广东电网有限责任公司东莞供电局 广东东莞 523000
摘要：研究变压器绕组发生松动、变形的原因，对其进行状态评估，研究诊断方法和防治措施，减少变压器事故的发生，延长变压器的使用寿命，提高电力系统供电可靠性。
关键词：变压器；状态评估；诊断方法；供电可靠性
0 引言
随着电网容量和电压等级的提高，变压器短路导致的恶性事故不断增加，这种情况已直接威胁电网安全运行。作为电力系统输变电关键设备，电力变压器的可靠运行对电力系统的安全、经济、稳定运行具有重要意义。如果一台大型电力变压器在系统运行时发生事故，则可能导致大面积停电。变压器的检修期一般要达到半年以上，不但花费高，而且影响面广。
据有关统计资料介绍，变压器绕组是变压器故障损坏的主要部位。就某地区电网来说，2013年110kV及以上变压器突发性损坏年事故率为0.35%，2014年110kV及以上变压器突发性损坏事故20起，年事故率为0.58%。2014年发生了20起变压器损坏事故，其中绕组损坏11起，绕组损坏事故占事故台数的55%，2台是由于保护拒动，短路时间太长引起的，9台是由于变压器绕组抗短路能力差引起的。不难看出，变压器绕组抗短路能力差是造成变压器运行损坏的主要原因。
随着电网容量的日益增大，短路容量亦随之增大，短路故障造成的变压器损坏事故呈上升趋势。而因外部短路造成变压器绕组松动、变形，是变压器运行过程中的常见故障，严重威胁着系统的安全运行。究其原因，主要是设计者在结构设计和材料选用时对电动力动态作用分析不够准确，因而采取措施不够完善引起的。在变压器运输过程中因发生意外碰撞造成变压器绕组松动变形，以及在变压器遭受突发性短路后，且保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受短路电流作用的时间长，这是绕组发生松动、变形的主要原因。因此，在变压器运输过程中发生意外碰撞或变压器遭受出口短路后，及时判断绕组是否变形很有必要。
1 基于振动法评估绕组机械状态
统计资料表明，在变压器损坏原因中80%以上是由于变压器发生了出口短路的大电流冲击造成的。电力变压器在发生出口短路时的电动力和机械力的作用下，绕组机械状态包括绕组的尺寸或形状发生不可逆的变化。
由上可见，绕组的机械状态直接反应绕组的抗短路能力，反应变压器绕组机械状态的最主要参量是绕组松动与变形。
关于变压器绕组松动缺陷的诊断评估，国内外到目前为目还没有一种有效的方法。对于有绕组松动隐患的变压器，若尚未危及绝缘时，油中总烃及各组分含量常保持正常，因此，DGA法基本上无能为力，油中气体色谱分析与短路阻抗法均作为发生短路故障后判断变压器绕组机械状态的试验项目，无法实现在线监测功能。
同样，对绕组变形，在未涉及绕组受损时，DGA也无能为力。目前检测变压器绕组变形的最有效方法是频率响应分析法，但目前尚处于经验积累阶段，以往的研究通常是根据经验，或者在绕组上并联电容模拟变形，缺乏一定的量化标准。传统频响法受到电气参数的影响，对于绕组机械状态的轻微改变敏感度不高；振动频响法受到箱体状况、传播路径等干扰因素较多，且诊断为离线诊断，无法及时诊断绕组机械状态。因此，必须寻求新的检测变压器绕组机械状态的有效方法。
变压器绕组在负载电流与漏磁产生的电动力作用下振动，并通过绝缘油传至油箱。高、低压绕组之一变形、位移或崩塌，绕组间压紧不够，使高、低压绕组间高度差逐渐扩大，绕组安匝不平衡加剧，漏磁造成的轴向力增大，绕组振动加剧。故本文在基于振动法的变压器故障诊断技术的基础上进一步进行基于振动的变压器绕组机械特性的状态评估研究。重点对变压器绕组状态变化后振动变化的研究，并在振动监测与变压器绕组松动（变形）、绕组抗短路能力分析的基础上，进行变压器绕组机械状态进行评估，切实解决电力变压器运行中的实际问题。
2 变压器振动模型研究
2.1 变压器绕组振动模型的建立
大型电力变压器的绕组是由一系列铜线饼叠加而成，相邻铜线饼之间由绝缘垫块隔开，绕组上下部都有铁轭，起到压紧绕组的作用。变压器工作时，绕组中的电流与漏磁场作用，产生电磁力作用于线饼上，在电磁力的激励下，单个线饼可以看作是在做力学中的简谐振动。线饼间的绝缘油，对绕组振动起到阻尼的作用。结合以上分析与以及单个线饼模型，可以得出绕组整体动力学模型，如图2-1所示。
2-2
2-3
2.2 变压器箱体振动模型的建立
油箱振动是对绕组振动的响应。绕组振动经由固体构件、变压器油等路径传递至油箱表面，传递过程中振动信号会有一定程度的衰减。绕组压紧力减小导致绕组松散，这样会减弱绕组振动的传递能力，还会造成变压器结构刚度减小，变压器整体结构的固有频率减小，共振频率会随之向左位移（减小）。共振频率是油箱频响曲线中峰值对应的频率。基于以上分析，提出油箱振动信号模型：
2-4
式中：为油箱表面振动信号；为传递能力系数，压紧力减小后，绕组变得松散，该系数会减小；为绕组振动中的基频成分；为共振放大系数，是与阻尼比、频率等参数有关的变量；为绕组振动中处于油箱共振频率上的振动部分；为绕组振动中除基频、共振频率之外的振动部分；为随机噪声，来源于环境干扰。
从上式可以看出，油箱表面振动信号包含4项响应：
第1项是对绕组振动的基频成分的响应，该项与电流平方成正比。
第2项是变压器油箱在共振频率上的振动。绕组振动中即便只是含有少量的处于共振频段内的振动分量，也会在油箱表面产生较大振动。
第3项是对绕组振动中除基频、共振频段之外的振动部分的响应。
第4项是随机噪声。
当共振频率和基频重合时，第1项和第2项合并为一项响应。
绕组压紧状态影响着漏磁场分布、绕组振动传递能力和油箱共振频率。不同压紧状态下的油箱振动响应存在差异。
3 结论
变压器是电力系统的重要设备，其安全可靠运行关系到电力系统的安全稳定，因此必须对其进行各种反故障研究。
虽然变压器故障的诊断方法很多，也为变压器反故障做出重要贡献，但总的效果并不十分理想，不能满足现代电力系统的要求，特别是不能满足智能电网发展的要求。主要是由于变压器内部结构复杂，而且在变压器运行现场存在着强烈的干扰，给监测诊断带来困难。
基于机械性能的变压器绕组状态评估系统具有简单、方便、与变压器无电气联系等优点，近年来已成为业内人士的研究热点。
本文重点对振动的电力变压器内部故障诊断进行研究，通过故障分析、故障特征研究、监测诊断方法研究，推动电力变压器故障诊断水平的提高，形成与基于油气量的诊断（DGA）、局部放电诊断互补的诊断新方法。
作者简介：
黎锡泉（1981—），男，本科，广东东莞，工程师，主要从事变电运行工作，Email：49636890@qq.com
论文作者:黎锡泉
论文发表刊物:《电力技术》2016年第10期
论文发表时间:2017/1/9
标签：绕组论文; 变压器论文; 油箱论文; 状态论文; 频率论文; 基频论文; 机械论文; 《电力技术》2016年第10期论文;