0 引言

变压器是电力系统的核心设备，其运行状态直接影响着电力系统的安全稳定。近5 a内蒙古电网110 kV及以上电压等级变压器故障统计结果表明，变压器遭受短路冲击造成绕组变形的故障率高达70%^[1]。除了电网快速发展导致电力系统短路容量增加外，电网高载能用户设备的频繁故障、10~35 kV弧光接地过电压、10~35 kV断路器或避雷器产品质量差、低压侧绝缘化改造不完善等均是造成变压器绕组变形的主要原因。《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》中12.1.3条指出：变压器在遭受近区突发短路后，应做低电压短路阻抗测试或绕组变形试验，并与原始记录比较，判断变压器无故障后，方可投运^[2]。但是，短路阻抗法存在绕组变形不严重或缺陷仅在绕组的个别部位时，集中参数的变化不明显而引起测量不敏感的缺陷^[3]。幅频响应特性在低中频段具有较高参考价值，高频段会受到现场杂散电容等干扰，且频响法对于绕组匝间短路或局部变形严重情况更为敏感，若各绕组变形趋势相近，则幅频响应特性曲线具有良好的相关性，因此易造成绕组变形的漏判^[4]。

基于理论支持和现场需求，近年来部分高校和科研机构针对变压器绕组变形做了深入而全面的研究^[5-14]：利用变压器及其运行状态中漏电感、暂态过电压、振动等参数或运行状态量作为判别绕组变形的特征量；借助扫频阻抗法、ns级脉冲响应法、最小二乘法、变分模态分解和概率密度估计、支持向量机和有限元法等分析方法，在建模仿真、实验模拟验证和在线监测应用等方面提出了新思路。各电网公司根据变压器多年运行情况，总结并提出多种实用诊断方法，明确了油中溶解气体、绕组直流电阻、低电压短路阻抗、绕组电容量等试验在变压器绕组变形诊断中的优缺点和注意事项^[15-18]。

通常变压器绕组变形现场诊断方法多以1项试验结果作为判定的主要依据，其余试验结果用于辅助判断，且各试验结果之间没有关联关系，加之设备部分历史试验结果准确性无法检验，因此影响最终诊断结果的准确性。多起变压器绕组诊断及其解体分析结果表明，绕组电容量、短路阻抗试验结果均与变压器各侧绕组之间的相对距离有关，且二者存在关联关系。因此，本文通过将变压器绕组电容量、短路阻抗交接试验结果与诊断性试验结果比较分析，总结高、中、低三侧绕组之间的等效距离与变压器电容量、短路阻抗之间的定性关系。针对1起变压器典型冲击故障，根据电容量和短路阻抗试验结果判定绕组变形情况，通过将设备返厂解体，验证了该综合诊断方法的正确性。

1 基于电容量和短路阻抗试验的绕组变形判定原理 1.1 电容量与绕组变形的定性关系

根据公式（1）计算变压器绕组电容量^[19]：

(1)

式中C_ww—变压器绕组电容量，pF；

ε_we—绕组间油纸绝缘介质的等效介电常数；

H—绕组的轴向电抗高度，mm；

R_w1—内绕组的外半径，mm；

R_w2—外绕组的内半径，mm。

由式（1）可知：C_ww 由ε_we、H、R_w1 及R_w2 决定。其中，交流电场为各向同性场，ε_we受温度、湿度等因素影响极小，因此，只要变压器油品测试结果满足规程要求，便可认为其介电常数未发生变化^[20]。其次，H、R_w1和R_w2为变压器的结构参数，对于运行状况良好的变压器，这3项参数均应与出厂时保持一致，即变压器出厂电容量值为恒定值。因此，当变压器绕组变形到一定程度时，便可通过电容量变化情况判定其绕组运行状态。

三绕组变压器的排列方式如图 1所示。

结合变压器受力情况和图 1绕组等效电容可知：

（1） 当变压器受到短路冲击时，绕组的幅向电动力会导致其高压绕组向外扩，低压绕组向内收。同时，越靠近铁心，其受幅向电动力作用越大，相应变形越严重。

（2） 典型变压器抗短路冲击试验结果证明，高压绕组抗变形能力的设计裕度远大于中、低压绕组，因此，发生短路故障后中、低压绕组更易发生变形。

（3） 结合公式（1），当低压绕组发生内收变形时，C₃增大、C₂减小；当中压绕组向低压绕组方向发生变形时，则C₃增大、C₂增大、C₁减小；当中、低压绕组同时发生变形时，则多表现为C₃增大、C₂增大、C₁减小。因此可通过电容量的变化判断变压器各侧绕组的相对距离，进而推断变压器绕组变形情况。

1.2 短路阻抗与绕组变形的定性关系

大型变压器短路阻抗的大小主要取决于短路电抗，忽略夹件等高导磁介质，短路阻抗百分比可由公式（2）计算得出^[21]，可以看出，X_k （%）与ΣD成正比。

(2)

式中X_k （%）—短路电抗百分比；

f—额定频率，Hz；

I_N—绕组的额定相电流，A；

W—绕组匝数；

ρ—洛式系数；

ΣD—漏磁等效总面积，cm²；

e_t—每匝电势，V；

h—各侧绕组高度平均值，cm。

结合公式（2）可知，短路阻抗是变压器的固有参数，若变压器各侧绕组发生变形，则其短路阻抗与其出厂短路试验结果有所别差。所以，可以通过在运变压器的短路阻抗百分比的变化量来判断绕组的变形情况。

