电力变压器动稳定状态的现场检测与诊断
邬伟民 王登第 颉晓周
摘 要：本文介绍了甘肃省电力系统开展现场检测并诊断变压器动稳定状态工作的具体作法和相关的技术要求。
关键词：动稳定状态、阻抗电压、短路阻抗、短路电抗、漏电感、空载电流、
空载损耗、低定电压。
1 引言
国标GB1094.5《电力变压器.承受短路电流能力》明确规定，检测短路电抗是诊断变压器是否经受住了短路电流冲击（即有无变形和位移）的主要方法。国电公司颁发的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（俗称“二十五条反措”）中强制性地要求：“在变压器投运前和短路事故后进行短路阻抗测试以诊断变压器绕组有无变形和位移”。许多文献资料还推荐检测变压器的阻抗电压和漏电感用于诊断变压器绕组动稳定状态。还有文献介绍了检测绕组四参数（阻抗电压UK、短路阻抗ZK、短路电抗XK、漏电感LK）。还可以用于检验运输震动对变压器有无不良影响；甚至可以作为考核变压器制作工艺质量的一个技术手段等。国标GB1094.5中还要求把测试变压器的空载电流I0（故且称之为铁芯参数）作为诊断变压器动稳定状态的辅助手段之一。
面对因短路电流冲击导致变压器绕组失去稳定而损坏的事故频频发生，我省电力系统采取了多项措施(1)以降低变压器短路事故率，其中一项有力措施就是变压器动稳定状态的现场检测与诊断。三年来取得了一定的收益。今年又出台了《电力变压器动稳定状态现场检测诊断导则(试行)》。
这一项检测诊断在新疆、广东、辽宁、江苏也取得骄人的业绩，先后查出并验证了十余台大中型变压器绕组失稳的实例，避免了设备的重大损坏和大面积突发停电事故(5)。在此，将我省的具体作法介绍于大家，以求：指正、完善。也供感兴趣的同行参考。
本文涉及到理论问题时，主要借助于引用。
2 变压器绕组动稳定状态的检测与诊断
诊断变压器动稳状态的重点是绕组的动稳定，需测参数即上述绕组四参数中的某一个。
测试接线的基本原理上与负载试验是相同的。但由于测试目的不同，现场条件和制造厂、试验站的条件不同，测试方法略有所不同，诊断方法和标准更有不同。
可以在任意的电压和电流（当然不能大于额定电流）下测取绕组参数而不影响诊断是一个极为重要的结论，这是现场用低电压检测的理论基石(2)。
2.1 检测参数和低电压检测
国标GB1094.5要求电抗（四参数之一）测试的复验性应在±2‰以内。如果理解为：在不同的测试电流下，测得值彼此之差不得大于±2‰。那么这个要求对漏电感LK是完全可以满足的，电抗XK进行电源频率ω校正以排除电源频率波动的影响后也是完全满足的，阻抗电压UK和短路阻抗ZK在进行电源频率校正和对其中有功分量的温度换算后也是完全能满足的。因此，可以把UK、ZK、XK、LK“看成”是与所加测试电流无关的线性量(2)(5)。
这样，在现场可以把标称为400/230V的市电电源不用调压器直接加到被试绕组对的较高电压一侧的绕组上。在220kV及以上电压等级的变压器绕组上加400V电压时通入的电流IKS仅十几安培而已；因此，用低电压法检测变压器绕组动稳定状态参数在现场是简便的。
2.2 检测要点
2.2.1 检测时机
1）出厂试验时；
2）运输到现场后；
3）发生近区短路或多次短路后。
出厂试验时进行检测的目的有二：一是留下原始“指纹”，二是考核变压器厂控制制作工艺的水平。因为，三相变压器的三个单相线圈、或同一批同类型同规格的变压器线圈的结构和组装尺寸设计值是一样的，差异主要是工艺过程造成的。
运输时难免颠簸、震动、甚至冲击。绕组位移、松动并不鲜见。
变压器在运行中发生外部短路后，应根据变压器本身的状况，短路电流的大小及其持续时间和短路次数决定何时需进行检测。这需要事先作出定量的规定。母线发生短路一般每次都应检测。
