基于综合电气试验的变压器出口短路诊断分析
1 前言
电力变压器是电力系统中的核心设备之一，其稳定、可靠运行对电力系统安全起着非常重要的作用。但由于本身变压器设计、工艺、制造技术以及运行维护水平问题，尤其近年来，变压器出口或近距离短路故障时有发生，而且有增长趋势，严重影响了电力系统的安全稳定运行。统计表明，此类短路事故已成为变压器事故的首要原因。出口短路事故突然发生时，在变压器绕组内流过的短路电流与漏磁场的相互作用产生了较大的电动力，尽管这种暂态过程持续时间很短，但变压器还是会受到不同程度的损坏，若对于轻微变形不能及时发现和修复，多次冲击后累积效应也会导致变压器的损坏。目前，在变压器遭受了短路冲击后迅速诊断电力变压器是否能继续运行是运行中急需解决的问题。因此，加强电力变压器运行维护，采取切实有效措施防止变压器出口短路，对确保变压器尤其是整个电网的安全稳定运行具有重要的意义。
2014年6月6日，某变电站一条10kv出线1#杆a相避雷器击穿，造成线路a相直接接地。10kv乙母线pt因a相直接接地，b、c两相电压升高，pt发生铁磁谐振，b相pt爆炸，造成10kv乙母线短路。乙变低后备保护复压过流i段i时限保护启动（动作逻辑是时限0.3s调分段90开关，当时运行方式是90在断开位置，10kv甲、乙母线分列运行），乙变低后备速度保护启动（动作逻辑是时限0.3s调分段90开关，当时运行方式是90在断开位置，10kv甲、乙母线分列运行），本体轻瓦斯发告警信号，本体重瓦斯动作，变压器两侧开关跳闸。变压器型号为sfz11-31500/110，接线组别为ynd11，短路阻抗为10.65%，该产品为2007年产品。
2 变压器试验分析
2.1 油中溶解气体色谱分析
电力变压器油中溶解气体色谱分析结果如表1所示。重瓦斯动作后，瓦斯气样折算到油中的理论值大大高于油样值，一氧化碳、二氧化碳及总烃明显超标，这些碳的氧化物的产生可能与变压器结构中某些含碳材料涉及故障有关，初步判断变压器经短路冲击故障后内部存在热性故障，可能为涉及固体绝缘热性故障。除此之外，氢气、甲烷、乙炔、乙烯明显超标，三比值法对应编码102，说明变压器内部存在高能量电弧放电，并有金属性放电。
2.2 绕组介质损耗与电容量
由表2可发现，低对高及地和低、高对地的电容量与出厂值比较有明显变化，超过了规程规定的5%的警示值。通过分解电容量试验数据进一步分析变压器绕组变形情况见图1.通过分解得到数据如表3所示，根据公式c=εa/d，tgδ增加，ε增加，ch减小，说明d增大，进而可得出高压绕组向内凹陷[3]。
2.3 直流电阻试验
变压器绕组的直流电阻测试是变压器试验中既简单又重要的试验项目（如表4所示）。直流电阻测试结果显示，低压绕组直流电阻正常；而高压绕组各分接直流电阻明显超标。三相直流电阻互差均达到了3.4%~3.77%，超出了2%的状态检修试验规程要求。其中a相绕组直阻值较b、c两相较小。结合油中溶解气体色谱分析结果，变压器内部可能存在高能量的电弧放电，因此怀疑高压a相可能存在匝间、层间短路等现象。
2.4 绕组变形测试
分别利用频率相应法及低电压短路阻抗法对变压器进行绕组变形测试，通过测试结果掌握变压器经过短路冲击后绕组变形情况。
（1）频率响应法
在较高频率的电压作用下，变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感与电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特性可通过传递函数描述。如果绕组发生变形，绕组内部的分布参数必然发生改变，导致其等效网络传递函数的零点和极点发生变化，使网络的频率响应特性发生变化。用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异，判断变压器可能发生的绕组变形[2]。
图1为变压器低压绕组频率响应特征曲线，中频段（100~600khz）和高频段（＞600khz）均出现了明显的三相不一致，数据显示低压绕组可能发生了明显变形，且以绕组扭曲、鼓包等局部变形现象为主。图2为变压器高压绕组的频率响应特性曲线，从图中可以发现，低频段（1~100khz）有明显的三项不一致，由数据显示高压绕组可能存在严重变形，且以匝间或饼间短路故障为主，通常预示高压绕组的电感发生改变。结合高压绕组的直流电阻不合格，可判断高压绕组发生了严重变形。
（2）低电压短路阻抗法
