频响法和电抗法在变压器绕组变形测试技术中的应用

范旭华   马勤勇   黄耀德   石海珍

（新疆电力科学研究院    鲁木齐830000）

 摘  要： 针对乌鲁木齐电网1993－1999年期间110kV变压器由于10kV母线发生近区短路，连续烧损6台次这一问题，开展了变压器绕组变形测试工作。几年来通过对频响法和电抗法的现场应用，诊断并验证了3台110kV变压器绕组严重变形的问题，同时也对这两种方法的结合使用，积累了点滴经验。

关键词：变压器; 变形测试; 应用

1　问题的提出

1993－1999年期间，乌鲁木齐电网110kV变压器由于遭受10kV系统近区短路故障，连续烧损了苍房沟1号主变、鲤鱼山2号主变等6台变压器。事故发生后，有关单位分别对这6台变压器进行了吊罩扒线圈的检查。其检查结果是：a）除有1台变压器高压线圈、高调线圈端部有散股现象外，其余5台变压器高压线圈、高调线圈基本完好。b）6台变压器低压线圈均发生了不同程度的饼间、匝间绝缘击穿放电故障。c)6台变压器低压线圈均发生了较为严重的变形，其整体线圈外观除了现显出波浪状外，还有大面积的饼间绕组绝缘塌陷的问题。

2  绕组变形测试的意义

变压器在运行中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击，一旦短路故障发生在变压器出口附近，变压器将承受巨大的轴向和辐向电动力。如果绕组内部结构存在薄弱环节，将会发生绕组扭曲、鼓包或移位变形现象，严重时将导致绝缘击穿事故。乌鲁木齐电网6台变压器就是在10kV系统近区发生三相短路故障，短路电流在额定电流的8倍左右；持续时间在1.3~1.9秒以及内部结构抗短路能力差的情况下被烧损的。从这6台变压器的解体检查情况可以看出，无论是哪一台变压器的低压绕组在饼间或匝间绝缘击穿放电前，它都是伴随着绕组的严重变形，发展到绝缘击穿

这6台变压器事故发生后，我们对此做了进一步的调查，结果发现除了苍房沟1号主变（更换线圈大修后）是第1次遭受短路冲击后就被烧损外，其余的5台都是在遭受第2次、第3次短路冲击后才被烧损的。也就是说变压器绕组从轻度变形演变到严重变形乃至发展到饼间、匝间绝缘击穿放电事故，有一个绕组变形由轻到重这样一个逐渐积累和发展的过程，因此积极地开展变压器绕组变形诊断技术工作，对提前发现那些有问题的变压器，并有计划地退出运行进行大修改造，不但能节省大量的人力、物力，同时对防止变压器事故的发生也有着极其重要的意义。

3  频响法和电抗法的测试方法

所谓的绕组变形测试技术目前国内有两种检测方法，一种方法的原理是采用目前国际上较为先进的频率响应分析技术（简称频响法），即在绕组的一个端子加入扫描电压信号，通过双通道检测单元同时记录该端子及绕组对应端子上电压信号的波形，经相应的数字化处理后，得到不同扫描频率的幅值和相位，然后根据传递函数求得幅频、相频响应特性显示在计算机屏幕上。而这个传递函数则取决于变压器内部电感、电容等分布参数，而电感、电容又取决于变压器绕组的材料和制造几何尺寸。当变压器绕组发生严重的扭曲、鼓包变形时，如：前面提到的苍房沟1号主变在检查时就发现低压绕组已由原来的圆筒形变成了波浪状形状，且凹凸畸曲。那么此时若采用频响法测试，检测到的电压信号则与原来的信号发生了改变。而这个改变就是我们希望得到的频响特性曲线。通常诊断判据是以1KHZ－600KHZ范围内的频响特性曲线中谐振峰是否发生明显变化并结合三相绕组之间的量化结果相关系数来进行判断。

另一种检测方法是低压短路电抗法（简称电抗法）。它是利用传统的负载试验，在380V的电压下采用高精度的测量系统测出三相电抗值，并比较变化量，从而间接或直接地反映变压器绕组间的相对位置变化。只要变压器绕组有几何尺寸的变化，其电抗值就会有响应。而判断标准目前除了依据GB1094.5—85《电力变压器》中规定的“圆形同心式变压器的电抗在短路电流冲击前后的变化不大于2%”外，尚无三相电抗值横向最大误差的标准。

几年来，我们利用频响法完成了110kV、220kV变压器163台/次的测试，利用电抗法完成了110kV变压器58台/次的测试。通过频响特性曲线和电抗数据的综合分析，准确地诊断出3台110kV变压器低压绕组存在严重变形的问题，并扒线圈得到验证。对1台110kV变压器频响特性曲线有异议且电抗数据误差又偏大的110kV变压器也扒线圈进行了验证。

4  现场测试实例

实例1：　安装地点：八户粱1号主变

1）变压器主要参数  

型号：SFZ8-40000/110                序号：96B07223

额定电压：110±8×1.25%/10.5kV      联结方式：Ynd11

制造厂家：沈阳变压器厂              出厂日期：1996.10.