2.2.2 检测对象
检测的对象是绕组对。有n个绕组就有 个绕组对。绕组四参数反映的是每对绕组之间相对位置的关系。任何一个绕组有变形或位移必定引起含该绕组的绕组对的绕组参数的变化。
绕组动稳定检测，可先检测高压绕组对其它各绕组的参数，即进行（ｎ－1）次，而不是负载试验的0.5n·(ｎ－1)次。通常在高压侧绕组加电压通入电流，短接被试绕组对的另一侧绕组。发现某绕组对的参数有异常时，须进行相关绕组对的检测以核实究竟是那一个绕组有变形或位移。
2.2.3 检测时的分接档位
绕组动稳定检测应在最高电压分接档位进行。不但加压侧绕组应在最高档位（有正负范围调的绕组也可在最低电压分接档加压），而且被短接绕组也应在最高档位。让被测试绕组对的所有线匝都在检测范围内。
2.2.4 测取的参数
诊断绕组动稳定状态，仅需测取上述的绕组四参数之一即可，多测无妨，四参数全测也行。反正检测的工作量是同样的。
重要的是应测取各个单相的参数值，尤其是首次检测。
诊断有无异常不可少三个单相参数互比；有异常时，为了确定异常相，更必须有每个单相的参数。
单相参数可以用单相法测取，有时也可以用三相法测取（大多数大中型三相式电力变压器的高压绕组都有中性点引出），这对于缩短现场的停电时间是有益的。
因此：在现场检测绕组动稳定状态参数，对有Y0接线的绕组对可以先用三相法同时测取每一绕组对的三相综合的UK和各单相参数的值。经初步诊断若无异常，绕组动稳定状态检测即可结束。若显现异常，应用同一套(相)测试系统对三相变压器依次进行分相测试。以排除不同测试系统的误差影响。
当然，还应用低电压三相法测取三相变压器的阻抗电压UK与铭牌上的阻抗电压UK比较，正常情况下两者应是一样的。
由三台单相变压器组成的单相变压器组就只有直接分相测试，即测取每台的参数值。
2.3 对测试仪器的要求
测取绕组参数，可用基于伏安法原理的已经商品化了的专用仪器，亦可用基于平衡电桥原理的仪器。但都必须进行电源频率校正。采用伏安法原理的仪器（4）可以比较容易地实现兼有三相法和单相法两种功能。同时采下十个量（三个电压量、三个电流量、三个有功功率量、一个频率量），经过仪器的自动校正和换算最终使同时实测到的参数的三相综合值和各单相值的离散性都不大于±0.2%。
用若干指示仪表的组合也可以实测后算出ZK，但即使用单相法也至少需要三块表：电压表、电流表、频率表。读表的同时性，表的准确性都难以保证不超出2‰要求。即使用0.2级的电压、电流表，这个0.2%（即2‰）也是相对于仪表满量程而言的。难以达到国标规定的复验性在0.2%以内的要求,增大漏判和误判的几率。
2.4 测试误差分析
由于电桥法测漏电感在现场尚难广泛开展，指示仪表组合法又不能达到国标上2‰的要求。此处的误差分析仅针对基于伏安法原理的专用仪器。
尽管该类仪器(如CD9882型变压器动稳定状态参数测试仪等)适用性较好，测试接线和参数设置与选择也无误，但以下因素仍可能使测试结果的可比性受到影响。
1）短接不良。从低压侧看大中型变压器、短路阻抗大多在欧姆级，因此，短接线必须粗而短，决不是仅满足测试电流的电流密度取用值即可的，是应使短接线及其连接处接触电阻的总阻抗相对于低压绕组的等值阻抗可以忽略不计，一般应小于1ｍΩ。
2）电网电源短时出现高含量高次谐波。
3）三相法测试时，电源三相电压相角和幅值严重不对称。
此外，测试仪器应定期校验。
在笔者经历的数千台次的测试实践中，出现异常数据的几率大概在2－3%，大多数属于上述原因。
2.5 诊断
测取绕组参数用以诊断绕组动稳定状态的理论基础就是：四参数都是绕组间相对位置的函数(2)。