变压器安装完成后，其特征参数电容、电感基本保持不变。当遭受巨大的外力如地震、出口短路等整体绕组或局部绕组会出现不同程度的位移，而引起特征参数的改变[1]。因此，可以通过检测变压器的特征参数（主要是短路阻抗），根据特征参数的相对变化和三相不对称程度作为判断绕组有无变形的依据。现场用低电压测试短路电抗（包括短路阻抗和漏电感等参数），以判断变压器绕组有无变形已有多年，多次检出了动稳定状态劣化的大中型电力变压器，并经器身检查得到验证和处理，避免了变压器短路损坏事故积累了相当多的经验，并形成了国家行业标准。
对变压器进行了低电压短路阻抗和电抗值的测试，实验数据如表4所示。高对低（额定分接）的低电压短路阻抗相间相对误差为15.516，远远超过2%的规程要求，而且a相短路阻抗值变化，与短路阻抗初值相比增长了12.24%，b、c两相则相对变化较小，由此可判断变压器低压绕组a相存在明显变形。
3 返厂吊罩检查结果分析
通过综合考虑电气试验、油色谱分析及变压器抗短路能力不足等问题，判断该变压器可能涉及固体绝缘热性故障，存在高能量电弧放电，并有金属性放电；高压绕组与低压绕组存在变形等故障；高压a相有可能存在匝间、层间短路等现象。具体情况需要返厂吊罩检查，进一步确定存在问题。
吊罩之后发现，高压a相线圈最下部3层出现明显波浪式内收变形见图3a.进一步分析认为，变压器由于短路电流冲击时，在短路电动力的作用下，受到了强烈幅向收缩力，轴向受力较小造成。除此之外，绝缘纸严重处碳化、烧毁发黑，造成线圈露铜，发生股间短路、匝间短路及层间短路，尾屏对应线圈受力最严重位置已破损并发黑，因匝间绝缘烧毁而导致击穿，具体情况见图3b.此处可能在故障时发生短路、产生电弧放电，短时间内产生大量的热量，无法及时散出，绕组温度急剧上升，以致油纸绝缘烧损[4]。
低压a相整体存在较明显的内陷变形，导致撑条掉落；绕组底部层压纸板下垫块发生明显位移。表明在发生故障时整个绕组受到了强烈的幅向收缩力，绕组挤压变形，此种现象符合一般规律。绕组上部有纸绝缘炭化痕迹，油纸绝缘存在破损情况，有轻微露铜，但无股间短路。表明变压器在短路冲击故障时该点受到热量较少。
低压c相绕组层与层之间拥挤在一起，整体呈向上挤压趋势，绕组下部明显（见图5a）。说明在发生故障时整个绕组受到了强烈的轴向电动力，绕组严重挤压变形。另外，夹件上的固定螺栓被冲断，间接证明轴向力的方向向上。顶部有一股电磁已熔断，发生明显的电弧放电，相邻位置有5股绝缘烧损、轻微露铜（见图5b）。c相铁心具有明显电弧放电痕迹，与熔断的电磁线位置相符，可以判断绕组与铁芯发生高能量的击穿放电（见图6）。由此可判断变压器在短路冲击时，上述绕线与铁芯之前发生高能量的电弧放电，在高温和电弧的作用下，出现烧损、断股。热性故障和高能量金属放电，产生大量的氢气、一氧化碳与烃类气体，从而导致重瓦斯动作。
4 结论
对变压器的出口短路故障分析，应综合考虑电气试验、油中溶解气体的色谱分析等因素。某一项试验结果正常与否并不能判断分析故障，应对实验项目结果综合分析，才能正确判断故障原因。
对发生出口短路故障的变压器，应进行频率响应法绕组及低电压短路阻抗法变形测试，通过本文分析，此种方法是判断绕组变形的有效方法，本次返厂解体结果与实验结果吻合。
变压器有一定的承受短路的能力，但当变压器本身存在薄弱环节或缺陷，短路电流又较大时，容易发生绝缘损坏和绕组变形。因此，变压器出厂时应进行严格的抗短路能力试验，对于有设计缺陷的老式变压器应尽快加以改造，以提高其抗短路能力。
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2014年6月6日，某变电站一条10kv出线1#杆a相避雷器击穿，造成线路a相直接接地。10kv乙母线pt因a相直接接地，b、c两相电压升高，pt发生铁磁谐振，b相pt爆炸，造成10kv乙母线短路。乙变低后备保护复压过流i段i时限保护启动（动作逻辑是时限0.3s调分段90开关，当时运行方式是90在断开位置，10kv甲、乙母线分列运行），乙变低后备速度保护启动（动作逻辑是时限0.3s调分段90开关，当时运行方式是90在断开位置，10kv甲、乙母线分列运行），本体轻瓦斯发告警信号，本体重瓦斯动作，变压器两侧开关跳闸。变压器型号为sfz11-31500/110，接线组别为ynd11，短路阻抗为10.65%，该产品为2007年产品。
2 变压器试验分析
2.1 油中溶解气体色谱分析
