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应用频响法诊断变压器绕组变形的应用研究 |
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作者：刘连睿 马继先 郭东升 |
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1、引言
目前，应用频率响应分析技术对遭受短路冲击、突发事故和碰撞的变压器进行绕组变形试验已得到广泛应用，并取得了良好效果。主要体现在以下三方面，通过对遭受过短路冲击的变压器进行变形试验普查，查出了一部分绕组已发生变形的变压器。并及时进行了停电整修或更换绕组，防止了可能的突发性损坏事故；对发生出口短路的变压器立即进行变形试验，未发生绕组变形的及时投运，由于这种方法不用放油吊罩检查，因而可节省大量人力、物力，缩短停电时间。对于发生了绕组变形的变压器，由于能及时发现而避免了再次投运可能带来的损坏事故；通过变形试验，能明确变压器哪侧哪相出了问题，这就减少了检修的盲目性。
通过对470台110kV及以上变压器进行变形试验发现，其中有28台发生了绕组变形(占6%)。经吊检或解体得到证实的有23台，其余5台待查。在变形的23台变压器中，有14台发生了严重变形并更换了绕组(占3%)。前苏联在1984～1987年间，对75台遭受短路冲击的大型变压器(主要是330kV等级)进行调查发现，22台发生了变形(占29.3%)，其中16台进行了更换。
尽管目前变形试验的重要性已得到普遍承认，电力部预试规程和反事故措施中也明文规定变压器出口短路后需进行变形试验，但如何应用频响法诊断变压器绕组变形，目前尚无统一的方法和标准。为使这一方法标准化和规范化，笔者进行了多年的分析研究，形成了一套变压器绕组变形判定标准。这套标准经过对全国470台110kV及以上变压器，尤其是28台绕组发生变形变压器的考核，证明这套判定标准是简单可靠的，完全可以满足变压器运行、检修的需要。
2、变压器绕组变形的定义
变压器遭受短路冲击时，绕组受到辐向力、轴向力和周向力(或扭矩的作用)，因而变压器绕组会发生相应的变形，即辐向位移、轴向位移和扭曲(或绕组转动)，以及包括断股、匝间短路、引线位移和静电板引线断开等的特殊变形。从表面上看，特殊变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了改变，因而绕组的频响特性发生了变化，故把这类变形称之为特殊变形。实际运行当中的绕组变形有时是几种变形同时发生的。
实际应用中，除需要确定变压器是否发生了绕组变形，更需要确定绕组的变形程度，以便决定变压器是否继续投运。为此规定了3种状态：正常(或无明显变形)、中度变形和严重变形。具体定义如下：
(1) 正常(或无明显变形)
指变压器绕组与出厂时状态基本一致，或存在不明显的绕组变形但仍可以继续运行，无需检修。
(2) 中度变形
指变压器绕组发生了明显变形，在其它试验合格情况下，变压器可以临时带病运行，但需要加强监督，应在适当时机安排检修。若再次遭受短路冲击或承受过电压，则有可能造成变压器损坏。
(3) 严重变形
指变压器发生了严重的绕组变形。在这种情况下，即使其它试验均合格，也不能再继续运行，否则随时可能发生损坏事故。
3、变压器绕组变形的判定标准
当频率超过1kHz时，变压器的等效电路是一个无源线性、单端输入单端输出的电感和电容网络。这种网络是可以用频率特性来描述，而且一个网络对应着唯一的一条频响曲线。当变压器绕组发生变形时网络参数如电感和电容发生变化，该网络的频响特性也随之变化。变压器绕组变形试验，实际上就是比较变压器事故前后绕组频响特性曲线的变化。
