一起變壓器雷擊損壞故障的分析

何 敏

（臺州電業(yè)局，浙江 臨海 317000）

一起變壓器雷擊損壞故障的分析

何 敏

（臺州電業(yè)局，浙江 臨海 317000）

通過對一起連續(xù)雷擊引起變壓器短路損壞的故障現(xiàn)象、檢測數(shù)據(jù)、損傷部位的分析，認為繞組結(jié)構(gòu)、材料選用不合理，特別是繞組支撐件過短起不到支撐作用，是造成變壓器動、熱穩(wěn)定性能降低，導致變壓器故障損壞的主要原因，指出了變壓器沖擊短路試驗方法與實際 “保所用電”運行方式有區(qū)別。計算說明變壓器出口短路時，流過變壓器的短路電流并列運行往往比分列運行低。

連續(xù)雷擊；變壓器；繞組；支撐件；措施

變壓器是電網(wǎng)中的重要設(shè)備，它的安全可靠運行，直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。隨著電網(wǎng)的不斷擴大，系統(tǒng)短路電流越來越大。由于變壓器繞組受到的短路沖擊力與短路電流平方成正比，短路沖擊力增大幅值比短路電流大得多。所以制造廠已在材料、工藝、結(jié)構(gòu)上采取各種措施，提高變壓器承受短路能力，電力部門則通過調(diào)整運行方式、提高變壓器短路阻抗，變壓器低壓出線加裝小電抗等方法，降低變壓器短路電流，有效地控制了變壓器短路損壞故障。但連續(xù)雷擊引起變壓器損壞故障仍有發(fā)生，以下對一起變壓器雷擊損壞事故作一分析。

1 故障情況

某變電站1號主變，型號SFSZ9-150000/ 220，連接組別Ynyn0d11，低壓側(cè)采用無載調(diào)壓。2003年9月投運以來一直運行正常，故障前一天例行色譜分析無異常。故障時，1，2號主變?nèi)齻?cè)并列運行，1號主變高中側(cè)中性點接地，2號主變不接地。14∶37變電站區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)強雷暴天氣，14∶41-14∶44變電站1.2 km區(qū)域內(nèi)落雷9個，最大雷電流達82.3 kA，其間35 kV線路跳閘4次，累計短路時間497 ms；110 kV線路跳閘2次，累計短路時間150 ms；14∶43 220 kV 1號主變本體重瓦斯保護及二套差動保護動作，三側(cè)開關(guān)跳閘。

從故障錄波圖分析，故障過程主要分3個階段：第一階段，從14∶37∶23開始到14∶40∶40結(jié)束，在3 min 17 s時間內(nèi)，35 kV線路發(fā)生4次三相短路故障，流過1號主變35 kV側(cè)的最大短路電流7.169 kA，短路總時間497 ms。第二階段，14∶43∶33，110 kV曙嶺線發(fā)生單相接地故障，流過1號主變110 kV側(cè)相電流為6.540 kA，短路時間74 ms；經(jīng)220 ms后，110 kV曙太線發(fā)生二相接地故障，流過1號主變110 kV側(cè)相電流為4.021 kA，短路時間76 ms。同時，110 kV曙嶺線遭重復(fù)雷擊，C相開關(guān)斷口重擊穿，20 ms后絕緣恢復(fù)。第三階段，14∶43∶33，1號主變高、中后備保護正確啟動，經(jīng)過28 ms后，主變差動保護啟動（見圖1），這時35 kV側(cè)B，C相已出現(xiàn)不斷增大、相位相反的故障電流，根據(jù)磁勢平衡關(guān)系可知，電流和繞組匝數(shù)成反比，電流增大，則繞組匝數(shù)減少，說明低壓C相線圈存在匝間短路，447 ms后110 kV側(cè)B相電流突然增大，說明中壓B相線圈存在匝間短路，差動保護動作切除1號主變。

圖1 主變差動保護故障錄波圖

2 檢查分析

2.1 短路電流計算與試驗分析

通過對1，2號主變?nèi)齻?cè)并列運行、中壓側(cè)并列低壓側(cè)分列運行，中壓側(cè)分列低壓側(cè)并列運行三種方式下，中、低壓出口處短路時，流過三側(cè)的短路電流計算分析可知，三側(cè)并列運行時，流過中、低壓側(cè)的短路電流最小分別為6.637 kA和9.170 kA；中壓側(cè)分列低壓側(cè)并列運行時，流過中壓側(cè)短路電流最大為8.577 kA；中壓側(cè)并列低壓側(cè)分列運行時，流過低壓側(cè)短路電流最大為13.685 kA；計算表明，變壓器并列運行出口短路時，流過變壓器的短路電流往往比分列運行低。

