检测绕组及铁心变形、位移的
低电压短路电抗法及所用仪器
王登第 任天保
摘要：概述了用于检测绕组和铁心变形、位移的低电压短路电抗法的原理，并介绍了所使用的仪器——CD9882型变压器动稳定状态参数测试仪的性能及应用。
关键词：变压器 电抗法 绕组 铁心 变形 仪器
1 前言
在电网中运行的变压器，经常受到各种运行条件下的短路冲击。目前，有些国产大型变压器还达不到完全适应电网短路事故的要求，所以，由短路冲击造成的变压器故障时有发生。
诊断变压器运行中承受短路电流冲击后有无异常变化的方法有：电抗法、频率响应法、低电压脉冲法等。目前，有标准可依的只有电抗法。
国家电力公司颁发的[2000]589号文件《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（以下简称《二十五项反措》）中第15.2.5条规定：“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……以留原始记录”。第15.6条又规定：“……变压器在遭受近区突发短路后，应作低电压短路阻抗测试……，并与原始记录比较，判断变压器无故障后，方可投运。”国标GB1094.5—1985《电力变压器》中，不仅规定了短路试验方法，而且还规定了变压器经受短路电流冲击的判据，规定圆形同心式绕组的变压器在短路电流冲击前后电抗值的变化是否大于2%作为判断变压器的是否要求进行解体检查的依据。国际电工委员会在新标准IEC 60076—5：2000中对使用电抗法判断变压器绕组位移、变形作了推荐和规范。由此可见，用低电压短路电抗法判断变压器受短路电流冲击后是否发生故障长期以来是在电力系统运行和维护中被认可的，并被各级电力管理部门列入相关规定的可靠方法。
2 低电压短路电抗法原理
变压器短路阻抗是当负载阻抗为零时变压器内部的等效阻抗。短路阻抗的电抗分量，一般可认为即是变压器绕组的漏电抗。绕组的漏电抗包含横向漏电抗和纵向漏电抗两部分，但无论是横向漏电抗还是纵向漏电抗，其电抗值都是由绕组的几何尺寸所决定的。对一台变压器而言，当绕组变形、几何尺寸发生变化时，其短路电抗值也发生变化。如果运行中的变压器受到短路电流的冲击，为了检查其绕组是否变形，就可将变压器受短路冲击后的短路电抗值与变压器出厂时的短路电抗值进行比较，根据其变化程度判断变压器是否发生绕组、铁心变形、位移及其故障程度[1]。因为短路阻抗值近似于短路电抗值，也可用短路阻抗法来判断。
3 用于实现低电压短路电抗法测量绕组、铁心变形、位移的仪器
3.1 仪器简介
依据低电压短路电抗法测量变压器绕组、铁心变形位移的原理及国标GB1094.5-1985和IEC标准的有关规定，我厂科技人员采用最新测试技术及手段，吸取发达国家先进的变压器检测经验，研制成“CD9882型变压器动稳定状态参数测试仪”（以下简称CD9882测试仪）。它可在低电压下实测变压器短路阻抗、短路电抗、空载损耗、空载电流等参数。用户可通过历次测得值的纵向比较和各单相之间的横向互比，诊断出变压器承受短路电流冲击后的动稳定状态有无劣化（绕组变形、位移和铁心松动、位移）趋势和劣化程度，并依此评估变压器运行可靠性，进而判断变压器是否需要进行芯体检修或更新，确保电力系统安全、经济运行。
3.2 仪器的基本工作原理
为了提高仪器在现场测量数据的准确性和复验性，测量电路采用了模拟电路与数字电路相结合的工作原理，数据传递及数据处理参见图1。
图1 仪器的基本工作原理框图
电压输入回路和电流输入回路采用了高精度零磁通互感器，其优点是精度高、线性好、体积小、电压测量范围达到30～50V，电流测量范围达到了0.03～60A。电压和电流真方均根值测量电路能在波形发生严重畸变情况下准确测量，可确保电压、电流基准量的高精度测量。低功率因数功率测量电路的设计借鉴了0.02级低功率计（进口仪表）测量原理，其测量值的准确性和稳定性属国内领先水平。数据采样保持电路能使电压、电流、功率信号同时采集并保存，可大大提高测量数据的离散性。数字电路与模拟电路相结合测试，提高了测试精度，达到智能化测试。
