海某厂运到西北近边疆的一个变电站，该变压器的三相电抗之差达2.76%左右（又没有原始的分相电抗实测值）。窘于当时的进退都已不容易，变压器投运了，运行方只能采取力所能及的措施以争取安全运行。因此运输前后的电抗检测是非常必要的。至少可以让用户作到心中有数，采取相应的对策。

3.2.2 安装后、投运前施工单位向运行单位的交接

在安装过程中若发生器身倾斜，跌落（如所垫的枕木被压碎、压断、基础塌陷、起吊滑脱等等）等重大意外情况，或对芯体内部组件进行了位置调整、压紧等工序。就必须进行电抗等动稳定状态参数的检测。不过出现这种情况的几率较低，一般都可以用运到现场就位后测试的数据作为运行维护的原始资料。

3.2.3 芯体检修后，施工单位向运行单位的交接

情况同“3.2.2”是很相似的。特别是进行了调整，较大幅度的压紧（无论是对器身、绕组、铁芯、支撑件，屏蔽）之后，都必须重新进行对动稳定状态参数（U_K、Z_K、X_K、L_K等）的测试，作为下一次纵比的对照数据，并且与检修前的数据作对比分析检修效果。

4 分析和比较

4.1 低电压电抗法和频率响应分析法

两种方法同样的特点是接线简单，仪器轻便，测试快捷。更细的比较，由于频响法不需要作良好的短接（电抗法需良好地短接被试绕组对的不加压绕组）而接线会更简单些，仪器也稍稍轻便些。两种方法的理论依据都无庸置疑。两种方法的实际业绩也各有千秋。

电抗法有IEC标准、国家标准、国电公司的规定为依据，在经典性、权威性，使用的广泛性等方面都占有明显的优势。而且判据稳定，历经验证。纵向可比性强。

频响法灵敏度高，信息蕴藏量大，潜在功能有待发掘，判据的量化有待成熟和规范，现场测试的抗干扰性有待很好地提高。仪器的价格也相对昂贵。

现场经常发生用两种方法会同进行，然后对照分析。过半数的情况是两者结论相近，如例2、例5；也有电抗法单独判定变压器动稳定失稳的，如例1。多数是一致确认变压器动稳定状态正常而加入运行，至今无恙的。如：

例9 JY电厂#4主变，SFP₂-240000/330。90年投入运行，后数次用频响法进行测试均无异常，2001年8月的一次频响法测试中有二个相关系数小于1，认为可能有异常。及时延请电抗法会同测试，结果是三相电抗之间的最大偏差才0.867%，阻抗电压与铭牌值相差仅0.338%。而频响法测试出的最小相关系数也变成了1.27。双方一致确认：绕组动稳定状态无异常。

4.2 纵比和横比

无论电抗法还是频响法，最基本的分析方法都是纵比和横比。

纵比就是与上一次测试的结果比，与最原始的资料（最好是出厂交接验收数据）比，与事件（如短路、运输、内部紧固等）发生前的测试结果比。

横比，就是同一台（或同一组）变压器三个单相的测试结果之间互相比。

显然，纵比要直观些，影响其可比性的因素比横比少。因此，建立测试结果档案库是非常必要的，且越早越好。

4.3 电抗四参数和其它辅助性检测方法

很明显GB1094.5规定的判断变压器是否经受住了短路承受能力试验的检查测量方法和补充测量方法原则上是适用于现场变压器经受短路电流冲击之后的动稳定状态诊断的。

从前面所举实例可以看出：电抗四参数（U_K、Z_K、X_K、L_K）是判断变压器绕组动稳定的当之无愧的主裁判，在现场可以充当辅助判断的可以有：绕组的直流电阻测量、油中含气的色谱分析、频谱响应分析、空载电流测量。

4.4 绕组和铁芯动稳定状态检测

国标1094.5把空载电流测量列为判断变压器承受短路电流能力的补充方法之一是非常有道理、有根据的。空载电流的增大，至少可以极为灵敏地反映铁芯有无松动和绕组有无匝层间短路。

变压器在经受短路电流冲击时，产生的电动力必定要传递到作为器身骨架的铁芯上去，短路电流产生的过励磁也使铁芯本身产生磁致伸缩的力，迭铁芯变压器铁芯受力的第一效应便是接缝增大，更严重的是绕组匝层间的绝缘因此损坏，二者的后果都是空载电流大增，空载损耗也会明显增大。例6就是这样的一个例子。为此《CD9882变压器动稳定状态参数测试仪》就设置了检测约定的低电压下的空载电流和空载损耗的功能以满足国标和实际的要求，加深诊断的深度。助电抗法判断变压器动稳定状态以一臂之力。

4.5 超高压大型变压器

国内最大的强电流试验站，至今试验过的变压器最高电压为220kV，最大容量为120MVA。而众所周知的是：电压等级升高，变压器内部不同电位之间的绝缘距离会随之加大。容量增大，导线需加粗。总之器身、绝缘、铁芯的动稳定问题必定更突显。从国家电力公司中国电力科学研究院每年发布的《全国110kV及以上变压器类设备运行情况及事故统计分析》可以明显看出，随电压的等级增高，事故率是随着升高的趋势。

因此，加强对超高压变压器的动稳定状态的有效监测尤为必要。更不要说：超高压、大容量变压器在电网中的重要性，发生事故的危害性本身就大。

5 结论性意见

（1）      低电压电抗法是国内外公认的诊断变压器稳定状态的权威手段，在变压器短路电流承受能力试验中居于主裁判地位。

（2）      现场用低电压电抗法于变压器经受外部短路电流冲击之后的动稳定状态诊断已经取得了一定的成效和经验，应予积极推广。

（3）      交接验收时用低电压电抗法检验变压器的制作工艺质量和监测运输有无不良影响也开始发挥作用。这二个环节的检测对变压器终生的安全运行意义很大。

（4）      规范低电压电抗法检测的程序和具体要求已经是当务之急。

（5）      检测后，纵比、横比是最主要的分析方法。尤其是纵比。因此建立并健全准确的变压器稳定状态参数的档案资料是非常必要的。

文献资料

（1）检测变压器动稳定状态参数的物理基础和实际意义

                        　　　　　　　　邬伟民、梁恒基《电力设备》  2002、4

（2）SFZ-26MVA/132kV电力变压器的短路试验

                              　　　　贺以燕《变压器》  1999、12

（3）检测绕组及铁芯变形、位移的低电压短路电抗法及所用仪器

王登第、任天保《变压器》  2001、10

（4）测量短路电抗是判断变压器绕组变形的有效方法

                                                曾刚远《变压器》   1998、8

（5）大型变压器短路试验方法及四台变压器短路试验情况

                                                   陈奎《变压器》   1998、1

（6）频响法结合漏电感法测量变压器线圈变形

孙强、刘孝为、黄国强、谢立强《高电压技术》　2002、7

作者简介

邬伟民（1946－），男，教授级高级工程师，国电西北公司高电压技术专家，国务院政府特殊津贴享受者。

孙　强（1971－），男，硕士、高级工程师，西北电力试验研究院高压室主任，主要从事变压器试验和研究工作。

李建强（1967－），男，工程师，广电集团广州分公司试验公司高压室副主任，主要从事高电压试验工作。