檢測1號主變?nèi)齻?cè)避雷器、各母線避雷器正常，變電所接地電阻、接地導通正常，雷雨期間220 kV動作3相次，35 kV避雷器動作5相次，110 kV避雷器沒有動作。油、氣色譜數(shù)據(jù)異常見表1，用三比值法分析內(nèi)部存在高能放電故障。變壓器電氣試驗數(shù)據(jù)見表2，試驗結(jié)果表明中壓B相線圈直流電阻偏大，相間差達3.54%，說明線圈存在斷股或接觸不良故障。B相中對低和高對低短路阻抗偏小，相間差分別達 11.99%，2.51%，說明中壓線圈變形，很可能存在匝間短路故障。低壓線圈于鐵芯之間的絕緣電阻為零，說明低壓線圈絕緣已損壞。

2.2 變壓器解體分析

變壓器內(nèi)部油中有大量游離碳，底部有電弧燒灼脫落的碎絕緣紙，瓦斯繼電器內(nèi)部有氣體。

變壓器返廠檢查發(fā)現(xiàn)：B相中壓線圈中部在低壓分接區(qū)對應(yīng)位置上，即下數(shù)上33-57線餅間軸向扭曲變形嚴重；在A，B相間對應(yīng)位置，有匝間短路形成的黑斑；線圈下數(shù)上1-4及6-9線餅間對應(yīng)線圈出線位置，有輕微幅向突出變形，上數(shù)下9-29線餅在A，B相間對應(yīng)位置，有幅向突出變形（見圖2）；A相中壓線圈中部，在低壓分接區(qū)對應(yīng)位置上，即下數(shù)上29-55餅間導線絕緣有破損、露銅現(xiàn)象；下數(shù)上1-20線餅間對應(yīng)線圈出線位置，有輕微幅向突出變形。C相中壓線圈與A相相同的位置上，餅間導線絕緣破損，局部有漏銅現(xiàn)象。三相線圈底部鐵軛絕緣墊塊過短，低壓線圈內(nèi)部部分線匝底部無支撐，最下一餅部分無支撐線匝下墜，其中C相最嚴重 （見圖3），B相次之，A相最輕。C相低壓線圈底部第1餅 向下塌陷、導線嚴重變形且有6根導線燒斷，下端圈斷裂破碎，電磁線與鐵心連通，扭曲變形嚴重、有明顯的鋸齒狀勒痕。B相低壓線圈上半部部分油隙墊塊有壓傷痕跡。C相鐵心柱與下鐵軛連接處，除旁軛側(cè)的第4-6級鐵心沒有損傷外，其他級均有不同程度損壞。二側(cè)拉板與下夾件連接處局部灼傷損壞，有黑色痕跡。

表1 變壓器油色譜分析數(shù)據(jù)

圖2 中壓B相線圈上部和中部變形

3 修復(fù)措施及運行建議

3.1 故障原因及修復(fù)

由于低壓線圈采用中部調(diào)壓，所以低壓分接區(qū)對應(yīng)的中壓線圈中部及各線圈端部幅向漏磁大，這些部位線圈受到的軸向力也大。又由于變壓器中低壓線圈采用普通換位電磁線，機械強度低，低壓線圈內(nèi)部部分線匝底部無受力支撐點。變壓器運行后，在中低壓區(qū)外短路電流的不斷沖擊下，中壓線圈中部區(qū)域及低壓線圈底部逐漸變形。故障時線路遭受連續(xù)雷擊，形成的過電壓和短路電流多次沖擊變壓器，C相低壓線圈底部首先損壞，線圈匝間短路并對鐵心及夾件擊穿放電。緊接著B相中壓線圈中部發(fā)生匝間短路，變壓器本體重瓦斯保護和差動保護動作，三側(cè)開關(guān)跳閘。因此，故障原因是：由于變壓器材料及工藝不過關(guān)，動、熱穩(wěn)定性能達不到要求，在雷擊和短路電流的雙重作用下，主變中、低壓線圈失穩(wěn)、變形，進而發(fā)展成匝間短路故障。

根據(jù)故障原因，采取了針對性的修復(fù)措施，在考慮高、低壓都有電源的運行方式下，對變壓器動、熱穩(wěn)定承受能力重新進行設(shè)計、計算驗證；更換所有中、低壓線圈，電磁線采用半硬自粘性換位導線，提高線圈的機械強度；取消低壓分接頭及無載開關(guān)，加長線圈底部鐵軛絕緣墊塊，改善各線圈受力情況；更換損傷的鐵心片及損壞的絕緣件。修復(fù)后的變壓器到目前為止運行情況良好。