3.3 仪表的基本测试项目及性能
3.3.1 测试项目
3.3.1.1 可用三相法同时测取，并自动显示和记录以下10个量值
（1）三相电压：Ua，Ub，Uc （2）Ia，Ib，Ic
（3）三相功率： Pa，Pb，Pc （4）电源频率：f
3.3.1.2 可自动计算后显示和记录以下量值
（1）相平均电压：Un
（2）三相平均电流：In
（3）三相的分相功率因数：cosΦa， cosΦb， cosΦc
（4）三相总功率：ΣP
3.3.1.3 可用三相法测取（各单相值和三相平均值或三相总和值），并能自动换算到额定或约定条件下进行显示和记录变压器的下列动稳定状态参数
（1）载电流：Ios （2）空载损耗：Pos
（3）空载等值阻抗：Zos （4）短路电抗：Ux
（5）短路阻抗：Zx
3.3.1.4 可用单相法分别测取、换算、显示、记录变压器各单相的动稳定状态参数值，测试项目与3.1.1.1相同。
3.3.2 量程范围
3.3.2.1 基本量程
电压：30～500V 频率：45～65Hz
电流：0.03～60A 功率因数：0.03～1.0
3.3.2.2 扩充量程
电压、电流可通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）扩充到所需的任意值，对其它各测试量，本仪器能按互感器的倍率自动地相应扩大。
3.3.3 测量准确度（在标准条件下）
电压（真有效值）：0.2级 电流（真有效值）：0.2级
频率： 0.1级 阻抗电压： 0.2级
短路阻抗：0.2级 短路电抗：0.2级
损耗：cosΦ≥0.5时, 0.2级
0.5>cosΦ≥0.2时， 0.5级
0.2>cosΦ≥0.03时， 1.0级
功率因数：同损耗
3.3.4 测量复验性在±0.2%以内
仪器可直接用220V/380V作为试验电源。该仪器测试量限宽，无需外配互感器。其测量方法简便、快速。由于该仪器配有专用诊断软件，可自动生成测试报告，又是一种便携式智能仪器，因此特别适用于现场测试。
4 CD9882型变压器动稳定状态参数测试仪的使用
两年多来，本仪器在西安、沈阳、保定、长沙等变压器制造厂、研究所及甘肃、江苏、湖南、河北、山东、辽宁、吉林、山西、陕西、宁夏等地的电力系统广泛试用，实测了10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV的变压器百余台次，均获得满意的效果，完全达到国标GB1094.5-1985中规定的“所有电抗测量达到的复验性应在±0.2%以内”，并检出了多台动稳定状态劣化的变压器。
4.1 该仪器对故障变压器检测判断准确
2001年7月甘肃省中试所高压室使用该仪器对已经出现故障的一台变压器作了复测，现将测试实例介绍如下：
【例1】 甘肃电石厂1号SFSZ9-40000/110变压器
额定容量：40/40/20kVA 额定电压：110±8×1.5%/35±5%/10.5KV
1998年3月该产品在正常运行中A、C相差动保护，重瓦斯保护动作，变压器退出运行。为了找出故障原因，使用CD9882测试仪在现场进行测试，其方法如下：
1、用低电压短路电抗法进行绕组测试（现场试验电源是235V），实测出高一低Uk值为16.486%，与铭牌Uke=17.5%值相比，误差为-5.731%；进一步实测A、B、C相短路电抗值，其值分别为41.56、49.07、49.30Ω，A相电抗值与B、C相电抗值偏差约为18.62%。三相短路阻抗值及单相短路电抗值与铭牌值相比误差均已超出5%。
