一起35kV站用變壓器低溫過熱 故障診斷及處理

程冠錤

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州 510000）

變壓器運行中經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)部過熱故障。過熱程度有輕度過熱（低于150℃）、低溫過熱（150～300℃）、中溫過熱（300～700℃）和高溫過熱（高于700℃）。當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)過熱故障時，雖然短期內(nèi)不會馬上影響到變壓器的安全運行，但長期發(fā)展下去，特別是對于過熱初始狀態(tài)較高，增長又較快的故障，如果不加以控制和解決，就極有可能出現(xiàn)大問題，嚴重時甚至會威脅到變壓器的安全運行[1-2]。

過熱故障一般劃分為電路過熱故障、磁路過熱故障和油路過熱故障三大類。其中，磁路部分的過熱故障大部分又源自于鐵心、夾件多點接地和接地不可靠，如：鐵心對地、夾件對地以及鐵心對夾件之間多點接地，或鐵心、夾件接地不可靠等。當鐵心、夾件出現(xiàn)多點接地后，就會在短路環(huán)中產(chǎn)生環(huán)流，造成過熱故障。而當鐵心、夾件出現(xiàn)接地不可靠后，其各金屬結(jié)構(gòu)件會存在懸浮電位，而不同電位間就會出現(xiàn)懸浮放電，形成局部環(huán)流，也會造成過熱故障。因此，當發(fā)生因鐵心、夾件多點接地和接地不可靠而引起的變壓器內(nèi)部過熱故障時，如何消除鐵心、夾件多點接地問題及提高鐵心、夾件接地可靠性，對于變壓器生產(chǎn)、安裝、運行及維護有重要的現(xiàn)實意義。

1 故障描述

±500kV 寶安換流站是南方電網(wǎng)貴州至廣東第二回直流輸電工程受端站，站內(nèi)35kV 站用變選用了SZ9-5000/35 型三相雙繞組無勵磁調(diào)壓油浸式電力變壓器，于2007年投入運行。2012年5月17日，對該變壓器進行油色譜分析時，發(fā)現(xiàn)其總烴值達192.3μl/L，超過GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規(guī)定的注意值150μl/L[3]。2012年 5月 23日重新取樣化驗，復測結(jié)果為184.18μl/L。隨后每月均對其進行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)總烴發(fā)展趨勢穩(wěn)中有升，最高值達239.49μl/L。

2 絕緣油色譜分析

2.1 根據(jù)氣體含量分析

該變壓器歷次絕緣油色譜分析數(shù)據(jù)如表1所示，而總烴發(fā)展趨勢如圖1所示。

變壓器內(nèi)部故障主要分為過熱性故障和放電性故障。其中，過熱性故障的產(chǎn)氣特征為總烴中烷烴和烯烴過量而炔烴很少或無；放電性故障產(chǎn)氣特征為炔烴含量較高，當局部放電能量較低時，則以H2和CH4為主。從表1數(shù)據(jù)得知，歷次測試數(shù)據(jù)中總烴主要以CH4、C2H6兩者為主，C2H4為次，C2H2含量很少甚至無，且H2含量較低。同時，CH4、C2H6含量的快速增長是由于油或固體絕緣發(fā)生熱分解、放電而導致。由此可判斷，該變壓器內(nèi)部存在過熱 性故障。另一方面，由于C2H4含量不高，所占比例在10%以下，且無快速增長趨勢，而C2H4通常在500℃或以上的高溫下才大量生成，故可進一步判斷該變壓器存在低于500℃的過熱故障。

另外，從表1數(shù)據(jù)可知，歷次測試數(shù)據(jù)中CO2/CO 的比值小于3，且CO 含量遠超300μl/L，故初步懷疑該變壓器內(nèi)部可能存在固體絕緣材料過熱故障[4]。

圖1 總烴發(fā)展趨勢圖

表1 油色譜分析數(shù)據(jù)（單位：μl/L）

2.2 利用“三比值”法分析

根據(jù)GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中“三比值”法則，從表1數(shù)據(jù)得“C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6”的比值編碼為“0，2，0”。由此判斷該變壓器存在低溫過熱故障（150～300℃），另外，根據(jù)該變壓器歷次絕緣油微水測試結(jié)果，并沒有發(fā)現(xiàn)微水超標現(xiàn)象，故可排除了絕緣受潮的可能性。因此，初步分析認為，變壓器內(nèi)部可能存在的故障有：