2.5.1 诊断方法
诊断的主要方法就是：纵比和横比。
1）纵比 同一参数的实测数据与原始数据和上次实测数据相比。
仪表仪器的稳定性是这种判断分析有无意义的基础。
2）横比 同一台（组）变压器三相之间同一参数互相比较。
同批同型号同规格变压器的同一参数的互相比较也可归为横比。
3）原始资料和数据库 纵比和横比的数据应对照分析诊断，以纵比为基准，横比为辅助。
因此，建立包括含出厂试验值的原始资料数据库是至关重要的。
2.5.2 判据
对于变压器承受短路电流冲击试验之后电抗值允许变化的范围在国际电工委员会标准IEC60076-5:2000和我国国标GB1094.5（报批稿）中都有明确而一致的规定。现场实测绕组参数诊断变压器绕组动稳定状态国内外均已有相当的经验。在全国性的检测诊断指导性法规出台之前，笔者根据国标的相关规定和见诸于各种文献的有关介绍，结合实践收获提出如下参考性的判据。以下所提判据仅适用于容量2500ｋVA以上（即国标1094.5中所指Ⅱ、Ⅲ类）的电力变压器。2500ｋVA及以下的配电变压器可参照试行。其它的特种变压器，如：整流变压器、电炉变压器、阻抗电压小于3%的变压器……等应另行确定。
2.5.2.1 注意值
1）纵比： 40MVA及以下电力变压器绕组四参数的相对变化均不应大于±2% ；40MVA以上的电力变压器为±1.5%；
2）横比：三相互比，最大相对互差不应大于2%。
对超过注意值的变压器，应进行相关的辅助性检测以便决定能否继续运行。
辅助性检测包括：油中含气的色谱分析、绕组间电容测试、绕组直流电阻测试、绕组的频率响应分析，空载电流和空载损耗测试等。对90MVA以上或220kV以上的变压器还应考虑进行局部放电测试。
对超过注意值仍需加入运行的变压器应采取技术措施，降低发生外部短路冲击的几率和短路电流的幅值及其持续时间（1）。
2.5.2.2 允许值
纵比和横比均为：5%；240MVA或330kV及以上变压器定为：3%。
超过允许值的变压器不应继续运行。只要数据确实可信。
3 变压器铁芯动稳定状态的检测与诊断
检测变压器铁心参数（空载电流I0和空载损耗P0）不仅是绕组动稳定状态诊断的辅助性检测，也是铁心动稳定状态诊断的有效手段。
3.1 检测参数和低定电压
3.1.1 空载电流IO
IO实际上是励磁电流IOC和电容电流IOC的绝对值之差。
因为变压器铁芯的接缝缝隙的变大（即铁心松动）会极灵敏地“放大”励磁电流。因此，空载电流会更灵敏地被接缝缝隙同步放大（2）。
励磁电流是非线性，且含有谐波，有时竟超过50%。因此，应测取电流的真有效值：I0＝
因为非线性，空载电流不随试验电压成正比增减，因此为了便于比较和分析，应当确定一个相对固定的测试电压。
3.1.2 低定电压
在现场对额定电压高于400V的低压绕组施加额定电压是不容易的。而对铁芯动稳定状态测试的目的是诊断铁芯有无松动、位移。鉴于前述的理由，可以约定一个相对固定的，而且电压较低（低于额定电压），又能方便取得的低定电压，如400V或231V。
因此现场测试需使用调压器。手动调压时，与约定电压总归会有随机的偏差，但应尽力控制在±0.5%的精度以内。
3.1.3 空载损耗
当铁芯有松动时，必然引起接缝增大，加剧局部磁场畸变，空载损耗增加，由是可见空载损耗对于诊断变压器铁芯动稳定状态也是一个有用的参数。空载损耗可以与空载电流同时在低定电压下测取。
从动稳定检测角度，把上述低定电压下的空载电流IOD，空载损耗POD统称为“铁芯参数”。
3.2 检测方法及要求
3.2.1 接线及加压方式
接线原理完全等同于空载试验。
