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摘要： 为实现在变电站现场对变压器股间短路故障进行有效诊断，尤其是变压器发生内部故障后，常规试验及诊断试验无法有效甄别故障类型时。本文对提升现场变压器损耗测试效果开展研究，即通过调节电容器，实现在工频下与变压器阻抗产生谐振，增大输入电流，在变压器相间体现出明显的损耗差异，来确定变压器绕组回路上的股间短路缺陷，使得故障排查及处理更具有针对性，也为后续的故障处理提供思路。

关键词：电容补偿、变压器、损耗、测试技术

背景介绍

近年来，大型油浸式变压器在运行中经常发生乙炔、总烃等油色谱异常增长或超标告警的情况，但在停电后进行诊断试验甚至排油内检却无法查明具体原因。以某500kV变电站3号主变C相为例，在2021年6月8日因总烃和乙炔的突增被紧急拉停（总烃增长至456.41uL/L，乙炔增长至0.51μL/L），停运后进行低压空载、小电流短路阻抗、局放试验等一些列诊断性试验，均却未见明显异常。这一方面在于油中烃类成分异常的原因很多，如内部悬浮放电、中高温过热等，另一方面在于在变电站现场能够有效开展的诊断性试验较少，诊断能力有限；经过厂内解体检查，发现该站3号主变C相是一起典型的股间短路缺陷，但从该缺陷的处理过程来看，在变电站现场，当前的试验仪器和试验方法难以对股间短路故障有明确的指向性。

一、研究思路概述

大容量油浸式变压器的线圈常采用导线并联绕制的方式，既包括自粘换位导线并联形成的单股，也包括多个单股之间并联绕成的多股，并联导线（即股与股）之间的绝缘由绝缘纸包裹导线而成，容易因绝缘破损而造成局部接触形成股间短路现象。股间短路在线圈的短路处形成局部过热，会降低变压器的绝缘强度，产生局部放电，增加运行损耗，从而缩短变压器寿命，甚至导致变压器故障。

变压器运行时经常遇到变压器股间短路问题，但没有很好的办法给予准确判定，因为股间短路将原来首尾并联的两股导线在中间通过短路点形成两个短路环，在运行上没有十分明显的故障特征，对变压器的影响可通过长期局部过热效应反映出来的，比如通过油中烃类成分的增长，但股间短路实质的影响与金属构件的局部过热相似，很难区分这两种故障的区别。现场诊断性试验除常规的绝缘电阻、电容量介损和直阻试验外，还进行低压空载、小电流短路阻抗、局放试验等试验等，对于空载试验，空载运行时变压器漏磁场很小，由于股间短路基本不影响绕组总阻抗，不会影响空载电流的值，因此空载试验对变压器线圈的股间短路故障并无效果；同理，对于带局部放电的感应电压试验，故障点一般不会产生悬浮电位，局放波形往往也难以奏效；股间短路会造成局部过热，在短路损耗方面会有体现，但在变电站现场，一般开展的是小电流的短路测试，高压侧施加电流一般不超过5A，与额定电流相差较远，其相间差距也不明显。因此，当前对于在变电站现场实现对变压器股间短路故障的诊断研究还很少，其相关的技术手段有限。

目前大型油浸式变压器股间短路的故障诊断主要通过负载损耗试验来甄别，当前变压器负载损耗测试一般是在绕组对中进行，如高-中，高-低等，在其中一侧短路，另外一侧施加交流电压所测得的损耗值，在变压器制造厂内，可通过发电机和中间变压器升压，获得较大的测试电流（一般不低于额定电流的50%），但在变电站现场，受限于检修电源的容量，调压器调压无法获得较大的测试电流，因此笔者提出了通过补偿电容器与变压器阻抗谐振的方式来增大测试电流，即设计一种带电容补偿的变压器损耗测试装置。从变压器股间短路的故障特征来看，相互短路的两股或多股间的接触电阻情况，与变压器损耗也并非完全线性关系，简言之，短路阻抗受漏磁通在绕组上匝链而成，会因股间短路结构的改变而有所变化，因此负载损耗会受到阻抗（频率）以及接触电阻的影响。基于以上问题，需要开展变压器的典型阻抗参数调研，同时分析负载损耗与变压器股间短路故障特征之间联系。

二、变压器负载损耗与股间短路故障特征分析

股间短路在线圈的短路处形成局部过热，会降低变压器的绝缘强度，产生局部放电，从而缩短变压器的寿命，甚至导致变压器故障。为了从原理上弄清楚股间短路对变压器负载损耗的影响，以便提出有效的试验手段在变压器故障诊断时正确判定股间短路现象，并进一步确定短路的类型和短路点的位置。笔者利用试验仓库一台旧配电变压器进行模拟分析。

待分析变压器型号为S11-M-100/10，额定容量100kVA 额定电压10±2×2.5％/0.4kV额定电流5.8/144.3A短路阻抗3.81％连接组别Dyn11。下表中列出了无股间短路和存在不同类型股间短路的变压器在短路实验情况下，高低压线圈电流和单相基本损耗。

根据试验数据可以总结以下推论：

1）存在股间短路时，高低压线圈中的电流略有增加；

2）高压线圈中的股间短路所引起的损耗和过热要比低压线圈中的股间短路稍微严重一些。

3）测试电流越高，短路损耗体现的故障问题越明显。

三、变压器的典型阻抗参数调研以及电容补偿配置

根据第二小节的推论，明确了在现场提高试验测试电流的必要性。对此，笔者通过对常见变压器的阻抗参数开展调研，并以此探索电容补偿范围值。为缩小研究范围提升试验针对性，该调研仅对特高压站站内1000kV变压器开展阻抗参数计算研究，选取高压对中压绕组对进行调研分析，统计数据显示，目前特高压站内主变短路阻抗（高压对中压）设计值均在17.5%左右浮动。故笔者以某站1号主变为例，计算出达到所需最大电流（100A）时所需补偿的电容值以及相应的配套设备参数，如下表所示：

四、基于电容补偿的变压器损耗测试方案

由于测量变压器负载损耗时，需要的电压高、容量大，所以需要的设备体积比较大，现场试验比较困难。同时试验时消耗的功率主要都是无功功率，因此提出本方案所描述的引入高压并联电容器，以并联谐振的方式测量，降低主功率设备的体积和重量，其中电容器补偿容量采用第三节分析数据。

本方案的主要组成部分有：调压器，升压试验变压器，电容器，电压互感器，电流互感器，变压器损耗测试仪以及被试品。主功率部件为调压器和升压试验变压器。调压器输入接380V交流电，输出接升压试验变压器低压，升压试验变压器的高压作为输出接并联电容器和被试变压器的并联回路。经过匹配的并联电容器会尽可能的接近谐振值，可以达到整个并联回路的“阻抗无穷大”这个目标，使升压试验变压器的高压电流尽可能的小，以减小实验变压器的容量。

但是太精细的去匹配并联电容器又会导致电容器个数太多，同样也增大了整体试验设备的体积和操作的复杂性，所以需要综合考虑“电容体积”和“升压试验变容量”来寻找最合适的平衡点。

五、测试技术总结

本文通过试验模拟手段找出变压器负载损耗与股间短路故障特征之间联系，再针对某一类型变压器进行典型参数分析，提出了引入高压并联电容器，以并联谐振的方式提升现场短路试验测试电流，从而提高故障排查的准确性。解决了在常规试验和其他诊断试验项目无法确定故障类型时，由于测量变压器负载损耗时的电压高、容量大而需要的设备体积比较大，导致现场试验比较困难的问题，更具针对性的对故障进行及时的排查及处理。

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