2）频响曲线图谱（2001年9月20日测试）

R₁₂=2.07879 　　　　R₁₂=0.69260 　　　　R₂₃=1.69879

R₂₃=0.26046 　　　　R₃₁=1.71083　　　　 R₃₁=0.66983

图1 八户梁1号主变高压绕组               图2 八户梁1号主变低压绕组

频响特性曲线图谱                           频响特性曲线图谱

3）短路电抗数据（  2001年9月20日测试）

X_kA=36.2029Ω    　　　　　　X_kB=35.5563Ω

X_kC=34.7467Ω                ΔX_Kmax=4.1%

备注：因受短路冲击前，未进行过短路电抗测试，故只能进行三相电抗比较。

4）测试分析

a）低压绕组频响特性曲线（图2）经横向比较，ab、bc、ca三条曲线差异较大，且谐振频率在600KHZ以下频率段发生了明显的左右移动，因此可以说横向比较法是通过三相绕组频响特性曲线的相似性来分析绕组是否发生了某种程度的变形。

b）做为表征绕组没有发生变形和轻度、严重变形的量化描述，引入了相关系数R，当R=10说明两曲线完全一致；R＞1说明两曲线比较相似；R＜0.5说明两曲线差异较大。这里指的两曲线可以是横向ab与bc相的比较，即相关系数R₁₂;bc与ca相的比较，即相关系数R₂₃;ca与ab相的比较，即相关系数R₃₁，也可以是受短路冲击前后某一相的比较。而这一台变压器的低压绕组其相关系数R=0.26046＜0.5。因此无论是从横向的谐振频率段的左右位移还是从相关系数的比较判断，均可以认为发生了严重的变形。

c）经A、B、C三相短路电抗比较，其最大短路电抗误差为4.1% ,其中X_kA、X_kB较X_kC大，因此认为a、b相绕组变形的可能性大。

d）诊断结论：1）该台变压器在电气试验、绝缘油色谱分析均正常的情况

下，经现场多次绕组变形测试，确认存在较为严重的变形问题；2）该台变压器若再经历短路冲击，将有可能发生烧损事故；3）建议退出运行，解体检查。

5）验证结果: 该台主变退出运行后，与2001年12月20日进行了扒线圈检查，其检查结果如下：

a）低压绕组a、b相有严重的鼓包，塌陷现象。（见照片1、2）

b）低压绕组a相中部约有10～20饼的匝间绝缘破损且出现铜线外露现象。

c）低压绕组b相已有严重的散股现象。

实例2   安装地点：鲤鱼山1号主变

1）变压器主要参数

型号：SPZ8-31500/110         额定电压：110±8×1.25%/10.5kV

联结方式：Ynd11              生产厂家：铜川整流变压器厂

出厂日期：1996.6             出厂序号：0604046

2）频响特性曲线图谱（2001年9月26日）

R₁₂=1.41791                      R₁₂=0.27548

R₂₃=1.42695                      R₂₃=1.21720

R₃₁=1.61399                      R₃₁=0.29470                    

图3 鲤鱼山1号主变高压绕组                           图4鲤鱼山1号主变低压绕组

频响特性曲线图谱                                    频响特性曲线图谱

3）短路电抗数据（ 2001年9月26日测试）

X_KA=38.0353Ω                X_KB=39.7460Ω

X_KC=38.0423Ω                ΔX_Kmax=4.4%

4）测试分析

a)低压绕组经横向比较a、b相频响特性曲线与bc、ca相曲线比较，其谐振频率在400kHZ频率段以下向左移动，发生了明显的变化。因此说明b相绕组变形的可能性较大。

b)最小相关系数R=0.41796＜0.5

c)短路阻抗ΔX_Kmax=4.4%，其中X_KB较 X_KA 、X_KC 大，也说明b相绕组的位置发生了变化。

d)诊断结论：1)该台变压器低压绕组b相发生了变形.

