110 kV變壓器繞組故障分析及對策

陳曉宏

供用電

110 kV變壓器繞組故障分析及對策

陳曉宏

（攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司能源動力中心，四川西昌615032）

分析了兩臺110 kV變壓器發(fā)生繞組變形故障的原因，采取了提高變壓器承受短路能力的技術(shù)措施，并提出了防范變壓器繞組變形故障的對策。

變壓器；繞組變形；分析；對策

1 引言

攀鋼西昌鋼釩公司110 kV煉鋼變電站設(shè)置有4臺110 kV主變壓器，其中3#、4#主變壓器（型號SF11-50000/110，110/36.75 kV）主要為煉鋼LF爐供電。3#、4#主變壓器為同一廠家產(chǎn)品，分別于2011年11月、2011年12月投運(yùn)。

2012年10月10日，煉鋼變電站4#主變壓器運(yùn)行中重瓦斯、差動保護(hù)動作跳閘。變壓器返廠檢修發(fā)現(xiàn)，三相低壓繞組嚴(yán)重變形，其中A、C相低壓繞組匝間、層間短路，鐵芯不同程度燒損。4#主變壓器A、C相低壓繞組變形情況如圖1所示。

圖1 4#主變壓器A、C相低壓繞組變形情況

在4#主變壓器發(fā)生故障后，我們加強(qiáng)了3#主變壓器的運(yùn)行監(jiān)控，通過變壓器油色譜分析，發(fā)現(xiàn)氫氣含量增長明顯，2014年3月，氫氣含量達(dá)到了1782 μL/L，于是對3#變壓器進(jìn)行了脫氣處理。2014年9月，為防止變壓器發(fā)生嚴(yán)重故障，我們對3#主變壓器進(jìn)行了大修，解體發(fā)現(xiàn)變壓器三相低壓繞組變形，其中A、B相低壓繞組變形較嚴(yán)重。3#主變壓器A、B相低壓繞組變形情況如圖2所示。

針對兩臺110 kV變壓器出現(xiàn)的繞組變形故障，有必要對故障原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

圖2 3#主變壓器A、B相低壓繞組變形情況

2 變壓器繞組故障分析

2.1 變壓器運(yùn)行情況

煉鋼變電站3#、4#主變壓器所帶負(fù)荷為1#、2#精煉變電站，分別對應(yīng)1臺LF爐變壓器。LF爐變壓器操作頻繁且為沖擊負(fù)荷，負(fù)荷最大約為28 MVA，低于主變壓器額定容量50 MVA。

在變壓器繞組損壞的原因中，其出口發(fā)生短路故障是主要誘因。根據(jù)主變壓器的運(yùn)行記錄，3#主變壓器所帶的LF爐變壓器受電開關(guān)分別于2012年2月、2012年5月發(fā)生過短路故障，速斷保護(hù)動作跳閘；4#主變壓器所帶的35 kV系統(tǒng)在2012年10月前未發(fā)生過短路故障。

2.2 變壓器承受的故障電流分析

2012年10月10日，4#主變壓器發(fā)生故障時，現(xiàn)場2#LF爐變壓器發(fā)生短路，速斷保護(hù)動作跳閘，根據(jù)微機(jī)保護(hù)裝置記錄，三相動作電流值為：A相31.2 A，B相29.8 A，C相28.7 A，電流互感器變比為1250/5，A相動作電流一次值為7.8 kA。速斷保護(hù)動作時限設(shè)置為0 s，考慮微機(jī)保護(hù)裝置和斷路器的固有動作時間，電流切除時間＜0.1 s。

根據(jù)GB1094.5-2003《電力變壓器承受短路的能力》規(guī)定，變壓器應(yīng)具有承受短路的能力，變壓器可承受的對稱短路電流：

式中，Ij——基準(zhǔn)短路電流，35 kV系統(tǒng)為1.56 kA；

Zs*——系統(tǒng)短路阻抗標(biāo)幺值；Zl*——變壓器短路阻抗標(biāo)幺值。

根據(jù)GB1094.5-2003規(guī)定，110 kV系統(tǒng)的短路視在容量取9000 MVA，系統(tǒng)短路容量基準(zhǔn)值為100 MVA，則Zl*＝100/9000=0.0111；變壓器Xd%=8，S=50 MVA，則Zl*=Xd%/S=8/50=0.16。因此，變壓器可承受的對稱短路電流值：