本文采用差值计算公式来描述频响曲线的变化。这种计算方法的优点是能够反映变压器绕组的各种变形，既灵敏又全面，不会遗漏特殊变形类型。其计算公式为
式中E12为两条频响曲线之间的差值；n为采样点总数；V1n为第一条频响曲线第n点处的幅值；V2n为第二条频响曲线第n点处的幅值。
计算时频率的选取范围是很重要的，经多年研究和实践认为选取10～700kHz较为合适。绕组变形判定的经验数据为1.6MVA以上变压器三相绕组间的E12及各绕组与原始数据相比差值均不应大于3.5dB。
变压器绕组变形诊断：
(1) 首先判定有无变形
如果三相绕组相间差值E12大于3.5dB时，应引起注意，但该值(称为注意值)不是唯一判据，还得进一步比较。如果与原始数据(出厂试验、交接试验或事故前数据)比较无明显变化，则仍可判定该变压器为正常。
当相间差值大于3.5dB，且与原始数据相比有明显变大时，则可判定变压器发生了绕组变形；当相间差值虽小于3.5dB，但与原始频响特性曲线相比差值大于3.5dB时，则仍应判定该变压器发生了绕组变形。如果没有原始数据时，则可与同厂同期同型变压器的频响特性曲线进行比较，并以此作为参考。
(2) 变形程度诊断
当确定变压器发生绕组变形后，需进一步确定变形程度，以便决定是否继续运行。绕组变形程度判定的推荐值列于表1。表1 绕组变形程度判定推荐值
 4、变压器绕组变形诊断实例
4.1 严重变形实例
例1.北京老君堂2号变(型号SFPS7-120000/220)在运行中低压遭受出口短路。事故发生后进行的常规电气试验、局放试验和油色谱分析均合格，按照以往的标准，该变压器没问题，可以继续投入运行。但同时进行绕组变形试验后发现：高压绕组三相间最大差值为1.9dB，中压绕组相间差值最大为2.9dB，均小于注意值3.5dB；低压绕组相间差值最大达9.2dB，超过了注意值。查该变压器交接试验时3侧差值均小于3.5dB。通过比较认为，该变压器低压绕组相间差值事故前后发生了明显变化，相间差值9.2dB大于严重变形判据7.0dB，因此，判定该变压器低压侧绕组发生了严重变形。交接试验和事故后所测频响曲线如图1所示。
图1 老君堂2号变事故前后低压绕组频响曲线
根据变形试验结果，该变压器及时退出了运行，并送变压器厂进行解体后发现，高压、中压绕组正常，而低压绕组出现多处轴向长条状鼓包。由于无法修复，最后更换了3个低压绕组。
例2.秦皇岛小营站4号变(型号：SFPSZ7-150000/220)低压侧发生出口短路，当时重瓦斯动作。事故后油中乙炔达56×10－6，低压直流电阻互差达10%。可以断定变压器内部发生了电弧性放电故障。为确保该变压器在30天内修复，避免重大设备损坏事故的发生，需确定损坏的绕组，以便厂家提前赶制绕组。如果等到把变压器送厂家解体后再确定，工期至少推迟5天，30天修复好的计划就很难保证。为此，事故当天就进行了绕组变形试验。试验结果为：高压绕组相间最大差值为0.7dB，与事故前频响特性比较，差值无明显变化，说明高压绕组未发生明显变形；低压绕组相间差值最大为13.8dB，且与事故前相间最大差值2.3dB相比发生了明显变化。因此，判定低压绕组发生了严重变形。事故前后低压三相绕组频响特性差值均大于3.5dB，说明低压三相绕组均发生了变形；中压绕组相间最大值为4.5，略大于注意值3.5dB，考虑到当低压绕组发生严重变形后，中压对低压的绝缘距离会发生变化，引起中压三相绕组对地电容发生变化，三相绕组频响特性一致性也变差。因而判定中压绕组未发生明显变形，无需更换。
根据上述试验结论，厂家提前绕制了3个低压绕组。最终按期完成了变压器修复任务。变压器的返厂解体也证实上述试验结论完全正确，即高、中压6个绕组未发生变形，可以继续使用；低压三相绕组发生了严重变形，不能再使用，变形特征主要是鼓包、匝间放电和断股等。事故前后频响特性曲线如图2所示。
图2 小营4号变事故前后低压绕组频响曲线
