应用低电压电抗法辅以频率响应法检测变压器绕组变形
王登第
目 录
一、概述
二 、检测判断电力变压器绕组变形的相关标准
2.1 低电压电抗法相关标准
2.1.1主要相关标准
2.1.2 基本判断方法
2.1.3 主要判断依据
2.2频率响应法相关标准标准
三 、绕组变形的原理
3.1、低电压电抗法原理
3.2、频率响应法原理
四 、变压器绕组变形检测工作情况分析
4.1 运行中的变压器，外部短路后，经检测发生绕组变形的事例分析
4.2运行中的变压器，外部短路后，经检测未发生绕组变形的事例分析
4.3 电抗法结合频响法测试事例分析
4.3.1电抗法数据
4.3.2频响法数据
4.4 运行中的变压器绕组动稳定状态参数普查检测情况
五 、检测仪器的使用情况
六 、低电压电抗法与频率响应分析法分析比较
七、综合分析
一、概述
电力变压器是电力系统中重要的主设备，变压器的安全运行将严重影响电网的安全运行。近年来，国内许多大型变压器事故都是由于变压器低压侧短路造成的。变压器的抗短路能力已成为衡量变压器的重要指标，是保障电网中、低压系统安全运行的必要条件。目前，电网中运行的变压器大多数为老旧变压器，有的运行年限多达几十年，这些变压器抗短路能力差，容易在遭受突发短路时因承受不了过大的电动力而造成设备损坏。
变压器遭到突发短路时，如果短路电流小，继电保护快速动作切除故障，对变压器绕组的影响是轻微的；如果短路电流大，继电保护动作时间长，甚至拒动，则对变压器绕组的影响将是严重的， 甚至有可能造成变压器损坏。对于轻微的变形，如果不及时检修，在多次短路冲击后，累积效应也会使变压器损坏。因此，正确地诊断变压器绕组变形程度，合理检修变压器是提高变压器抗短路能力的一项重要措施。
变压器绕组发生局部机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然随之发生相对变化。然而，由于变压器结构、生产厂家的不同，其绕组承受短路电流的能力不同，在承受相同短路电流后，其绕组变形的程度、变形后内部分布参数的相对变化等往往相差较大。特别是在一个电网中，变压器种类繁多，生产厂家各不相同，如何对遭受出口或近区短路变压器的绕组变形程度作出准确判断，已经有标准可依。低电压电抗法辅以频率响应法是检测变压器绕组变形的主要手段。
近年来，我们应用低电压电抗法和频率响应分析技术，对新投运的变压器和运行中的变压器绕组动稳定参数进行普查检测，取得了良好效果。特别是在对遭受突发短路冲击事故后的变压器绕组变形状态，经过检测并准确判断出了变压器绕组的变形程度，已得到心检证实。
加强变压器绕组变形检测工作，能减少变压器短路损坏事故发生，是十分有效的。
二 、检测判断电力变压器绕组变形的相关标准
2.1 低电压电抗法相关标准
2.1.1主要相关标准
国家新标准《GB1094.5-2003 电力变压器 第五部 承受短路的能力》：国标规定了电抗法是主要的检测方法；频率响应法、脉冲法、直流电阻法为补充测试方法。
电力行业新标准《DL/T1093-2008电力变压器绕组变形的（低电压）电抗法检测判断导则》：新标准规定了检测项目、检测要求、检测时机、判断方法和判断依据。
2.1.2 基本判断方法
每一次检测后，自动进行同一参数的三个单相值的互差（横比）和同一参数值与原始数据和上一次测试数据的相比之差(纵比)。
无原始数据的首次低电压电抗法检测后的纵比，用三相法测取的阻抗电压Uk与铭牌上（或出厂试验报告上）的同绕组对、同档位的阻抗电压相比。
分析纵比与横比值的变化趋势，判断其相对变化是否超过了标准规定的判据。
2.1.3 主要判断依据
纵比: 容量100MVA及以下且电压220kV以下的电力变压器绕组参数的相对变化均不应大于±2.0%；容量100MVA以上或电压220kV及以上的电力变压器绕组参数的相对变化不应大于±1.6%；