由此可見，4#主變發(fā)生故障時，現(xiàn)場保護(hù)裝置記錄的短路動作電流7.8 kA＜9.12 kA（而且在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，驗(yàn)算變壓器35 kV側(cè)出口三相短路電流也小于9.12 kA），短路電流持續(xù)時間＜0.1 s，在變壓器可承受的短路能力范圍之內(nèi)，因此判斷變壓器故障是由制造方面的問題所誘發(fā)。

2.3 變壓器繞組故障原因分析

（1）變壓器未進(jìn)行短路試驗(yàn)，變壓器承受短路的能力存在不確定性。

變壓器制造廠家為第一次設(shè)計(jì)短路阻抗為8%的該型式的變壓器，變壓器承受短路的動穩(wěn)定能力采用的是計(jì)算和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。因變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,加上電磁計(jì)算模型不夠完善,各廠家的計(jì)算差異較大,往往造成理論計(jì)算值與實(shí)際電動力不符,難以正確反映變壓器承受短路的動穩(wěn)定能力。

（2）變壓器抗短路動穩(wěn)定能力不足是繞組變形的根本原因。

當(dāng)變壓器繞組中流過電流時，將會在繞組周圍產(chǎn)生漏磁場，繞組中的電流與漏磁場相互作用的結(jié)果，在繞組內(nèi)產(chǎn)生電動力。軸向漏磁場產(chǎn)生輻向力，而輻向漏磁場產(chǎn)生軸向力。輻向力使高壓繞組沿徑向向四周延伸，將低壓繞組沿徑向向內(nèi)壓縮。

從兩臺變壓器的解體情況看，變壓器低壓繞組在設(shè)計(jì)及制造工藝上存在欠缺，造成變壓器抗短路動穩(wěn)定能力不足，如：撐條數(shù)量不足，寬度偏小，低壓繞組無外鎖緊輔助撐條；低壓繞組采用厚度為1 mm和3 mm的兩張紙筒作為內(nèi)襯，抗輻向力的強(qiáng)度不夠；為降低變壓器負(fù)載損耗，低壓繞組采用多股小截面積的導(dǎo)線，導(dǎo)線屈服強(qiáng)度偏小等。變壓器長期帶沖擊負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)下一級變電站出現(xiàn)短路故障時，短路故障電流產(chǎn)生的電動力使變壓器低壓繞組發(fā)生輻向變形，其中4#主變壓器低壓繞組局部絕緣受損，匝間、層間短路，內(nèi)襯紙筒受力破損，繞組對鐵芯發(fā)生電擊穿。

3 變壓器修復(fù)方案

兩臺變壓器在修復(fù)時，為提高變壓器抗短路動穩(wěn)定能力，我們采取了以下技術(shù)措施：

（1）低壓繞組采用內(nèi)外鎖緊撐條(原無外鎖緊撐條)，并適當(dāng)增加撐條數(shù)量，輔助撐條寬度由14 mm改為20 mm，加強(qiáng)低壓繞組與鐵芯柱之間的支撐。

（2）低壓繞組采用4 mm整張高密度硬紙筒作為內(nèi)襯，提高低壓繞組的幅向動穩(wěn)定性能。

（3）為提高低壓繞組導(dǎo)線的屈服強(qiáng)度，低壓繞組導(dǎo)線厚度由原來1.8 mm增加到2.8 mm，由原來6根導(dǎo)線（規(guī)格為ZBC1-0.45，1.8×12.5）改為4根導(dǎo)線（規(guī)格為ZBC2-0.45，2.8×12.5）。改進(jìn)后，導(dǎo)線屈服強(qiáng)度δ0.2由原來的180 MPa提高到220 MPa。由于導(dǎo)線規(guī)格改變，變壓器負(fù)載損耗增加約10%。

（4）對4#主變壓器燒毀鐵芯做局部修理（鐵芯重新疊裝，更換燒毀鐵芯），對高壓線圈做全面檢查處理。

（5）變壓器修復(fù)后按國標(biāo)對新產(chǎn)品做全項(xiàng)目出廠試驗(yàn)。

4 防止變壓器繞組變形故障的對策

4.1 合理選取變壓器短路阻抗值

變壓器的短路阻抗應(yīng)與電壓等級、容量相匹配，在滿足用電設(shè)備要求的情況下，適當(dāng)提高短路阻抗有利于限制變壓器出口短路電流，從而降低作用于變壓器繞組上的電動力。在變壓器選型訂貨時，短路阻抗可根據(jù)GB/T6451-2008《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)及要求》選擇，如40 MVA～63 MVA雙繞組電力變壓器短路阻抗應(yīng)不小于10.5%。