2、用低电压（231V）进行铁心测试时，发现10KV绕组中A相电流与B、C相电流相比成百倍增大。
结论：该变压器经由省中试所诊断，发现为A相绕组严重烧坏，铁心也发生移动。已经确定解体大修。经使用CD9882测试仪重复测试，测试结果一致。因此，可证明该仪器技术性能达到了预期要求。
4.2 该仪器在低电压条件下可准确测量
《二十五项反措》中对低电压法作了优先推荐，经过两年多时间，我们应用低电压法做了上百次试验，取得了可贵的经验，并成功地用电压220V/380V的试验电源进行了测试。
该方法的试验成功，使低电压短路电抗法在实际工作中的推广应用成为可能。下面介绍在变压器厂及变电站现场的测试实例。
【例2】OSFPZ8—150000/330变压器
额定容量：50/150/50MVA
额定电压345±8×1.25%/121/11KV
制造厂家：西变厂
测试地点：西安变压器厂试验中心
测试结果：见表1
表1 OSFPZ8150 000/330变压器测试结果
|
绕组 |
开关位置 |
奥地利造标准测试台
(D6100功率分析仪) |
CD9882测试仪 |
相对
误差 |
|
试验电压/kV |
Uk1/% |
试验电压/V |
UK2/% |
|
高一中 |
1 |
23.316 |
11.84 |
222.63 |
11.788 |
0.44 |
|
高一中 |
10 |
17.452 |
10.09 |
223.049 |
10.062 |
0.27 |
|
高一中 |
19 |
14.595 |
9.23 |
222.715 |
9.339 |
0.2 |
|
高一低 |
10 |
17.926 |
25.73 |
223.300 |
25.651 |
0.3 |
【例3】SZ10—50000/100变压器
额定电压：110kV
额定容量：50MkVA
制造厂家：西门子公司
测试地点：兰州供电局段家滩变电站
测试结果：见表2
表2 SZ10---50 000/110变压器测试结果
|
绕组 |
开关位置 |
铭牌Uke值/% |
试验电压/V |
实测UK/% |
相对误差 |
|
高一低 |
高 |
14.03 |
228.75 |
14.00 |
0.21 |
|
高一低 |
中 |
13.39 |
228.97 |
13.34 |
0.37 |
|
高一低 |
低 |
12.92 |
228.23 |
12.89 |
0.21 |
以上两例是在变压器厂和变电站内用不同低电压测试的实例，测试结果充分证实了该仪器在低电压条件下测试的准确性。
4.3 测量数据的重复性完全达到国标要求
测量数据的复验性是测试的主要技术指标。该测试仪无论是在标准测试台检测，还是在恶劣的现场环境情况下，测得的短路电抗值Ux均已达到了离散不大于±0.2%的要求。历经两年多使用，通过实测数百台变压器数据证实，仪器的测量数据复验性完全达到了国标要求。
某电力公司使用CD9882测试仪作为标准仪器，对新制造的变压器进行测试验收。这两台变压器型号为OSFPZ8—150 000/330GY，编号分别为Ⅰ、Ⅱ，测试结果见表3、表4。
表3 制造厂在额定条件下试验的测试值
|
调压开
关桤位 |
在额定条件下测试值Uk/% |
2台产品Uk/%
相对误差 |
|
Ⅰ |
Ⅱ |
|
1 |
11.62 |
11.65 |
0.26 |
|
9b |
10.0 |
9.99 |
0.10 |
|
17 |
8.86 |
8.82 |
0.54 |
表4 用CD9882在低电压下试验的测试值
|
调压开
关桤位 |
在低电压测试值Uk/% |
2台产品Uk/%
相对误差 |
|
Ⅰ |
Ⅱ |
|
1 |
11.61 |
11.65 |
0.35 |
|
9b |
9.71 |
9.73 |
0.21 |
|
17 |
8.79 |
8.81 |
0.23 |