横比: 容量100MVA及以下且电压220kV以下的电力变压器绕组三个单相参数的最大相对互差不应大于2.5%。容量100MVA以上或电压220kV及以上的电力变压器绕组三个单相参数的最大相对互差不应大于2.0%。
2.2频率响应法相关标准标准
2.2.1主要相关标准
电力行业新标准《DL/T 911-2004 电力变压器绕组变形的频率响应法》：本标准给出了用频率响应法检测变压器绕组变形的基本要求，列举出典型幅频特性曲线，推荐通过相关系数作为辅助手段。
三 、绕组变形的原理
3.1、低电压电抗法原理
（1）变压器的每一对绕组的漏电感Lk是这两个绕组相对距离的增函数，同心圆的两个绕组的半径之差的对数Ln(R外-R内)与这对绕组的Lk成正比；而且Lk与这两个绕组的高度的算术平均值 成反比。简言之，漏电感Lk是这对绕组相对位置的函数，Lk= f（R、H）。显然，这对绕组中任何一个绕组的变形、位移必定会引起Lk的变化。
由于绕组对的漏电抗Xk、短路阻抗Zk、阻抗电压Uk都是Lk的函数，亦即都是该绕组对相对位置的函数。因此，该绕组对中任一绕组的变形、位移，Uk、Zk、Xk 亦均会有所反映。
（2）又因为漏磁通回路中油、纸、铜等非铁磁性材料占磁路长度的多半以上。非铁磁性材料的磁阻是线性的，且磁导率仅为矽钢片的万分之五左右，亦即磁压的99.9%以上降在线性的非磁性材料上。因此在本检测中把漏电感Lk看作线性引起的偏差小于千分之一。于是Lk在电流从0到短路电流的范围内都可以认为是线性的。因此，测量Lk可以用较低的电流、电压而不会影响复验性（包括与额定电流下的测试结果相比）不大于千分之二的要求。
由于Xk、Zk、Uk、都未引入与电压或电流相关的非线性因素，因此均可在不同的电流（含较低电压）下测量上述参数。而不影响其互比性。
上述两点构成了低电压电抗法判断绕组有无变形、位移的物理基础。
3.2、频率响应法原理
当频率超过1kHz时，变压器每个绕组可看成一个由电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双端网络，设绕组单位长度的分布电感、纵向电容或对地电容分别为L、K、C，忽略绕组的电阻（通常很小），绕组的等值网络可用图1表示。
频率响应法是通过测量变压器绕组传递函数特性曲线（频响特性曲线）来对变压器特性进行描述的。传递函数H（n）=20log（Vo（n）/Vi（n））。变压器内部结构固定后，其等值网络中的L、k、C等分布参数固定，传递函数特性曲线就固定。如果绕组发生了轴向、幅向尺寸等机械变形现象，等值网络中的L、k、C等分布参数随之变化，其传递函数H（jω）的谐振点就会发生变化。
在实际的使用中，通过对比承受短路电流前后变压器绕组频响特性曲线谐振点位置的差异、两条曲线的相关系数来判断变压器绕组的变形程度，这就引入了相关系数这个概念。
描述两条曲线的相关系数LRxy：
其中，X、Y代表两条曲线，n表示取样的点数，x（k）、y（k）代表取样点的值。
四 、变压器绕组变形检测工作情况分析
截止2006年12月，广州供电分公司运行中的500千伏主变压器有（5组）15台，220千伏主变压器57台，110千伏主变压器294台。下面是测试的情况。
4.1 运行中的变压器，外部短路后，经检测发生绕组变形的事例分析
1. 广州供电局上元岗变电站#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。
八月该变压器返厂、吊罩、解体检查。发现：三相绕组严重变形。
2.广州供电局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。由于上一个月刚有了上元岗站（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UK、ZK、XK、LK，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。