4.2 提高變壓器自身的抗短路能力

制造廠要從設(shè)計(jì)及制造工藝上提高變壓器抗短路能力：電磁計(jì)算方面要反映繞組的實(shí)際受力狀態(tài)，并留有足夠的安全裕度；低壓繞組應(yīng)采用半硬銅導(dǎo)線和自粘式換位導(dǎo)線，適當(dāng)加大單根導(dǎo)線的輻向厚度；低壓繞組內(nèi)襯采用高強(qiáng)度整張硬紙筒，并適當(dāng)增加撐條數(shù)量，加強(qiáng)低壓繞組與鐵芯之間的支撐；改善工藝，所有絕緣墊塊應(yīng)進(jìn)行預(yù)密化處理，繞組的制作要密實(shí)牢固，線圈采取整體套裝工藝等。

4.3 開展變壓器短路試驗(yàn)

受試驗(yàn)條件的限制，變壓器的短路試驗(yàn)屬于特殊試驗(yàn)。根據(jù)GB1094.5-2003《電力變壓器承受短路的能力》要求，變壓器承受短路的動穩(wěn)定能力可通過試驗(yàn)驗(yàn)證或者計(jì)算、設(shè)計(jì)驗(yàn)證，由用戶和制造廠協(xié)商確定。由于計(jì)算、設(shè)計(jì)驗(yàn)證存在不確定性，因此，用戶在設(shè)備訂貨時，應(yīng)要求制造廠提供類似變壓器的短路試驗(yàn)報(bào)告，否則應(yīng)要求制造廠進(jìn)行變壓器短路試驗(yàn)。

4.4 加強(qiáng)變壓器預(yù)防性試驗(yàn)工作

開展變壓器狀態(tài)檢修，定期進(jìn)行變壓器預(yù)防性試驗(yàn)、變壓器油色譜分析和繞組變形測試，發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)縮短檢測周期。變壓器受到短路沖擊后，應(yīng)及時對變壓器進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，通過對繞組電容值、短路阻抗值、油色譜分析數(shù)據(jù)、繞組變形測試頻響曲線等進(jìn)行綜合分析，判斷變壓器繞組是否存在變形故障，必要時進(jìn)行吊罩檢查和大修，避免重大事故的發(fā)生。4.5改善變壓器運(yùn)行條件

通過改善變壓器運(yùn)行條件,可減少外部短路對變壓器的沖擊，如：加強(qiáng)變壓器出口側(cè)絕緣防護(hù)，母排采用絕緣熱縮材料包封，外絕緣采取防污措施，防止污閃事故和小動物危害的發(fā)生；加強(qiáng)繼電保護(hù)裝置的維護(hù)，在保證保護(hù)動作正確性和選擇性前提下，盡可能縮短保護(hù)動作整定時間；對于新建、改建項(xiàng)目，在10 kV、35 kV系統(tǒng)可采用小電阻接地方式，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電流保護(hù)迅速動作跳閘，避免發(fā)展成相間短路故障，減少對變壓器的沖擊。

5 結(jié)束語

通過對兩臺110 kV變壓器低壓繞組故障的分析，變壓器抗短路能力不足是造成繞組變形故障的主要原因。制造廠要從設(shè)計(jì)和制造工藝上提高變壓器抗短路能力，并開展變壓器短路試驗(yàn)。用戶單位要把住設(shè)備選型關(guān)，改善變壓器運(yùn)行條件，定期開展預(yù)防性試驗(yàn)、變壓器油色譜分析和繞組變形測試，確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]GB1094.5-2003，電力變壓器承受短路的能力[S].

[2]GB/T6451-2008，油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)及要求[S].

[3]施廣宇，蔣良勝.電力變壓器短路損壞分析[J].福建電力與電工，2006，26（1）：3-6.

[4]吉亞民，張霽.變壓器承受短路能力核算和繞組變形測試[J].變壓器，2008，45（3）：56-58.

Analysis and Countermeasures for Faults in 110 kV Transformer Winding

CHEN Xiaohong
(Energy and Power Center of Xichang Steel and Vanadium Co.,Ltd.,Pangang Group,Xichang,Sichuan 615032,China)

The causes of winding deformation of the two 110 kV transformers at Xichang Steel were analyzed,technical measures to improve the ability of the transformers to withstand short circuit were taken and countermeasures for preventing deformation of the windings in transformer were put forward.

transformer;winding deformation;analysis;countermeasure

TM41

B

1006-6764(2015)09-0001-02

2015－04－20

陳曉宏(1970－)，男，大學(xué)本科學(xué)歷，高級工程師，現(xiàn)從事電氣運(yùn)行管理研究工作。