一起 10kV 配电变压器绕组缺陷诊断和分析

姜楠，高贺，石海鹏，王秀丰，陈旭

摘要：采用电气试验的方法对一台送检的配电变压器缺陷问题进行诊断，得出该变压器的缺陷是变压器低压侧bo相绕组首尾短路的判断，通过PSCAD软件仿真验证了该判断的合理性，对变压器进行吊芯检查，确定故障为低压侧bo相绕组首尾引出线破损短路，并验证了前述判断的正确性。

关键词：变压器；绕组短路；电气测试；吊芯检查；磁场耦合

Diagnosis and analysis of a 10kV distribution transformer winding defect

JIANG Nan, GAO He, SHI Haipeng, WANG Xiufeng, CHEN Xu, YAN Sitong

(State Grid East Inner Mongolia Electric Power Research Institute, Hohhot, 010020)

Abstract: Using electrical test method to diagnose the defect of a distribution transformer submitted for inspection, it is concluded that the defect of the transformer is the short-circuit of the bo winding on the low voltage side of the transformer. PSCAD software simulation verifies the rationality of this judgment. The transformer was checked by hanging core, and the fault was determined to be a short-circuit of the bo winding head and tail lead wire, and the correctness of the foregoing judgment was verified.

Keywords: transformer; winding short circuit; electrical test; hanging core inspection; magnetic field coupling

0 引言

变压器是重要的电能变换设备^[1]，变压器的可靠运行是电网安全稳定运行的重要基础，但由于雷电冲击过电压，近区线路短路故障过电流，分合闸线路过电压，绝缘介质损坏等原因，变压器故障频繁发生，而变压器的主要故障大多是由于以上原因引起的绝缘破坏导致绕组短路^[2]。本文采用电气测试，仿真分析以及吊芯检查相结合的方式^[3]，对一台送检配电变压器在检测中发现的问题进行诊断与分析，找出缺陷点，并为类似问题提供借鉴。

1 变压器参数及缺陷情况

该缺陷变压器为油浸式非晶合金铁心配电变压器，主要参数如表1所示。

表1 变压器参数

变压器参数	数值
产品型号	SBH15-M-100/10
额定电压	10000±2×2.5%/400V
额定容量	100kVA
连接组别	Dyn11
冷却方式	ONAN
额定频率	50Hz
短路阻抗	4.16%

检测过程中，先后对该变压器进行了绕组直流电阻测量，绝缘电阻测试，绝缘油耐压测试，负载试验，变比测试等检测，测试结果均符合标准。在变压器低压侧进行空载试验加电压时，试验平台告警提示三相电压电流不平衡，过流保护并跳闸。随后，对该变压器进行电气测试诊断。

2 试验分析

将变压器低压侧短路，在高压侧加额定电流进行负载试验，负载试验结果如表2所示。与规程规定值对比，负载试验结果符合规定。

表2 变压器负载试验结果

实验结果	规程规定值	实际测试值
短路阻抗（%）	3.6-4.4	4.17
短路损耗（kW）	≤1.58	1.55

测试变压器低压侧ao，bo，co三相直流电阻，测试仪器的测量误差小于1%。空载试验前后测试结果对比如表3所示，空载试验前后ao和co绕组直流电阻变化率均在设备的测试误差范围之内，空载试验后，三相直流电阻不平衡，bo绕组直流电阻明显降低，推测原因可能是低压侧bo绕组发生短路故障，导致bo相直流电阻明显减小。

采用变比测试仪进行变压器三相变比测试，测试仪告警提示过流保护，推测原因为某一相绕组短路引起。采用变比测试仪的单相变比测试功能进行测试，测试结果如表4所示。测试结果表明，在高压侧端子短路情况下的变比测试中，只有在高压侧BC相被短路的情况下，才能得出正确的测试变比。因为变比测试仪的测试原理是在高压侧加电压，测试低压侧电压，将高压侧电压与低压侧电压作比较得出变比，由于加压侧在高压侧，因此推测高压侧BC相绕组短路，导致测试仪加压时出现过流保护。