2)建议退出运行，解体检查。

5）验证结果

2002年5月30日对该台主变扒线圈进行检查，其检查结果如下：

a）低压侧b相绕组靠近出线端有严重的凸包现象，见照片3。

b）A、B、C三相绕组均有大量的绝缘垫块脱落。

实例3  安装地点：六道湾2号主变

1)变压器主要参数

型号：SFZ8-40000/110          额定电压：110±8×1.25%/10.5kV

联结方式：Ynd11               制造厂家：沈阳变压器厂

出厂日期：1996.7

2）频响曲线图谱

a)投运后（1999年7月28日测试）

R₁₂=2.03410                        R₁₂=1.60156

R₂₃=2.11407                        R₂₃=1.12374

R₃₁=2.19710                        R₃₁=1.09358

图5  六道湾2号主变高压绕组                  图6  六道湾2号主变低压绕组

频响特性曲线图谱                               频响特性曲线图谱

b)第1次遭受短路冲击后（2000年10月17日测试）

R₁₂=1.94598                        R₁₂=1.51733

R₂₃=2.10131                        R₂₃=0.49161

R₃₁=1.66454                        R₃₁=0.45463

图7  六道湾2号主变高压绕组                       图8  六道湾2号主变低压绕组

频响特性曲线图谱                                   频响特性曲线图谱                            

c)第2次遭受短路冲击后（2003年1月10日测试）

R₁₂=1.84743                        R₁₂=0.51850

R₂₃=1.32517                        R₂₃=0.78129

R₃₁=1.44847                        R₃₁=0.28439

 3）短路电抗测试（2003年1月10日）

X_KA=34.6509Ω                X_KB=34.1444Ω

X_KC=32.8767Ω                ΔX_Kmax=5.23%

4）测试分析

该台变压器由于在投运后以及第1、2次遭受短路冲击后分别进行了频响特性曲线测试，因此可综合利用纵向、横向图谱比较来进行分析诊断。

a)纵向比较：遭受第1次短路冲击后的低压绕组ca相频响曲线与投运后的

曲线比较，在频率为200KHZ谐振峰处明显向左移动；遭受第2次短路冲击后的低压绕组ca和ab相频响曲线与投运后的曲线比较，在频率为200KHZ谐振峰处又有了更为明显向左移动的现象；在600KHZ以下ab、bc、ca相曲线的谐振峰数目有所增多，因此可诊断出有严重的变形。

b）横向比较：在遭受第2次短路冲击后，低压绕组ab、bc、ca相三条频响特性曲线一致性差，其谐振峰左右偏离不在同一点上，且最小相关系数为0.28439。因此也可诊断出有严重的变形问题。

c）最大短路阻抗误差为5.23%，其中X_Ka、 X_Kb较 X_KC 大，由此可以认为低压绕组a、b相发生变形的可能性大。

d) 诊断结论： 1)该台变压器低压绕组a、b两相发生了较严重的变形.

2)建议退出运行，解体检查。

5）验证结果

    2003年3月8日对该台变压器进行扒线圈检查，其检查结果如下：

a)低压a、b相绕组（靠相间侧）均有明显的鼓包。

b)鼓包凸起处的线圈绝缘纸有断裂现象。

c)高压绕组A相绕组上端第10饼处的铜线有外翘、散股现象。

d) A相上层压板（分瓣式）有明显的上翘现象。

照片4  六道湾2号主变低压a相绕组            照片5 六道湾2号主变低压b相绕组

变形损坏照片                                 变形损坏照片

实例4   安装地点：幸福2号(1号)主变

1)变压器主要参数

型号：SFZ8-40000/110       额定电压：110±8×1.25%/10.5kV

联结方式：Ynd11           制造厂家：衡阳变压器厂

出厂日期：1996.7          出厂序号：S960702（1号主变S960703）

2）频响曲线图谱

R₁₂=0.98564                       R₁₂=1.84997

R₂₃=2.00511                       R₂₃=2.01154

R₃₁=0.94128                       R₃₁=1.60450

图11  幸福2号主变低压绕组                       图12  幸福1号主变低压绕组

频响特性曲线图谱（2001.9.3）                     频响特性曲线图谱（2001.9.11）

3）短路电抗测试

a) 2号主变

X_KA=29.7503Ω                X_KB=30.3296Ω

X_KC=29.7982Ω                ΔX_Kmax=1.93%

b) 1号主变

X_KA=38.3717Ω                X_KB=38.3100Ω

X_KC=38.2373Ω                ΔX_Kmax=0.16%

4）测试分析

a)将同类型、同厂家的两台主变频响特性曲线图谱进行比较，2号主变低压ab曲线在150-250kHz范围内出现向左位移现象，且最小相关系数0.9418也比1号主变1.6045小，但仍大于0.5，因此怀疑有轻度变形。

b)将同类型、同厂家的两台主变短路电抗比较，2号主变最大短路电抗误差为1.93%，也比1号主变0.16%大的多，且2号主变b相电抗大于a、c相，因此怀疑b相有轻度变形问题。

c）诊断结论：1）怀疑2号主变低压绕组有轻度变形问题。

                 2）为积累测试经验，建议解体检查。

5）验证结果

经扒线圈检查，幸福2号主变低压绕组b相用肉眼看比较规整，没有明显的变形特征。

5．结论

5.1实践证明频响法和电抗法的判断结果相吻合，能够做到对变压器绕组变形问题的准确诊断。

5.2通过现场实例1-3的变形诊断和解体验证，表明利用频响特性曲线中频段（100-600kHz）的谐振峰发生左右位移来判断绕组是否变形比较准确，其变形程度则可利用相关系数进行判定，一般来说小于0.5为严重变形。实例1-3已证实了此项判断方法。

5.3电抗法对变形绕组相别的判断比较直观、准确，虽然目前三相短路电抗最大互差尚无判断标准，但其实测结果则有助于对变形程度的判断。

附表1

乌鲁木齐电网110kV变压器短路事故烧损统计表

备注：在出厂及投运日期栏目中，打“*”号者表示更换线圈大修后的再次投运日期。

参考文献：刘连睿、马继先、郭东升应用频响法诊断变压器绕组变形的应用研究