以上事例并经心体检查得到验证和处理，避免了多起重大的变压器短路损坏事故，积累了相当的经验。
4.2运行中的变压器，外部短路后，经检测未发生绕组变形的事例分析
1. 港前站＃1变，因10kV开关柜母线刀爆炸，主变重瓦斯保护动作。该主变是广州电力设备厂于1998年9月生产，频响法测试表明高压绕组三相图谱正常，低压线圈图谱三相重合性较好，结果正常。与此同时也进行了低电压阻抗法测试和其它常规电气试验，低压单相短路电抗值最大互差为0.85%，低于5%的参考标准，变压器变比、低压绕组直流电阻测试均合格，变压器油气相色谱分析结果正常。综合各测试结果表明：港前站#1主变在受到短路冲击后，变压器未发生变形。
港前站#1绝缘油气相色谱测试数据 （单位：μL/L）
|
测试日期 |
氢H2 |
甲烷CH4 |
乙烷C2H6 |
乙烯C2H4 |
乙炔C2H2 |
一氧化碳CO |
二氧化碳CO2 |
总烃C1+C2 |
|
1999-11-9 |
6.7 |
2.4 |
0.3 |
0.8 |
0 |
315 |
593 |
3.5 |
|
2000-4-20 |
12 |
2.9 |
0.4 |
0.9 |
0 |
436 |
5.2 |
4.2 |
|
2001-4-3 |
0 |
4.7 |
1 |
2.8 |
0 |
1023 |
1352 |
8.5 |
|
2002-9-26 |
6 |
6.4 |
1.3 |
5.4 |
0 |
894 |
2302 |
13.1 |
|
2003-3-10 |
6 |
6.5 |
1.1 |
5.5 |
0 |
970 |
1928 |
13.1 |
|
2004-3-16 |
11 |
7.4 |
1.2 |
6 |
0 |
1014 |
2531 |
14.6 |
|
2004-3-28 |
13 |
7.8 |
1.3 |
6.0 |
0 |
623 |
1622 |
15.1 |
短路阻抗测试数据：（铭牌值25.73%，额定电压）
|
|
测试阻抗 |
阻抗差 |
短路电抗XkA |
短路电抗XkB |
短路电抗XkC |
短路电抗差 |
|
第11分接头 |
26.0244％ |
1.14432％ |
69.7962 |
70.3479 |
69.7621 |
0.83617％ |
以上主变冲击后测试图谱与交接试验图谱一致，未发生绕组变形；低电压阻抗法测试的结论也是一致的。
4.3 电抗法结合频响法测试事例分析
4.3.1电抗法数据
测试项目：阻抗试验（110--220kV变压器试验记录）
试验性质：预试
测试单位：广电集团广州供电分公司中心试验研究所
安装点： 东堤站 设备名称： #2主变 试验日期： 2004.10.26
气候：睛 温度： 28 °C 湿度： 60 % 上层油温：28°C
|
设备规范 |
额定电压(kV) |
110/10.5 |
型号 |
SFZ8—40000/110 |
|
容量(MVA) |
40 |
制造厂 |
广州高压电器厂 |
|
结线组别 |
YN/d11 |
出厂编号 |
97407 |
出厂日期 |
1997.12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
（1）：铭牌阻抗值：10.32％ (第九分头)
（2）：三相法测量数据：
Us＝232.568V Is＝7.12166A Ps＝179.495W F＝50.955Hz
Pk＝211.57W Uk＝10.7784％ △Uk＝4.48451％
XkA＝32.0720 XkB＝32.6200 XkC＝33.0327 △Xmax＝2.95112％
（3）：单相法测量数据：（暂缺）
4.3.2频响法数据