电力变压器油中溶解气体色谱分析结果如表1所示。重瓦斯动作后，瓦斯气样折算到油中的理论值大大高于油样值，一氧化碳、二氧化碳及总烃明显超标，这些碳的氧化物的产生可能与变压器结构中某些含碳材料涉及故障有关，初步判断变压器经短路冲击故障后内部存在热性故障，可能为涉及固体绝缘热性故障。除此之外，氢气、甲烷、乙炔、乙烯明显超标，三比值法对应编码102，说明变压器内部存在高能量电弧放电，并有金属性放电。
2.2 绕组介质损耗与电容量
由表2可发现，低对高及地和低、高对地的电容量与出厂值比较有明显变化，超过了规程规定的5%的警示值。通过分解电容量试验数据进一步分析变压器绕组变形情况见图1.通过分解得到数据如表3所示，根据公式c=εa/d，tgδ增加，ε增加，ch减小，说明d增大，进而可得出高压绕组向内凹陷[3]。
2.3 直流电阻试验
变压器绕组的直流电阻测试是变压器试验中既简单又重要的试验项目（如表4所示）。直流电阻测试结果显示，低压绕组直流电阻正常；而高压绕组各分接直流电阻明显超标。三相直流电阻互差均达到了3.4%~3.77%，超出了2%的状态检修试验规程要求。其中a相绕组直阻值较b、c两相较小。结合油中溶解气体色谱分析结果，变压器内部可能存在高能量的电弧放电，因此怀疑高压a相可能存在匝间、层间短路等现象。
2.4 绕组变形测试
分别利用频率相应法及低电压短路阻抗法对变压器进行绕组变形测试，通过测试结果掌握变压器经过短路冲击后绕组变形情况。
（1）频率响应法
在较高频率的电压作用下，变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感与电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特性可通过传递函数描述。如果绕组发生变形，绕组内部的分布参数必然发生改变，导致其等效网络传递函数的零点和极点发生变化，使网络的频率响应特性发生变化。用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异，判断变压器可能发生的绕组变形[2]。
图1为变压器低压绕组频率响应特征曲线，中频段（100~600khz）和高频段（＞600khz）均出现了明显的三相不一致，数据显示低压绕组可能发生了明显变形，且以绕组扭曲、鼓包等局部变形现象为主。图2为变压器高压绕组的频率响应特性曲线，从图中可以发现，低频段（1~100khz）有明显的三项不一致，由数据显示高压绕组可能存在严重变形，且以匝间或饼间短路故障为主，通常预示高压绕组的电感发生改变。结合高压绕组的直流电阻不合格，可判断高压绕组发生了严重变形。
（2）低电压短路阻抗法
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3 返厂吊罩检查结果分析
通过综合考虑电气试验、油色谱分析及变压器抗短路能力不足等问题，判断该变压器可能涉及固体绝缘热性故障，存在高能量电弧放电，并有金属性放电；高压绕组与低压绕组存在变形等故障；高压a相有可能存在匝间、层间短路等现象。具体情况需要返厂吊罩检查，进一步确定存在问题。
吊罩之后发现，高压a相线圈最下部3层出现明显波浪式内收变形见图3a.进一步分析认为，变压器由于短路电流冲击时，在短路电动力的作用下，受到了强烈幅向收缩力，轴向受力较小造成。除此之外，绝缘纸严重处碳化、烧毁发黑，造成线圈露铜，发生股间短路、匝间短路及层间短路，尾屏对应线圈受力最严重位置已破损并发黑，因匝间绝缘烧毁而导致击穿，具体情况见图3b.此处可能在故障时发生短路、产生电弧放电，短时间内产生大量的热量，无法及时散出，绕组温度急剧上升，以致油纸绝缘烧损[4]。
低压a相整体存在较明显的内陷变形，导致撑条掉落；绕组底部层压纸板下垫块发生明显位移。表明在发生故障时整个绕组受到了强烈的幅向收缩力，绕组挤压变形，此种现象符合一般规律。绕组上部有纸绝缘炭化痕迹，油纸绝缘存在破损情况，有轻微露铜，但无股间短路。表明变压器在短路冲击故障时该点受到热量较少。
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4 结论
对变压器的出口短路故障分析，应综合考虑电气试验、油中溶解气体的色谱分析等因素。某一项试验结果正常与否并不能判断分析故障，应对实验项目结果综合分析，才能正确判断故障原因。
对发生出口短路故障的变压器，应进行频率响应法绕组及低电压短路阻抗法变形测试，通过本文分析，此种方法是判断绕组变形的有效方法，本次返厂解体结果与实验结果吻合。
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