1）電磁屏蔽不良，導致漏磁集中。

2）鐵心局部短路、鐵心及夾件多點接地，形成環(huán)流。

3）導線過電流。

4）磁通集中引起的鐵心局部過熱。

5）由于渦流損耗引起的銅連接件過熱，接頭接觸不良（形成碳黑）。

6）分接開關(guān)接觸不良。

7）引線夾件螺栓松動或接頭焊接不良。

2.3 色譜綜合分析

熱故障的可能部位為引線、繞組或鐵心夾件。如果故障部位在引線或繞組，其故障發(fā)展趨勢相對很快，因為繞組長期過熱將會造成絕緣老化直至擊穿，如果是引線焊接不良引起的長期過熱，其結(jié)果必然是引線燒斷。無論是繞組長期過熱造成絕緣老化而擊穿，還是引線焊接不良引起的長期過熱而擊穿絕緣或燒斷引線，都必然產(chǎn)生電弧放電，油中將產(chǎn)生大量的C2H2。而從表1數(shù)據(jù)得知，歷次測試數(shù)據(jù)中C2H2含量很少甚至無，由此，可以否定存在這兩種故障的可能性。其故障部位只能在鐵心夾件。

因此，結(jié)合上述分析，可得知該變壓器內(nèi)部可能存在的故障為上述故障項2 或4。

3 返廠吊芯檢查

3.1 吊芯檢查

為進一步查找故障根源，徹底消除故障，2012年11月，對該變壓器進行了返廠吊芯檢查。吊芯前，檢查發(fā)現(xiàn)該變壓器箱蓋和箱體間無專用的接地點，導致箱蓋和箱體間存在接地不可靠現(xiàn)象。吊芯后，檢查發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)壁底部承托鐵心下夾件墊腳的接觸面處絕緣油漆大部分脫落，且有放電產(chǎn)生的碳黑痕跡（如圖2所示）。而檢查鐵心下夾件墊腳時，發(fā)現(xiàn)墊腳邊緣也存在絕緣漆脫落現(xiàn)象（如圖3所示），且墊腳未額外添加絕緣體使其與箱體底部隔離。

圖2 油箱內(nèi)壁底部

另外，檢查夾件各處螺桿及連接螺栓時，發(fā)現(xiàn)上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間連接螺栓四周也有放電產(chǎn)生的碳黑痕跡（如圖4所示）。與此同時，檢查發(fā)現(xiàn)上夾件與油箱箱蓋間無專用接地點，且上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間絕緣油漆未打磨，夾件與變壓器箱體間存在連接不可靠現(xiàn)象。

圖3 鐵心下夾件墊腳

圖4 上夾件與頂蓋連接處碳黑痕跡

3.2 故障原因分析

從上述吊芯檢查結(jié)果看來，該變壓器內(nèi)夾件不僅未經(jīng)過油箱可靠一點接地，同時，鐵心下夾件墊腳處以及與其接觸的油箱內(nèi)壁底部支撐面均存在絕緣漆脫落現(xiàn)象，且兩者間無額外絕緣體，使鐵心下夾件與變壓器箱體間直接接觸，從而導致夾件存在多點接地故障。由于變壓器正常運行期間，鐵心及夾件處于帶電繞組及其引線與油箱之間構(gòu)成的不均勻電場中，當夾件有兩點及以上接地點時，接地點之間可能會形成閉合的回路，主磁通穿過此閉合回路，就會產(chǎn)生循環(huán)電流，造成過熱事故。

另一方面，因夾件與變壓器箱體間連接不可靠，導致夾件存在接地不可靠故障。由于變壓器正常運行時，高壓繞組、低壓繞組、鐵心夾件、變壓器油箱（大地）間存在寄生電容，當夾件接地不可靠時，帶電繞組便通過電容的藕合作用使夾件各金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生懸浮電位，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產(chǎn)生火花放電，形成局部環(huán)流，也會造成局部過熱事故[6-12]。另外，不同電位的金屬構(gòu)件間發(fā)生火花放電時，會在放電點處積累碳化物。

經(jīng)上述分析診斷，認為夾件多點接地和接地不可靠是該變壓器發(fā)生低溫過熱故障的根本原因。而該分析結(jié)論也與絕緣油色譜分析得出的可能故障項2 相符。

4 故障處理

4.1 改進措施

為有效消除該變壓器夾件多點接地和接地不可靠故障，對夾件采取以下改進措施。

1）提高夾件的接地可靠性。在與上夾件連接的油箱頂蓋拉板處焊接一顆接地螺母，并將其相鄰的上夾件拉桿安裝孔四周絕緣漆進行打磨清除，隨后將接地銅片安裝在上夾件拉桿與接地螺母間，使夾件通過接地螺母可靠接地。改進效果如圖5所示。

