直流电阻和绝缘电阻对变压器运行状态的影响及故障判断研究*

苏佳伟，陈恳

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

变压器是供配电系统中的重要设备，其运行状态直接影响到供配电系统的安全、质量和效率，通过定期开展预防性测试，实时掌握运行状态和潜在故障并及时维护保养，合理确定变压器投入数量和配置三相负载，对保障供配电系统运行安全和提高运行效率具有重要意义[1].直流电阻和绝缘电阻对变压器运行状态的影响已被广泛研究[2-8]，本文以在用10 kV变压器作为测试对象，实际测量变压器直流电阻和绝缘电阻，分析三相不平衡率，配合开展交流耐压试验和接地电阻测试，为变压器的故障预判及安全使用提供实验依据和预防性测试案例分析.

1.1 直流电阻测试要求及三相不平衡率的计算

电力变压器低压绕组的直流电阻由绕组电阻、引线电阻、中性线电阻和接触电阻构成，高压绕组的直流电阻由绕组电阻、引线电阻、匝数电阻和接触电阻构成[2].变压器绕组直流电阻三相不平衡率计算式为

(1)

式中，Rmax为直流电阻三相测量值的最大值；
Rmin为直流电阻三相测量值的最小值；
Rav为直流电阻三相测量值的平均值.

1.2 绝缘电阻的测试原理及要求

绝缘电阻是电气设备绝缘层在直流电压作用下呈现的电阻值，等于泄漏电流流过时的阻值，大小与绝缘内部是否受潮以及表面是否清洁等因素有关[9].根据直流电路的欧姆定律，绝缘电阻计算式为

(2)

式中,R为当电容充电电流和吸收电流都衰减到趋近零时的绝缘电阻阻值；
U为测试绝缘电阻时施加的直流电压；
I为测试绝缘电阻时施加直流电压U后流过的总电流.

当测量温度与产品出厂试验时的温度不一致时，变压器绝缘电阻的温度换算系数[10]

(3)

式中，A为温度换算系数；
K为实测温度值(℃)减去20的绝对值.校正到20 ℃时的绝缘电阻值计算应满足下列要求：

当实测温度为20 ℃以上时，取

R20=ARt;

(4)

当实测温度为20 ℃以下时，取

R20=Rt/A;

(5)

式中,R20为20 ℃的绝缘电阻值；
Rt为实测电阻值；
A为温度换算系数.

2.1 实验器材

1)树脂浇注干式变压器9台，产品标准符合GB1094.11 IEC60076-11，型号均为SCB10-800/10.5，绝缘等级F级，联结组标号Dyn11，投入使用日期为2009年；

2)直流电阻测试仪器为YR-05N变压器直流电阻测试仪；
绝缘电阻测试仪器为YD-6805智能型绝缘电阻测试仪；
接地电阻测量仪器为FSYB-D型一频电网接地电阻测量仪；

3)变压器输出电压监测使用Acrel PZ80智能电测表，电流互感器变比为2 000∶5.

2.2 实验设计

实验一：变压器直流电阻测量及三相不平衡率分析

测试条件:晴，测量温度:8～13 ℃，相对湿度:52%～61%，分别测量高压侧A、B、C三相线间直流电阻RAB、RBC和RAC,及低压侧各相对中性点o的直流电阻Rao、Rbo和Rco，并转换为20 ℃下标准电阻值.

实验二：变压器绝缘电阻测量及交流耐压试验

测试条件:晴，测量温度:8～13 ℃，相对湿度:52%～61%，分别测量耐压前和耐压后的绝缘电阻，将测得值换算为20 ℃下的绝缘电阻(R20).交流耐压试验采用外施高压耐压法，按出厂试验值80%(高压侧试验电压28 kV，低压侧试验电压4 kV)开展耐压试验，持续时间1 min.

实验三：变压器接地电阻测试

测试条件:晴，测试温度:8～13 ℃，相对湿度:52%～61%，测量完成后将测量阻值转换为20 ℃下标准值.

3.1 实验一

9台变压器的直流电阻值和三相不平衡率计算结果如表1，高压侧三相不平衡率均小于2%，低压侧三相不平衡率均小于4%，符合标准要求[11].

表1 变压器直流电阻及三相不平衡率分析Table 1 Transformer DC resistance and three-phase unbalance rate

对各相与中性点三相不平衡率较大的序号为1、7、8和9的变压器进一步利用Acrel PZ80智能电测表测量其带负载时的相电压和线电压，选取某天9:00—10:00监测数据，时间间隔15 min.计算三相电压与平均值的相对误差，并对5个监测时间点的相对误差求得平均值，分析变压器输出三相电压的平衡性.A相、B相、C相电压与平均值相对误差如图1所示，AB相、BC相、AC相电压与平均值相对误差如图2所示.可以看出，4台变压器相电压与平均值的差异在0.08%以内，线电压与平均值的差异在0.045%以内，表明变压器输出三相电压差异很小，输出三相电压平衡.

图1 相电压与平均值的相对误差Fig.1 Relative error between phasevoltage and average value

图2 线电压与平均值的相对误差Fig.2 Relative error between line voltage and

3.2 实验二

变压器耐压前后绝缘电阻测量数据和交流耐压试验结果如表2所示.可以看出，所有变压器高压侧绝缘电阻均大于10 000 MΩ，绝缘情况良好，但在低压侧序号为2、3、4、7和8的变压器出现了绝缘电阻值低于10 000 MΩ的现象，不符合标准要求[10].序号为4、7和9的变压器铁芯对地的绝缘电阻异常，需进一步监测.

表2 变压器绝缘电阻及交流耐压试验结果Table 2 Results of transformer insulation resistance and AC withstand voltage test

3.3 实验三

9台变压器接地电阻测试数据如表3所示，变压器实测接地电阻较小，表明接地状态良好，符合≤0.5 Ω的标准要求[10].

表3 变压器接地电阻Table 3 Transformer grounding resistance

测试变压器自投入使用至今已达12 a，通过实验一测量直流电阻，分析变压器三相不平衡率，观察变压器三相输出电压，结果说明测试变压器绕组、开关和套管之间引线的连接状态良好，绕组匝间不存在短路故障，对变压器三相电压输出的相对误差分析进一步证明变压器输出状态正常.但随着使用时间的增长，因焊接氧化、连接松动等导致接触不良、绕组缺陷而出现三相不平衡，会导致变压器相间或相与地间产生循环电流，增加变压器的附加损耗，甚至导致变压器的不对称运行.

实验二和实验三表明变压器耐压前后高压侧绝缘电阻状况良好，接地状态良好.但部分变压器低压侧绝缘电阻低于标准值，说明该部分变压器存在绝缘缺陷.有3台变压器存在铁芯绝缘电阻偏低的问题，会增加变压器自身损耗，存在诱发多点接地导致变压器接地电流增大，造成接地环流，引发变压器局部发热和损坏的可能，需加强监测.