電力變壓器匝間短路故障分析及診斷

王永慧 楊致星

摘要：變壓器在電力系統(tǒng)中地位十分重要，必須最大限度地防止變壓器故障和事故的發(fā)生。但由于變壓器長期運行，故障和事故不可能完全避免。本文著重以一次鐵路供電變壓器事故為例，這次事故主要是由匝間短路故障引起的，從而對變壓器匝間短路故障進行分析和處理。最后提出維護變壓器正常運行的措施。

關(guān)鍵詞：變壓器 匝間 短路 故障

中圖分類號：U226.8+1文獻標識碼：A 文章編號：

1電力變壓器事故的經(jīng)過

2010年4月8日某電力設(shè)備檢修。檢修完畢，送電時，變壓器C相保險燒毀。更換了五六根保險也不行，后又更換避雷器還是送不上電。然后用儀器測試變壓器，測得變壓器高壓側(cè)B相和C相匝間阻值不夠。最終更換了變壓器。

2電力變壓器事故的原因

在英國人A.C.夫蘭克林和D.P.夫蘭克林編著的《變壓器全書》中敘述: “對一個時期以來近代變壓器所發(fā)生的擊穿事故所作的研究確實證明,變壓器損壞總量的70%～80%最終歸于匝間短路。

出故障的變壓器是揚州三力變壓器廠生產(chǎn)的S7-50/10，出廠日期是1996年7月。下面是使用期間測得的負荷數(shù)據(jù)表：

從上面的表中我們可以看出變壓器出現(xiàn)故障的其中的一個原因就是C相長期過負荷。下面分析一下變壓器故障的具體原因。

2.1過負荷

1．配電變壓器三相負載分配不均，導致三相電流不對稱、阻抗壓降不對稱、低壓三相電壓不平衡，這對用電設(shè)備是不利的。對于Y/Y0-12接線的變壓器，零線將出現(xiàn)零序電流，而零序電流引起的零序磁通在繞組中感應(yīng)出零序電勢使中性點位移。其中電流大的一相過負荷，使繞組絕緣損壞，而小的一相則達不到額定值，也影響了變壓器的出力。

2．當變壓器低壓側(cè)發(fā)生接地、相間短路時，將產(chǎn)生一個高于額定電流20～30倍的短路電流；此時高壓側(cè)要保持主磁通不變，必然要產(chǎn)生一個很大的電流抵消低壓側(cè)短路電流的去磁作用，此時線圈內(nèi)部將產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，導致線圈壓縮，短路故障解除后應(yīng)力也隨著消失。線圈重復受到機械應(yīng)力作用后，絕緣襯墊和墊板等就會松動脫落，鐵芯夾板螺絲也會松弛，高壓線圈會畸變或崩裂，另外也會產(chǎn)生高出允許溫升幾倍的溫度將變壓器燒毀。

2.2 繞組絕緣受潮

繞組絕緣受潮主要因為絕緣油質(zhì)不佳或油面降低導致，主要有以下幾種原因：

1．配電變壓器在未投入前，處于潮濕場所或多雨地區(qū)，濕度過高，潮汽侵入使絕緣受潮。

2．在儲存、運輸、運行過程中維護不當，水分、雜質(zhì)或其他油污混入變壓器油中，使絕緣強度大幅降低。

3．制造過程中，繞組內(nèi)層浸漆不透，干燥不徹底，繞組引線接頭焊接不良等絕緣不完整導致匝間、層間短路。在達到或接近使用年限時，絕緣自然枯焦變黑，絕緣特性下降，是老舊變壓器故障的主要原因。

4．某些年久失修的老變壓器，因各種原因致使油面降低，絕緣油與空氣大面積、長時間接觸，空氣中水分大量進入絕緣油，降低絕緣強度。

2.3 變壓器中的雜質(zhì)

變壓器內(nèi)部的雜質(zhì)包括水分、氣體和固體雜質(zhì)，在這里主要是固體雜質(zhì)對變壓器絕緣的影響。

固體雜質(zhì)也可以稱為異物，分為導電性雜質(zhì)、導磁性雜質(zhì)與非導電性雜質(zhì)三種。導磁性雜質(zhì)主要指鐵粉，導電性雜質(zhì)包括銅粉、鋁粉、炭粉等；非導電性雜質(zhì)包括絕緣紙屑、纖維、漆皮及凈化用的硅膠等。上述雜質(zhì)可能是變壓器制造、檢修過程中殘留形成的，也可能是變壓器運行過程中由于材料的磨損、老化等形成的。

2.4其他原因

其他原因往往是絕緣老化或制造中絕緣損壞造成短路；系統(tǒng)的短路沖擊造成繞組松動；油泥堵塞油道導致過熱等。

3電力變壓器匝間短路的分析

變壓器匝間短路時變壓器的漏磁場變化最為明顯，通過霍爾元件測量漏磁場的變化，就可反應(yīng)變壓器的匝間短路故障。下面就這一問題進行分析。

1．匝間短路時的短路電流

以1臺單相雙繞組變壓器為例，變壓器匝間短路時可近似以單相三繞組變壓器第三繞組S發(fā)生短路來分析，等值電路如圖1所示：

圖1 單相雙繞組變壓器匝間短路故障的等值電路

圖中忽略了一、二次繞組的電阻，只考慮第三繞組S的電阻，由于短路匝數(shù)少，因而考慮了電弧電阻和壓降，短路電流可通過下式求出：

2．匝間短路時的漏磁場

以高低壓繞組等高變壓器來分析，變壓器沒有發(fā)生匝間短路前其漏磁場如圖2，磁力線分布均勻，在繞組中部P-P截面的橫向漏磁場分量為零；變壓器發(fā)生匝間短路后其漏磁場如圖3，由于短路匝出現(xiàn)較強漏磁場，從而使磁力線分布很不均勻，P-P截面的橫向漏磁場分量不為零。