对于三绕组变压器，需通过短路阻抗试验获得X_k1-2、X_k1-3和X_k2-3等参数，其中，数据1、2、3分别表示高压、中压、低压，X_k1-2为高压对中压绕组的短路阻抗，X_k1-3和X_k2-3含义同理。根据公式（2），对于固定变压器，若可计算得到参数ΣD_1-2，便可计算得到X_k1-2 （%）。

根据文献[19]，ΣD_1-2等效距离（见图 2）由中压绕组内侧到铁心的距离r₁、中压绕组外侧到铁心的距离r₂、高压绕组内侧到铁心的距离r₃和高压绕组外侧到铁心的距离r₄决定，ΣD_1-2由公式（3）计算可得^[19]：

(3)

公式（3）中参数ΣD_1-2主要取决于两绕组之间的主绝缘通道的大小，而非各侧绕组自身厚度，即公式（3）中ΣD_1-2的变化主要决定于r₃²- r₂² 的值。综合公式（2）和公式（3）可知，主绝缘通道加宽，ΣD_1-2 增大、X_k1-2（%）也增大，反之X_k1-2（%）减小。X_k1-3和X_k2-3判断方法同上，即相邻侧绕组之间距离增大，绕组间短路阻抗增大。

2 绕组变形判定方法及故障实例分析 2.1 主变压器故障概况

MJT 110 kV变电站1号主变压器于2002年9月投运，型号为SFSZ9-40000/110，连接组别为YNyn0d11。其输电走廊途经矿区，运行环境恶劣，极易遭受短路冲击。2016-01-19例行色谱试验时发现本体乙炔体积分数高达43.3×10^-6。增加监测频次后发现，截至1 月21 日，乙炔体积分数增加至60.9×10^-6，上升了17.6×10^-6；一氧化碳体积分数增加191.6×10^-6。由于该变压器为自然风冷变压器，且没有渗漏点，不存在外部因素引起乙炔超标的可能，结合色谱检测结果推测该变压器本体存在放电缺陷且已涉及固体绝缘。铁心接地电流、直流电阻等试验结果均未见异常。

2.2 电容量和短路阻抗试验

为进一步明确故障情况及其严重程度，采用电容量和短路阻抗试验对该台变压器进行绕组变形初步诊断，试验结果见表 1、表 2。表 1中2002年8月试验结果为设备交接试验结果，2016年1月试验结果为故障诊断试验结果，其偏差计算基准为设备出厂试验数据。根据试验结果初步认定该变压器U、V、W三相低压及中压绕组均有不同程度的变形，其中V相中压绕组变形最为严重。

2.3 分析结果

通过分析绕组电容量、短路阻抗与变压器绕组变形的定性关系，可形成表 3所示判别规则。

综合表 1、表 2 的试验结果和表 3 所示判别规则，得出以下结论：

（1） 主变压器低压绕组—高、中压绕组及地电容量由19 020 pF增至22 160 pF，增幅为16.51%，即C3增大，说明低压绕组向铁心方向发生位移、自身发生收缩变形。中压绕组—高、低压绕组及地电容量由25 010 pF增至27 690 pF，增幅为10.72%，即C₂增大。由C₃和C₂的增幅大小可知，中压绕组收缩形变较低压绕组更为严重，表明中压绕组与低压绕组之间的距离减小。

（2） 表 2中U、V、W三相中压和低压间的短路阻抗百分比偏差依次为-8.92%、-9.12%和-5.76%，平均偏差为-7.93%，即X_k2-3（%）减小，证明了高压绕组与中压绕组之间的距离增大。

（3） 高压绕组—中、低压绕组及地电容量C₁减小以及相同绕组之间短路阻抗值X_k1-2（%）增大，证明了中压绕组与高压绕组之间的距离增大。

综上推断可知：低压、中压绕组均发生收缩变形。

2.4 变压器返厂检修

将该变压器返厂检修，解体结果和诊断结果完全一致。MJT 1号主变压器V相中压和低压绕组实物照片如图 3所示，设备解体结果证实了利用电容量和短路阻抗试验结果综合判定绕组变形方法的准确性。

3 结论

综合上述试验及分析结果，得出结论如下。

（1） 绕组电容量和短路阻抗试验结果具有相互验证关系，可避免现场单一试验结果导致的误判，起到过滤不准确或无效试验数据、提高试验准确性的作用。

（2） 经过对内蒙古电网内多起变压器绕组变形事故分析并将设备返厂解体处理，证实基于绕组电容量与短路阻抗试验的变压器绕组变形判定方法可准确判断变压器绕组变形情况及严重程度，该判定方法可实现变压器运行状态的精确评价。

（3） 对多台变压器返厂解体情况分析表明，当变压器中压绕组发生变形时，低压绕组由于受电场力作用产生挤压，其发生变形的概率较高。

（4） 电气设备例行试验结果是其诊断性判定的基础，因此，明确各类高压电气试验的含义及其关联关系，将相关联试验有机结合，实现设备综合评估和诊断，可以更有效地降低设备运行风险，提高电网运行可靠性。