一起雷擊引起的35 kV變壓器故障分析

李 雪,王 楠,孫 成,馬小光

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384; 2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010)

?

一起雷擊引起的35 kV變壓器故障分析

李 雪1,王 楠1,孫 成1,馬小光2

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384; 2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010)

針對一起變壓器雷擊跳閘事故,介紹了變壓器故障分析與處理過程。首先闡述了故障變壓器的接線方式和繞組結(jié)構(gòu)工藝。然后通過現(xiàn)場設(shè)備檢查和變壓器故障特征、診斷性試驗(yàn)結(jié)果以及吊罩解體檢查,并結(jié)合雷電沖擊在變壓器繞組的電壓分布規(guī)律,分析了雷電波侵入變壓器并造成故障的過程,揭示了雷電沖擊電壓造成變壓器繞組匝間絕緣擊穿損壞的機(jī)理。最后提出了預(yù)防變壓器雷擊故障的反事故措施。

變壓器;雷電過電壓;故障分析

雷擊能產(chǎn)生極高的電壓,是造成電力系統(tǒng)故障的重要因素[1]。變壓器遭受雷電波沖擊后,很容易造成匝間絕緣損壞,甚至使繞組燒毀變形。雷電波侵入變壓器,在變壓器繞組上的電壓分布極不均勻,對變壓器繞組絕緣以及整體絕緣結(jié)構(gòu)將造成損壞。盡管目前變電站的防雷設(shè)施已很完備,但變壓器的雷擊損壞事故仍然時(shí)有發(fā)生。本文針對一起35 kV變壓器雷擊損壞事故,詳細(xì)分析了變壓器接線方式、繞組結(jié)構(gòu)工藝、故障情況、電氣與化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果、運(yùn)行工況,并結(jié)合雷電波在變壓器繞組上的電壓分布原理,闡述了變壓器遭受雷擊后事故的發(fā)展過程,解釋了變壓器繞組匝間絕緣擊穿的原因,提出了預(yù)防變壓器雷擊故障的措施。

1 故障變壓器基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 基本參數(shù)

變電站內(nèi)有2臺35 kV主變,由2條獨(dú)立的35 kV架空電源線供電,其中311某電源線帶35 kV-4母線,經(jīng)301-0帶1號主變,經(jīng)201供10 kV-4母線;312某電源線帶35 V-5母線,經(jīng)302-0帶2號主變,經(jīng)202供10 kV-5母線。2臺變壓器分列運(yùn)行。

10 kV系統(tǒng)布置在室內(nèi),采用單母線分段運(yùn)行方式。事實(shí)上,35 kV-4母線、35-5母線均只接有一條電源進(jìn)線,故障變壓器與母線之間僅有隔離開關(guān)301-0,故障變的實(shí)際運(yùn)行方式為線路變壓器組接線, 35 kV母線未裝設(shè)避雷器。2條電源進(jìn)線開關(guān)線路側(cè)裝設(shè)有避雷器,避雷器型號為YH5WZ-52/134。110 kV母線處裝有避雷器,避雷器型號為YH5WZ-17/45。2臺變壓器分列運(yùn)行,故障變壓器為YNd11接線,中性點(diǎn)不接地,未安裝避雷器。35 kV變電站的避雷針及接地網(wǎng)的安裝配置均符合變電站設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

故障變壓器為站內(nèi)1號主變,為35 kV油浸式無勵磁調(diào)壓變壓器,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 故障變壓器基本參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)與工藝

故障變壓器的高、低壓線圈均以連續(xù)式繞制方式繞制成圓筒狀,高壓繞組的主體結(jié)構(gòu)包括上部主包、調(diào)壓包和下部主包。分接開關(guān)的接線位置在繞組中部。

對于35 kV等級容量為10 000 kVA的變壓器,高壓線圈一般采取連續(xù)式的繞制方式,其絕緣工藝為將線圈繞制成線餅后包裹上紙或布等絕緣材料,線餅之間留有油道,并加塞絕緣墊塊。油道中的油流帶走變壓器繞組散發(fā)的熱量,并起到繞組匝間絕緣的作用。連續(xù)式繞制方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省材料,變壓器的體積相對較小,運(yùn)輸安裝方便。與其他繞制方式相比,線餅之間的電容較小,繞組的抗雷電沖擊能力相對較弱[2]。