圖2 匝間短路前漏磁場

圖3 匝間短路后漏磁場

4此次變壓器事故的經(jīng)驗總結(jié)

為了防止此類事故的重演，首先要加強電氣設(shè)備的運行管理和檢修，定期巡視，定期測量，定期試驗，如果有缺陷要及時處理，老型號及高能耗產(chǎn)品要及時淘汰。

5結(jié)論

變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”的功能，一旦發(fā)生故障，整個區(qū)域內(nèi)的電力網(wǎng)將立刻癱瘓。做好變壓器的檢查維護工作、消除設(shè)備缺陷和隱患是極其重要的。下面是一些維護變壓器正常運行的重要措施。

一、防止變壓器絕緣老化。不定期地用兆歐表對變壓器進行絕緣吸收比的搖測，通過直流電阻檢測，根據(jù)變壓器相間電阻值參數(shù)的平衡系數(shù)來及早發(fā)現(xiàn)問題，必要時還應(yīng)對變壓器進行直流泄漏電流值與往年或出廠時的數(shù)據(jù)進行比較，施加交流工頻電壓來進行絕緣強度檢查，同時通過變壓器上層油溫情況，掌握變壓器負荷變化,避免變壓器長期處于負荷高峰運行。

二、防止變壓器絕緣油劣化。對變壓器油劣質(zhì)的預防措施，主要是通過對變壓器介質(zhì)損耗進行檢測，利用氣相色譜來分析變壓器潛伏性故障。氣相色譜法具有靈敏度高、不需將設(shè)備停運等優(yōu)點，可作為監(jiān)測充油設(shè)備運行的重要手段。

三、防止變壓器過電壓引起故障。一般要求在變壓器的一、二次側(cè)裝設(shè)避雷器。對于發(fā)電廠、變電所等擁有大容量主變壓器的地方，還應(yīng)加設(shè)過電壓二次回路監(jiān)控系統(tǒng)裝置。

四、防止變壓器套管破損。受潮的套管應(yīng)及早進行干燥，破損的套管應(yīng)更換新套管，加封氣密性好、彈性強的耐油件，經(jīng)試驗檢測合格后方可投入運行。

五、防止變壓器引線的絕緣故障。變壓器在投運前應(yīng)對其各高低壓樁頭進行復檢，將各接觸點的螺絲旋緊，以防接觸不良；同時，還應(yīng)做好對其絕緣油位的監(jiān)視工作，嚴禁無油或少油運行。

六、防止變壓器磁路故障。變壓器磁路故障主要反映在變壓器器芯內(nèi)部的繞組和鐵芯之間。要確保穿心螺絲、夾板與鐵芯之間有一定的安全距離，鐵芯硅鋼片組合之間的空隙要小。此外，變壓器的鐵芯要與大地可靠相連接。

七、防止分接開關(guān)故障。首先要對變壓器的各電壓檔位進行電壓比、直流電阻相間的比較測試，同時，還須對變壓器進行短路、空載損耗試驗，從而確定變壓器是否具備安全運行條件。

八、合理分配負荷，防止單相或三相長期過負荷。規(guī)程規(guī)定，配電變壓器的不平衡中性線電流不應(yīng)超過低壓側(cè)額定電流25%。實際上鐵路用電不同時的多，負荷大小不確定因素多，配電變壓器低壓供電負荷分配難以平衡達到要求。這時可考慮用大一級的配電變壓器進行配電，盡量減少變壓器單相長期長時間過負荷，導溫度高損壞配電變壓器。

附：參考文獻

[1]Mohamed A．A．Wahab，M．M．Hamada，A．G．Zeitoun，G．Ismail．Novel

Modeling for the prediction of aged transformer oil characteristics．Electric Power Systems Research 1999,51：61-71.

[2]王世閣，鐘洪壁．電力變壓器故障分析與技術(shù)改進．電力出版社，2004.

[3]朱德恒，談克雄．電絕緣診斷技術(shù)．北京：中國電力出版社，1999，4.

[4]孫守海．變壓器匝間短路保護理論分析．變壓器技術(shù)，2003，7.

[5]蔡育明. 配電變壓器故障及預防措施探討. 沿海企業(yè)與科技,2010,(2):141-144.

[6]王春生，趙占春，張建文.電力變壓器故障分析及處理．電氣時代，2007，（5）：124-126．

[7]李方．配電變壓器故障分析及日常維護．同煤科技，2003，（4）：24-26．

[8] 王洪坤,馬玉榮. 配電變壓器故障原因及診斷. 新疆農(nóng)機化, 2006,(5):46-47.

[9] 楊天軍. 變壓器故障原因分析. 科技論壇,2008,(4):30-31.

[10] 李秀國. 變壓器匝間短路故障的分析與處理. 山東電力技術(shù), 2009,(6):28-29.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。