为了诊断，应采用单相法。一般在最低电压等级的绕组上加压。接线和加电压的具体方法应视被试变压器的铁芯结构和绕组连接的形式参照单相空载试验的相应接线。重要的是：历次检测，接线和加压方式都必须对应地一致。无论什么接线和加压方式都必须保证：测试时，主磁通在铁心回路内形成闭路。
3.2.2 检测时机
1） 在该变压器每次绕组动稳定状态检测之后。
2） 对该变压器铁心状态有怀疑时。
3.2.3 对测试仪器的要求
用于测试绕组动稳定状态的仪器加上以下三条，即可完全满足测试铁芯动稳定状态的需要。
1）能直接测取电流、电压的真有效值。
2）用低定电压法测取大中型变压器空载电流I0D时，电流值大多数在十几毫安至几百毫安之间，在这个量程范围内，电流测量的准确度不应低于0.5级。
3）在测试的升压过程中，电压升到约定区段内时仪器能自动采样实测。
3.2.4 误差分析
在实际检测时，即使已注意到以上的各项要求，但下列因素仍可能使铁芯参数的测试结果的可比性受到影响。
1）测试加压时，未从零开始升压，甚至合闸冲击加压，由于合闸相位角的随机性使得铁芯磁化曲线的起点不同，使历次检测结果的可比性受影响。
2）升压过程中，电压有间断或回返。因此，接触式调压器在升压过程中应始终接触良好。也便于专用仪器能自动地、“守株待兔”式地采样。
3）被短接相的短接接触过于马虎。这是一个发生率很高，稍加认真即可避免的过失。短接质量的要求也没测绕组参数时高。
4）电源电压中的谐波含量过高，高次谐波将使空载电流中的容性分量显著增加。
3.3 诊断
3.3.1 诊断方法
1）纵比，内涵和要求同绕组参数的纵比。但铭牌值不可比。
2）横比，同型号、规格、结构的单相变压器彼此的空载电流IOD和空载损耗POD在理论上应是对应相同的。不少教科书和文献对三相三芯柱变压器的边相与中相的IOD（或POD）的比值给出了一些经验判据，实测表明：离散性很大。难以作为动稳定的判据。
因此，铁芯动稳定状态的诊断更倚重纵比，更需要原始数据。
3.3.2 判据
3.3.2.1 注意值
1）纵比：分相实测的IOD的增量应≤30%，POD的增量应≤15%。
2）横比：三相变压器的两边相的IOD的互差应≤30%，POD的互差应≤15%。
3.3.2.2 警戒值
当上述变化连续递增（或递减），变化量二倍于注意值以上时，应在适当时机，安排芯体检查。
4 综合诊断
对变压器动稳定状态进行广义上的综合诊断，除应完成本文所荐介的绕组和铁芯动稳定参数测试（当然这是最重要的信息来源）之外，还应据有以下资料：
（1）对该变压器设计水平（含动稳定计算裕度）的评估。这只能依赖厂方提供的资料。
（2）对该变压器制作工艺质量的评估。这可借助于监造报告。
（3）该变压器出厂试验资料。含本变压器或同类变压器短路冲击试验的报告。
（4）该变压器的运输安装、调试记录。
（5）该变压器的运行实况。含承受短路电流冲击的大小和次数等。
（6）其它试验检查的结果。主要来自历次预防性试验报告和大修报告，其中最重要的是直流电阻测试和油中含气的色谱分析。
资料齐全的综合诊断，得出的结论的可靠性就高，发现问题就可能更早、更准。这为多次的实绩所一再证实(5)。
参考文献
1 邬伟民、孙亚明、董永平. 降低在线变压器短路事故率的若干思路.
变压器. 1999,7(36)
2 邬伟民、梁恒基. 检测变压器动稳定状态参数的物理基础和实际意义.
电力设备. 2002,4
3 曾刚远. 测量短路电抗是判断变压器绕组变形的有效方法.
变压器. 1998,8
4 王登弟、任天保. 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.
变压器. 2001,10
5 邬伟民、孙强、李建强. 低电压电抗法诊断电力变压器动稳定状态的实测分析
电力设备. 2003,1