更應(yīng)該值得關(guān)注的是,目前某些生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本,在變壓器的設(shè)計(jì)方面精益求精。某些廠家將線圈餅間油道做到僅1 mm,為改善線圈端部的絕緣狀況,僅在1～5線餅間的油道墊加絕緣墊塊或絕緣紙板,變壓器的結(jié)構(gòu)更加緊湊,但絕緣裕度變小[3]。雖然符合變壓器設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范,但變壓器繞組抗雷電波沖擊的能力將進(jìn)一步減弱。

2 變壓器故障過程與處理

2.1 故障基本情況

2013-08-27,故障發(fā)生地點(diǎn)出現(xiàn)雷雨天氣,凌晨00:34:46,事故站1號主變差動保護(hù)動作,35 kV變壓器電源側(cè)311開關(guān)、10 kV母線側(cè)201開關(guān)跳閘,10 kV母線分段開關(guān)245開關(guān)自投動作成功。檢查后臺及保護(hù)裝置信號發(fā)現(xiàn),1號主變兩套比率差動保護(hù)動作,本體輕瓦斯保護(hù)動作。

變壓器故障跳閘后檢查差動保護(hù)范圍內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備及二次設(shè)備,未發(fā)現(xiàn)異常情況。35 kV電源側(cè)進(jìn)線、10 kV側(cè)負(fù)荷線路均無故障記錄。站內(nèi)檢查相關(guān)設(shè)備發(fā)現(xiàn),311電源進(jìn)線避雷器計(jì)數(shù)器顯示C相有2次動作記錄,視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)備區(qū)有2次落雷,初步判斷為雷擊引起的變壓器內(nèi)部故障。

2.2 故障后診斷性試驗(yàn)結(jié)果分析

變壓器兩套差動保護(hù)動作,且保護(hù)范圍內(nèi)其他設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常,說明變壓器內(nèi)部發(fā)生了短路故障。對變壓器進(jìn)行了相關(guān)電氣試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目包括絕緣電阻測試、全分接直流電阻測試、變壓器繞組變形測試、電容量及介質(zhì)損耗測試等。高壓繞組直流電阻測試結(jié)果如表2所示。

表2 變壓器繞組直流電阻測試結(jié)果

絕緣電阻測試、變壓器繞組變形測試、電容量及介質(zhì)損耗測試均合格,表明變壓器的主絕緣未被破壞,或變壓器遭受雷擊時(shí)間較短,主絕緣未遭受不可逆損壞而很快恢復(fù)了絕緣能力。

繞組直流電阻測試中,第3分接處的C相直流電阻不合格,三相直流電阻的不平衡率為2.6%,超過規(guī)程2%的規(guī)定。但各相繞組電阻值的變化趨勢沒有變化,且直流電阻的不平衡率相差較小。因此,僅憑直流電阻測試結(jié)果無法判斷變壓器內(nèi)部故障情況。

2.3 油色譜分析

變壓器本體輕瓦斯保護(hù)動作,說明變壓器內(nèi)部絕緣油分解產(chǎn)生氣體,油色譜測試結(jié)果如表3所示。

表3 油色譜試驗(yàn)結(jié)果

故障后與故障前試驗(yàn)結(jié)果相比,油中溶解氣體中乙炔和總烴含量明顯增多,其中乙炔含量為155.5 uL/L,總烴含量達(dá)到231.6 uL/L。

根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》,三比值法油中溶解氣體分析的編碼組合為2,0,1。故障類型為電弧放電,故障原因?yàn)榫€路匝間和層間短路、相間閃絡(luò)、分接頭引線間閃絡(luò)、引線對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關(guān)飛弧、因環(huán)路電流引起電弧和引線對其他接地體放電等。

乙炔的生成一般在800～1200 ℃的溫度,而且當(dāng)溫度降低時(shí),反應(yīng)被迅速抑制,作為重新化合的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累。因此,在電弧弧道中會產(chǎn)生大量的乙炔。