表3 低压侧绕组直流电阻测试结果

	直流电阻（mΩ）
测试时间	ao	bo	co
空载试验前	7.728	7.777	7.807
空载试验后	7.731	6.095	7.802

在高压侧端子不短路情况下进行单相变比测试，当高压测试端为AB端子时，相当于高压侧BC绕组和CA绕组串联并和AB绕组并联，当AB端施加电压为U时，如果BC绕组和CA绕组无故障，则BC绕组和CA绕组电压均为U/2，且与AB电压反相，则在低压侧ao，bo，co将感应出幅值分别为 ， ， 。实际测试结果表明，高压侧BC相绕组可能存在短路的情况，BC绕组未分压，CA绕组分担全部电压，导致在低压bo绕组无法感应出电压，低压co绕组感应出与ao绕组相同的电压，使得AB/bo变比增大，AB/co变比减小。

表4 变压器单相变比测试结果

加压端子	短路端子	测量端子	正确变比参考值	测试结果
AB	CA	AB/ab	21.65	过流保护
AB	CA	AB/bc	43.30	过流保护
AB	CA	AB/ca	43.30	过流保护
AB	CA	AB/ao	43.30	过流保护
AB	CA	AB/bo	43.30	过流保护
AB	CA	AB/co	较大数值	过流保护
BC	AB	BC/bc	21.65	过流保护
BC	AB	BC/ab	43.30	过流保护
BC	AB	BC/ca	43.30	过流保护
BC	AB	BC/ao	较大数值	过流保护
BC	AB	BC/bo	43.30	过流保护
BC	AB	BC/co	43.30	过流保护
CA	BC	CA/ca	21.65	21.65
CA	BC	CA/ab	43.30	43.30
CA	BC	CA/bc	43.30	43.30
CA	BC	CA/ao	43.30	43.30
CA	BC	CA/bo	较大数值	11406
CA	BC	CA/co	43.30	43.30
AB	不短路	AB/ao	43.30	43.30
AB	不短路	AB/bo	86.60	11600
AB	不短路	AB/co	86.60	43.30

使用交流电压源在高压侧AB端子加交流电压，测试AC，BC端子电压，测试结果如表5所示，测试结果表明高压侧BC相绕组或低压侧bo绕组发生短路故障，因此才会得出BC绕组和bo绕组无电压的测试结果。

表5 变压器加交流电压测试结果

加压端子	加压电压值	测试端子	正确测试结果参考值	测试结果
AB	30V	AC，BC，bo	15V，15V， V	30V，0V，0V

测试高压侧和低压侧三相电感，测试结果如表6所示，高压侧BC绕组和低压侧bo绕组电感值明显降低，两绕组均表现出短路特征。测试高压侧AB，BC，CA三相直流电阻，三相电阻平衡，并且与空载试验前测试结果一致，这与BC相绕组短路的结论相违背，因为如果高压侧BC相短路，负载试验将过流，且三相绕组直流电阻将不平衡。

表6 变压器绕组电感测试结果

测试端子	测试结果
AB	30.9H
BC	0.437H
CA	30.8H
ao	17.7mH
bo	0.015mH
co	17.8mH

因此判断故障为低压侧bo相绕组短路，且为bo绕组首尾短路，而非绕组中的数匝绕组匝间短路，因为根据变比测试结果和变压器加交流电压测试结果，如果bo绕组中的数匝线圈匝间短路，绕组中仍有完好的线圈，BC和bo绕组都会感应出数值偏小的电压^[4]，而实际测试结果表明bo绕组未感应出任何电压。负载试验中，负载损耗满足规程规定，与无缺陷的正常变压器测试结果相符合，这是由于bo绕组首尾短路后，由于三相电流平衡，短路线近似为一个中性线，流过短路线上的电流为0，因此对负载试验结果无影响，如图1所示。bo绕组短路后，在高压侧BC绕组加电压，由于B相铁芯磁通无法流过，低压侧无法感生电压，因此高压侧BC端和低压侧bo端均表现为短路，这也就是进行变比测试和加电压测试时，高压侧BC绕组表现出短路现象的原因。

1. 正常变压器二次侧绕组接线图

b) 缺陷变压器二次侧绕组接线图

图1 变压器负载试验二次侧接线图

3 仿真分析

采用PSCAD软件搭建变压器空载和负载试验仿真电路，仿真中将高压侧BC绕组短路，在进行负载试验时，变压器过流，这与实际电气试验结果不一致。将低压侧bo相绕组短路，空载试验三相电压电流不平衡，负载试验可以正常进行，并且测试结果正确，这与实际电气测试结果一致，证明了上述判断的正确性。在bo绕组短路情况下，负载试验仿真电路图及仿真结果如图2和图3所示，负载试验三相电压电流平衡，短路阻抗百分数与铭牌值基本一致，空载试验仿真电路和仿真结果如图4和图5所示，三相电流不平衡且电流远大于额定值。