3.2 運行建議

GB 1094.5-2003《電力變壓器第5部分：承受短路的能力》規(guī)定220/110/35 kV電壓等級的系統(tǒng)短路視在容量分別為18000/9000/1500 MVA變壓器的動穩(wěn)定要求：應(yīng)能承受短路視在容量作用下，出口短路時流過變壓器三側(cè)最大暫態(tài)短路電流的沖擊。目前國內(nèi)大容量三繞組變壓器的動穩(wěn)定承受能力驗證方法，是在高壓加壓中、低壓分別三相短路的情況下，每相進行三次短路沖擊試驗，每次試驗的持續(xù)時間為0.25 s。而變壓器實際使用中，為保證低壓所用電安全，低壓系統(tǒng)一般均有外來電源供電。所以根據(jù)國標提供的短路視在容量，對高壓有電源及高、低壓有電源二種情況下短路電流進行計算，結(jié)果見表3。

表2 變壓器電氣試驗數(shù)據(jù)

圖3 低壓C相線圈下部變形與鐵心短路

表3 變壓器各側(cè)短路電流計算值

計算表明：在高、低壓有電源而中壓短路時，高、中、低三側(cè)承受的短路電流最大。由于降壓變壓器中壓線圈處在高低壓線圈之間，根據(jù)磁勢平衡關(guān)系，高低壓線圈電流和中壓線圈電流方向相反，則高中壓線圈間的漏磁和中低壓線圈間的漏磁方向相反，中壓線圈受到的幅向電磁力方向相反。所以，這種情況下高低壓線圈承受的電磁力最大，中壓線圈受到的幅向電磁力較小，但端部及低壓分接對應(yīng)區(qū)域受到的軸向電磁力最大，受力情況比變壓器動穩(wěn)定驗證時嚴重得多。

因此，建議低壓外來電源應(yīng)采用“備自投”方式供電，僅在所用電消失時自動接入電網(wǎng)，這樣既能保證所用電安全，又能使變壓器不致于受到更大短路沖擊力。

4 結(jié)論

（1）在保證供電可靠性的前提下，應(yīng)對變壓器各種運行方式下的短路電流進行綜合分析計算，選用流過變壓器短路電流最小的方式運行。計算表明，變壓器并列運行時短路電流最小。

（2）保所用電的低壓外來電源，應(yīng)采用“備自投”方式供電，僅在所用電消失時自動接入電網(wǎng)，這樣既保證所用電安全，又能使變壓器受到的短路沖擊力和出廠動穩(wěn)定驗證時相同。同時建議驗證部門采用更加符合實際運行情況的試驗方法。

（3）制造廠應(yīng)在設(shè)計、材料及工藝上全面提高變壓器的短路承受能力，計算動、熱穩(wěn)定承受能力時，應(yīng)與變壓器的實際運行情況相同。

（4）取消變壓器低壓分接頭，改善線圈受力情況，降低軸向力，合理選擇變壓器三側(cè)額定電壓，配用低壓電容器，使運行電壓在允許范圍內(nèi)。

（5）裝設(shè)出線間隔保護避雷器，防止雷擊引起開關(guān)重擊穿及間隔內(nèi)設(shè)備損壞。提高線路防雷能力，降低雷擊跳閘率，減少短路故障的發(fā)生。在惡劣天氣時，退出線路保護重合，降低短路電流沖擊次數(shù)。

[1]DL/T 596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1997.

[2]DL/T 722-2000變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].北京：中國電力出版社，2001.

[3]GB 1094.5-2003電力變壓器第五部分：承受短路的能力[S].北京：中國標準出版社，2003.

[4]A C夫蘭克林，D P夫蘭克林.變壓器全書[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

（本文編輯：楊 勇）

Fault Analysis for Lightning-damaged Transformer

HE Min

（Taizhou Electric Power Bureau,Linhai Zhejiang 317000,China）

Through the analysis ofthe phenomena,detection data,damage position ofthe transformer short circuit fault caused by successive lightning strikes,it is found that it is mainly resulted from unreasonable winding structure and material selection,especially because the winding support is so short that it can not achieve adequate support and weakens the dynamic and thermal stability of the transformer.This paper points out that the method of transformer short-circuit impact test is different from the actual operation mode which ensures the auxiliary power.The calculation shows that the short circuit current flowing through the transformers in parallel operation is usually lower than that in independent operation.

successive lightning strikes；transformer；winding；support；measures

TM406

B

1007-1881（2010）09-0019-04

2010-06-04

何 敏（1961-），男，浙江臨海人，工程師，長期從事電網(wǎng)調(diào)度管理工作。