测试项目：频响法试验（110--220kV变压器试验记录）
东堤站#2变高压绕组图谱
东堤站#2变低压绕组图谱
解体检查照片:
低压绕组C相线圈的"变形"状况及其部位 低压绕组C相线圈的"变形"状况及其部位
4.3.3解体检查结果及分析意见：
根据东堤站2号变解体检查结果，高压三相分接线圈和三相高压线圈以及低压绕组a、b两相线圈基本完好，未发现变形现象；低压c相线圈已发生了变形，但由于是属于整体性变形，没有造成绝缘损伤，故对变压器的主绝缘仍未构成严重威胁，如果变压器不再遭受系统短路冲击和过电压，则该变压器仍可安全运行。吊检结果和图谱显示基本一致，并与2001年4月给出的最初诊断结论相符。
低电压电抗法与频率响应法分析诊断结论一致
4.4 运行中的变压器绕组动稳定状态参数普查检测情况
近年来，我们对运行中的变压器绕组动稳定状态参数，利用变电站停电检修的时机，进行普查检测，取得了首次测试的原始数据，并建立起了变压器绕组动稳定状态参数数据库，对变压器绕组动稳定状态跟踪监测，为分析判断变压器绕组动稳定状态积累了经验。
检测数据见附件
五 、检测仪器的使用情况
5.1采用的频率响应分析是“BRTC变压器绕组变形特征测试仪”，应用频率响应分析技术在广州电网开展电力变压器绕组变形测试与诊断的研究应用工作。武汉高压研究所BRTC-II测试装置的优点是灵敏度高和操作方便，每台变压器频率响应特性测试可在一个半小时内完成。
5.2、采用的低电压电抗法测试仪《CD9882变压器绕组动稳定状态参数测试仪》，该产品是按照国家新标准《GB1094.5-2003》设计 ，优点是抗干扰能力强，测量复验性好，测试快捷。2003年获得了国家科技部创新基金的支助；2004年列入了国家重点新产品；2005年将该产品检测判断方法吸收进新标准；2006年开发出第三代产品《CD9882C型变压器绕组变形电抗法检测判断成套仪》。
该产品的性能指标及检测方法已编入中国电力出版社出版的《电气试验》教材中（第七章 第十节 变压器绕组变形测试）。
六 、低电压电抗法与频率响应分析法分析比较
两种方法同样的特点是接线简单，仪器轻便，测试快捷。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、电力行业标准规定的依据，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。
频响法是项新方法，灵敏度高，信息蕴藏量大，现场测试的抗干扰性有待很好地提高，判据的量化有待成熟和规范。仪器的价格也相对昂贵。
七、综合分析
短路阻抗法和频率响应分析法都能有效的检测故障后电力变压器绕组动稳定状态，针对不同测试方法的特点，在检测过程中扬长避短，相互补充，作为现时推行的设备状态检修的判断依据，将会大大节省人力物力。准确地判断变压器绕组变形情况。
国家新标准《GB1094.5-2003 电力变压器 第五部 承受短路的能力》：国标规定了电抗法是主要的检测方法；频率响应法、脉冲法、直流电阻法为补充测试方法。
电力行业新标准《DL/T1093-2008电力变压器绕组变形的（低电压）电抗法检测判断批稿》：新标准规定了检测项目、检测要求、检测时机、判断方法和判断依据。
低电压电抗法已经制定出了明确的判断依据，将是主要推广的检测方法。
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
6 邬伟民 王登第 颉晓周 电力变压器动稳定状态的现场检测与诊断
电力设备. 2004,3
作者简介
王登第 （1958-），男，陕西岐山人，西安天城电力仪器设备有限公司高级工程师，长期从事变压器检测仪器的开发、设计。参与起草电力行业新标准《DL/T1093-2008电力变压器绕组变形的低电压电抗法检测判断导则》，邮编：710075，电话029-88451705