图2 负载试验仿真电路图

图3 负载试验仿真结果

图4 空载试验仿真电路图

图5 空载试验仿真结果

4 吊芯检查

吊芯检查发现变压器低压绕组绕线方式为“U”型绕线，低压引线的首端和尾端都从变压器上部引出，绝缘间距较小，因此判断故障是由于低压bo相绕组首端和尾端绝缘破损，搭接在一起，导致bo绕组首尾短路。

在测试低压绕组对地，高压绕组对地，高压绕组对低压绕组的绝缘电阻时，低压绕组对地无绝缘，由于变压器铁芯单点接地，解开铁芯与地之间的电气连接，分别测试低压绕组对铁芯和地之间的绝缘电阻，低压绕组与地有绝缘，低压绕组与铁芯之间无绝缘，因此低压绕组与铁芯短路。

如果不考虑低压bo绕组首尾引出线同时与铁芯短接的情况，则低压侧bo绕组和铁芯发生短路不是造成变压器高压侧和低压侧无感应电压的根本原因，因为变压器铁芯为单点接地，如果线圈中的一处由于绝缘破损与铁芯发生短路，不能形成闭合的短路回路，对变压器无影响；如果变压器中相近的几匝线圈由于绝缘破损与铁芯发生短路，铁芯中会有电流流过，对变压器的损耗和变比都会有影响，但不会出现变压器的一相绕组无法感应出电压的情况。因此变压器的高压侧B相和低压侧b相绕组无法感生电压的根本原因为变压器低压bo绕组首尾引出线由于绝缘破损而短接，由于低压侧bo绕组原为虚接，因此在空载试验前的测试中未发现问题，在空载试验加大功率时，原本虚接的绕组首尾引出线由于过热导致绝缘彻底破损而实接在一起，导致空载试验出现过流保护和三相电压电流不平衡的问题。

5 改进及建议

根据前述分析，该变压器缺陷主要是由于低压一相绕组首尾引出线短接在一起导致的，同时该变压器还存在绕组通过铁芯接地的问题。因此在变压器制作时，应加强制作工艺的管控和原材料的把关。

（1）优化非晶合金铁芯变压器设计。非晶合金铁芯变压器低压线圈与铁芯之间应增加环氧玻璃纤维筒作为支撑结构，提高线圈结构强度，减小线圈受力变形时对非晶合金铁芯的挤压，引起线圈与铁芯由于绝缘破损而短路。

（2）加强关键原材料的选用把关。层间绝缘宜选用大菱格点胶纸或等同材料，且须干燥固化，不得采用普通电缆纸；油道宜采用高密度纸板层压撑条，不应采用瓦楞油道。

（3）加强变压器在运输过程中的管控。运输过程中应避免变压器出现磕碰和挤压变形，这都是导致变压器出现绝缘破损的重要原因。

6 结论

本文通过电气试验，仿真分析和吊芯检查相结合的方法对一台缺陷变压器进行分析，确定变压器的缺陷为低压侧bo绕组首尾短路引起。由于变压器高压侧和低压侧同相绕组缠绕在同一铁芯，存在磁场耦合，低压侧绕组短路后，该铁芯柱无磁通流过，导致高压侧无法感生出电压，而变比测试仪等设备的加压侧为变压器高压侧，因此在试验过程中产生故障为高压绕组的假象，通过本文的分析可以为类似的变压器故障分析和处理提供参考。

参考文献：

1. 汤蕴璆. 电机学(第4版)[M]. 北京：机械工业出版社, 2011.

2. 谢云飞, 宋淑红, 郭建宏. 一起110kV变压器绕组绝缘故障的诊断与分析[J].山西电力, 2020(02):30-32.

XIE Yun-fei, SONG Shu-hong, GUO Jian-hong. Fault Diagnosis and Analysis of an 110 kV Transformer Winding Insulation Damage[J].Shanxi Electric Power, 2020(02):30-32.

3. 李建明, 朱康. 高压电气设备试验方法(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2001.

4. 颜景安,王家楷,陈建生.变压器匝间短路状态下变比模拟试验及故障侧的判断[J].电力技术,1991(01):71-73+16.

作者简介：姜楠（1993），男，内蒙古通辽人，本科，助理工程师，从事电网设备状态评价研究。