3 雷電沖擊故障分析

3.1 吊罩檢查

將故障變壓器吊罩解體,檢查發(fā)現(xiàn)變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組從底部向上數(shù)第5餅至第6餅間存在較嚴(yán)重的擊穿損壞情況,變壓器底部擊穿損壞情況如圖1所示。

圖1 高壓側(cè)線圈底部擊穿損壞情況

擊穿損傷的部位位于高壓繞組的下部主包,距離中性點(diǎn)較近。變壓器低壓繞組和高壓繞組其他部位未發(fā)現(xiàn)變形等異常。三相繞組在大致相同的位置發(fā)生匝間絕緣擊穿損壞,且損壞的繞組匝數(shù)大致相同,因此故障后測試三相繞組的直流電阻值相差不大。結(jié)合油色譜的分析結(jié)果,可以初步判斷該故障為雷電波侵入變壓器造成三相高壓繞組匝間絕緣擊穿損壞的事故。

3.2 雷電波侵入變壓器繞組過程分析

按照雷電波侵入變壓器的不同進(jìn)波方式,在變壓器中性點(diǎn)不接地的情況下,有關(guān)研究結(jié)果歸納出了雷電波侵入變壓器的4種典型的方式[4-7],如表4所示。

表4 不同進(jìn)波方式、不同中性點(diǎn)狀況下變壓器的電位分布

故障變壓器35 kV電源線路沒有接地信號或跳閘,且三相避雷器中只有C相避雷器動作，基本排除了線路三相全部遭受雷擊的可能,否則,如果變壓器電源進(jìn)線的三相同時(shí)遭受雷擊,A、B兩相的避雷器也應(yīng)該動作。雷電波侵入變壓器繞組電位分布如圖2所示。

由于三相繞組在相似的位置同時(shí)發(fā)生匝間絕緣擊穿,結(jié)合表4和圖2的內(nèi)容可以確定,雷電波應(yīng)該是在變壓器中性點(diǎn)侵入,雷電波在以中性點(diǎn)為起點(diǎn)的線圈端部位置坡度比較陡,電位落差較大,從而造成匝間絕緣擊穿。

3.3 故障結(jié)論

變壓器中性點(diǎn)電位在雷電入侵波的作用下升高,在變壓器的絕緣薄弱處造成放電使變壓器損壞。變壓器中性點(diǎn)處匝間放電主要是因?yàn)橹行渣c(diǎn)處電壓的升高使電位陡度增加,當(dāng)變壓器的匝間絕緣水平低于入侵波的電位陡度時(shí),就會發(fā)生匝間絕緣擊穿。

雷電波沖擊造成變壓器內(nèi)部絕緣擊穿,沖擊電流造成變壓器兩套差動保護(hù)動作,變壓器繞組雖流過較大電流,但沖擊時(shí)間較短(故障錄波圖顯示雷擊后15 ms保護(hù)即發(fā)出跳閘信號),未造成變壓器繞組變形和進(jìn)一步的絕緣損傷,因此,變壓器繞組的直流電阻以及繞組變形測試均未出現(xiàn)異常。

圖2 雷電波侵入變壓器繞組電位分布

4 措施及建議

1) 在變壓器設(shè)計(jì)過程中,考慮變壓器的中性點(diǎn)運(yùn)行方式,應(yīng)適當(dāng)增大油道的距離,增加變壓器繞組匝間絕緣裕度,增強(qiáng)抗雷電沖擊能力。

2) 嚴(yán)格按照變壓器的抽檢作業(yè)規(guī)范,加強(qiáng)線端雷電全波沖擊耐受電壓、線端雷電截波沖擊耐受電壓等項(xiàng)目的執(zhí)行力度。從變壓器的制造出廠環(huán)節(jié)提高變壓器的抗雷電沖擊能力。

3) 裝設(shè)避雷器時(shí),應(yīng)盡量靠近變壓器,減小連接導(dǎo)線的距離,確保變壓器在避雷器的保護(hù)范圍之內(nèi),必要時(shí)在變壓器高壓側(cè)引線處裝設(shè)避雷器。