用此方法还对黑龙江省富拉尔基电厂6号主变(220kV/240MVA)和北京石景山热电厂1号厂高变(SFFL-31500/15)进行了绕组变形试验，为检修提供了重要依据。其频响特性曲线如图3、图4所示。
图3 富拉尔基电厂两台变压器低压绕组频响曲线
图4 石景山热电厂两台厂高变Ⅰ分支频响曲线
4.2 中度变形实例
例1.下花园电厂1号主变电压等级为220kV、容量为150000kVA，中压侧遭受出口短路1年后，于1992年进行了绕组变形试验。测试结果为：高压绕组相间最大差值为0.8dB，低压绕组相间最大差值为1.2dB，均小于注意值3.5dB，说明高、低压绕组无明显变形；中压绕组相间最大差值为5.3dB，大于注意值3.5dB。该变压器没有事故前频响曲线，但查得该制造厂同期、同型号产品三相绕组频响特性一致性较好，因而可判定该变压器中压绕组发生了变形。由于其相间最大差值小于7.0dB，故属于中度变形。
根据变形试验结果以及该变压器中压出口短路时间较长的实际情况，对该变压器进行了吊检。发现中压A、C相靠近高压侧的压板上升了25～30mm，B相有轻微的上升。现场整修后投入运行，安全运行至今。下花园电厂1号变频响特性曲线见图5。
图5 下花园电厂1号变中压绕组频响曲线
例2.山西太原城西站1号变(型号：SF2-31500/110)低压曾遭受出口短路冲击。变形试验表明该变压器高、低压绕组相间差值均小于注意值3.5dB，绕组未发生明显变形。该站2号变与1号变为同型号、同一厂家的同期产品，未受出口短路冲击，但近区短路多次。为此，对2号变进行绕组变形试验。试验结果表明：2号变高压绕组相间最大差值为2.1dB，低压绕组相间差值最大为5.1dB， 大于注意值3.5dB， 且与1号变相比差值发生了明显变化， 因此， 判定2号变低压绕组发生了变形，差值小于7.0dB属中度变形。
经吊检发现上夹件有变形现象，高压绕组部分垫块脱落。进一步解体发现，低压绕组发生了波浪状扭曲变形，无法修复，更换了绕组。其频响曲线见图6。
图6 山西太原城西站两台变压器低压绕组频响曲线
例3.重庆双山站2号主变(型号：SFPSZ4-120000/220)中压侧曾遭受过出口短路冲击。绕组变形试验结果为：高压绕组相间最大差值为1.2dB，低压相间最大差值为0.4dB，均小于注意值3.5dB；中压绕组相间最大差值为5.4dB，大于注意值3.5dB，因同类型产品相间差值一般小于2.0dB，两者比较相间差值发生了明显变化，因此，判定中压绕组发生了中度变形。吊检发现：中压A、C两相基本正常，B相绕组轴向位移30～40mm。其频响曲线见图7。
图7 重庆双山站2号变中压绕组频响曲线
5、结论
(1) 变压器绕组变形试验已在全国普遍开展，并成功地查出了多台变压器的绕组变形，在变压器运行检修方面发挥了重要作用。
(2) 多年的应用实践证明，本文提出的变压器绕组变形判定标准和变形严重程度划分标准简单、可靠、实用，还可以判定变形绕组的所在侧和所在相。
(3) 尽管绝大多数1.6MVA以上变压器的三相绕组频响特性一致性较好，不用跟历史数据相比较。但为了防止误判断，必须进行纵向比较。
(4) 新变压器三相绕组的频响特性一致性不好，说明工艺水平较差。比如同心度差、各绕组高度不一致等，必将会降低变压器的抗短路能力。
(5) 变压器某一侧绕组发生变形时，会影响邻近绕组三相的一致性。因此，在做出绕组变形判定时，应考虑这一因素。
(6) 实践证明，变压器绕组变形多发生在低压侧和中压侧，高压绕组发生变形的情况比较少见。(end)
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(12/22/2006) |
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