圖5 夾件接地改進效果圖

2）提高上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間的絕緣強度。在其連接螺栓的螺栓頭和上夾件拉板間、上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間分別加裝5.0mm、2.0mm厚絕緣紙板，以及在穿入拉板內(nèi)的螺桿表面加套φ31×φ37 酚醛絕緣套管（長68mm），防止上夾件通過拉板及連接螺栓和油箱頂蓋間形成導通，造成夾件發(fā)生多點接地故障。改進效果如圖6所示。

圖6 上夾件與油箱頂蓋間絕緣改進效果圖

3）提高鐵心下夾件墊腳與油箱內(nèi)壁底部間絕緣強度。在鐵心下夾件墊腳和油箱內(nèi)壁底部墊腳接觸處分別加裝2.0mm 厚絕緣紙板，防止鐵心下夾件墊腳與油箱內(nèi)壁底部直接接觸，造成夾件發(fā)生多點接地故障。改進效果如圖7所示。

圖7 鐵心下夾件墊腳絕緣改進效果圖

4）提高上夾件和旁螺桿的接觸可靠性。將上夾件其中一側(cè)旁螺桿安裝孔四周絕緣漆進行打磨清除，使兩者可靠接觸。同時，為了避免上下螺桿形成環(huán)路，造成漏磁及形成環(huán)流，在上夾件另一側(cè)旁螺桿安裝孔處加裝螺桿絕緣套。改進效果如圖8所示。

圖8 旁螺桿改進效果圖

5）加強油箱頂蓋接地可靠性。在油箱頂蓋和油箱間加裝接地銅片，并將接地銅片對應(yīng)的油箱頂蓋、油箱沿邊接觸面油漆進行打磨清除，提高接觸可靠性。改進效果如圖9所示。

圖9 油箱頂蓋加裝接地銅片

經(jīng)上述5 項改進措施實施后，夾件經(jīng)油箱頂蓋拉板處接地螺母可靠一點接地，且夾件與油箱頂蓋、油箱內(nèi)部底部間的絕緣強度大大增強，從而有效消除了夾件多點接地故障。同時，夾件的接地可靠性以及夾件各金屬結(jié)構(gòu)件間的連接可靠性也得到了大幅度提升。

4.2 改造后試驗

器身回爐干燥后，斷開油箱頂蓋拉板處接地螺母的接地銅片，復測鐵心、夾件的絕緣電阻，測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果來看，鐵心、夾件對地絕緣性能良好，且鐵心與夾件間絕緣性能良好，側(cè)面反映了夾件多點接地故障已有效根除。而該變壓器投運后，對其進行絕緣油色譜跟蹤分析，色譜分析結(jié)果均正常，該變壓器運行狀況良好。

表2 鐵心夾件絕緣電阻測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

對于夾件未采用經(jīng)小套管引致油箱下部一點接地結(jié)構(gòu)的變壓器，當其發(fā)生夾件多點接地及接地不可靠故障時，將無法用對地絕緣電阻、接地電流等常規(guī)檢測手段來進行故障診斷分析及定位。因此，針對該類型變壓器，本文提出了以下幾點日常維護檢修建議及預防性建議。

1）日常運行維護中，應(yīng)加強絕緣油色譜跟蹤分析力度，縮短采樣分析周期，應(yīng)由規(guī)定的1年1 次采樣分析周期縮短為每6 個月1 次。

2）開展預防性試驗時，應(yīng)加入低電壓空載電流及空載損耗測試項目，并結(jié)合絕緣電阻測試結(jié)果，綜合診斷變壓器鐵心夾件等磁回路相關(guān)元器件的運行狀態(tài)。

3）對于已存在故障的變壓器，在運行工況允許的情況下，應(yīng)通過吊芯檢查等手段，盡快排查消除內(nèi)部缺陷。

4）設(shè)備采購過程中，審核供應(yīng)商提供的變壓器技術(shù)規(guī)范書時，應(yīng)明確其規(guī)范書內(nèi)需加入“鐵心與夾件接地引線分別通過油箱接地小套管引至油箱外接地”的技術(shù)條款，并在設(shè)備交貨驗收時，重點查看其提供的設(shè)備是否滿足該條款要求。以便后續(xù)通過監(jiān)測鐵心、夾件的接地電流及對地絕緣電阻，準確預判鐵心、夾件是否存在多點接地故障。

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