4) 對于中性點(diǎn)不接地的變壓器,可在變壓器中性點(diǎn)處加裝避雷器,避免雷電沖擊及感應(yīng)雷對變壓器中性點(diǎn)處絕緣的損壞。

5) 對于雷電活動頻繁地區(qū),在按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求,完善35 kV變電站避雷措施的基礎(chǔ)上,應(yīng)在進(jìn)線區(qū)安裝多針型避雷針,防止雷電直接落到進(jìn)線上的小概率事件對變壓器的沖擊。

6) 變壓器架空電源進(jìn)線的防雷措施應(yīng)按照輸電線路在電網(wǎng)的重要程度、線路走廊雷電活動強(qiáng)度、地形地貌及線路結(jié)構(gòu)的不同,進(jìn)行差異化配置。應(yīng)綜合采取減小地線保護(hù)角、改善接地裝置、適當(dāng)加強(qiáng)絕緣措施來降低線路雷害風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 嚴(yán)璋.高電壓絕緣技術(shù)[M](第二版).北京:中國電力出版社,2007.

YAN Zhang. High voltage insulation technology [M](2nd Edition). Beijing: China Electric Power Press, 2007.

[2] 王文洪.一起220 kV 主變雷擊損壞事故的原因分析[J].變壓器,2009,46(5):64-66

WANG Wenhong. Cause analysis of 220 kV main transformer broken by lightning [J]. Voltage, 2009,46(5):64-66.

[3] 李長益,蔣永平,王建剛.兩臺35 kV主變雷擊損壞事故分析[J].華東電力,2003(7):25-26.

LI Changyi, JIANG Yongping, WANG Jiangang. Analysis of lightning strikes faults of two 35 kV main transformers [J]. East China Electric Power, 2003(7):25-26.

[4] 沈順群,王斌.雷電侵入波作用下的變壓器繞組建模[J].湖北電力,2012,36(4):43-44.

SHEN Shunqun, WANG Bin. Modeling of transformers coil under the lightning invasion [J]. Hubei Electric Power, 2012,36(4):43-44.

[5] 李愛華,卿澳. 淺談110 kV主變中性點(diǎn)放電間隙的作用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(7):139-141.

LI Aihua, QING Ao. Effect of 110 kV main transformer neutral point discharge gap [J]. Power System Protection and Control, 2010,38(7):139-141.

[6] 劉青,孫忠凱.一起220 kV變壓器雷擊故障分析與處理[J]. 變壓器,2010,47(11):68-71.

LIU Qing, SUN Zhongkai. Analysis and treatment of 220 kV transformer lightning impulse fault [J]. Voltage, 2010,47(11):68-71.

[7] 李良軍,董伯冬,聞寶侖,等.35 kV主變匝間短路事故分析及反事故措施[J].變壓器,2004,41(9):40-43.

LI Liangjun, DONG Bodong, WEN Baolun, et al. Analysis and preventive measure of interturn short circuit fault in 35 kV main transformer [J]. Voltage, 2004,41(9):40-43.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Fault analysis of lightning strikes in 35 kV transformer

LI Xue1, WANG Nan1, SUN Cheng1, MA Xiaoguang2

(1.Electric Power Research Institute of Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300384, China; 2. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China)

For a transformer lightning strike, the process of fault analysis and dealings were introduced. The layout of electrical equipment in the substation and the transformer’s winding structure were analyzed in this paper. Through on-site equipment inspection and fault characteristics, diagnostic test results and disaggregation check, combining with lightning impulse transformer windings voltage distribution, the paper analyzed the process of transformer failure caused by lightning invasion wave, and revealed the mechanism of lightning impulse voltage caused by insulation breakdown between the transformer winding turns. Finally, the transformer lightning prevention measures against accidents were proposed.

transformer; lightning over-voltage; fault analysis

2015-06-02。

李 雪(1983—),男,工程師,從事高電壓絕緣技術(shù)專業(yè)相關(guān)方面的研究。

TM407

A

2095-6843(2016)01-0061-04