一起220kV電力變壓器事故分析

摘 要：通過(guò)對(duì)一次燃煤電廠故障跳閘變壓器的試驗(yàn)及檢查診斷，詳細(xì)分析了故障時(shí)刻波形數(shù)據(jù)和事故后試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不能正確反映故障現(xiàn)象的色譜數(shù)據(jù)，多次取樣，對(duì)典型低壓側(cè)bc相間短路特征波形故障判斷通過(guò)設(shè)備解體檢查，對(duì)三角形接法線圈的直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證分析驗(yàn)證，最終查明了原因，總結(jié)出能準(zhǔn)確判斷內(nèi)部故障性質(zhì)的科學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；變壓器；相間短路；匝間短路；分析

中圖分類號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）14-0076-02

1 引 言

2017年12月12日上午10時(shí)10分50秒，某燃煤電廠01號(hào)高廠變跳閘，檢查為01號(hào)高廠變“差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作出口跳變壓器，同時(shí)變壓器“輕瓦斯”動(dòng)作發(fā)信號(hào)。01號(hào)高廠變跳閘時(shí)刻該廠220kV升壓站正在進(jìn)行拉開(kāi)220kVⅠA母線（01號(hào)高廠變所掛母線）電容式電壓互感器（CVT）刀閘的停電操作。

2 跳閘前運(yùn)行工況

某燃煤電廠01號(hào)高廠變于1988年7月投運(yùn)至今，期間運(yùn)行正常。變壓器型號(hào)為SFFZ-31500/220，接線組別為YN-d11-d11，額定電壓為220/6.3/6.3kV，短路阻抗：高壓-低壓Ⅰ：17.16%，高壓-低壓Ⅱ：17.19%。2017年12月12日，一期1號(hào)機(jī)組運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組停備，01號(hào)高廠變低壓Ⅰ、Ⅱ分支分別帶2號(hào)機(jī)組廠用6kVⅢ、Ⅳ段運(yùn)行，高壓側(cè)電流約為12.7A。01號(hào)高廠變高壓側(cè)接在220kV升壓站內(nèi)220kVⅠA母線段運(yùn)行，升壓站內(nèi)采用雙母線帶旁路母線接線方式。

3 檢查情況

3.1 保護(hù)及故障錄波檢查

01高廠變D、E柜為雙重化保護(hù)柜，兩柜電量保護(hù)配置相同，非電量保護(hù)配置在D柜。檢查D、E柜均有“差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作出口，D柜“輕瓦斯”發(fā)信號(hào)，兩柜錄波基本相同。通過(guò)D柜錄波波形來(lái)看，故障發(fā)生后01號(hào)高廠變高壓側(cè)電流A、B相電流相位相同，幅值大致相等，C相電流幅值約為A、B相之和，且相位相差180°。低壓Ⅰ分支電壓基本無(wú)變化，低壓Ⅱ分支側(cè)b2、c2相間電壓在差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前有降低，約下降至正常時(shí)的65%，a2、b2相間和c2、a2相間電壓基本無(wú)變化。

故障錄波裝置正常啟動(dòng)，其錄波的01號(hào)高產(chǎn)變高壓側(cè)電流波形與保護(hù)所錄波形一致。

查看與集控故障錄波裝置為同一對(duì)時(shí)裝置受時(shí)的網(wǎng)控1號(hào)故障錄波器顯示，在10時(shí)10分49秒824毫秒母線電壓3U0突變量啟動(dòng)錄波。集控故障錄波裝置錄波顯示變壓器高壓側(cè)電流變化事件較母線電壓3U0突變事件滯后202毫秒，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作人員反饋幾乎在分閘操作的同時(shí)聽(tīng)到斷路器跳閘聲音，可以判斷母線電壓3U0突變是由于當(dāng)時(shí)分閘操作時(shí)產(chǎn)生，且在01號(hào)高廠變發(fā)生故障之前。

3.2 一次設(shè)備的外觀檢查情況

對(duì)變壓器本體、低壓各分支母線、配電柜及高、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)等進(jìn)行目測(cè)檢查無(wú)異常，未聞到有短路燒糊等異味。發(fā)現(xiàn)瓦斯繼電器內(nèi)存有少量氣體。變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)和低壓側(cè)母線進(jìn)行電氣預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目均合格。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)初步的檢查和試驗(yàn)情況

對(duì)01號(hào)高廠變進(jìn)行絕緣油色譜分析，并對(duì)變壓器做絕緣電阻、繞組連同套管介損、直流電阻、電壓比等常規(guī)試驗(yàn)。其中絕緣電阻、繞組連同套管介損、電壓比等試驗(yàn)結(jié)果均正常。油色譜及直流電阻有異常，數(shù)據(jù)如下：

（1）開(kāi)關(guān)跳閘后，先后兩次取變壓器油樣進(jìn)行色譜分析。第一次為故障后2h在取樣閥處取樣，C2H2含量為0.55μL/L；第二次為故障后29h取樣，C2H2含量為56μL/L，明顯超標(biāo)，三比值為102，屬電弧放電。

（2）01號(hào)高廠變高壓繞組和低壓Ⅰ分支繞組直流電阻數(shù)據(jù)正常，低壓Ⅱ分支繞組b2、c2相間直流電阻較出廠值明顯偏大，繞組線間不平衡率達(dá)13.8%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求值。

3.4 故障的初步判斷

（1）根據(jù)保護(hù)的動(dòng)作情況和錄波波形來(lái)分析，高壓側(cè)三相電流波形其幅值和相位關(guān)系符合典型的低壓側(cè)b、c相間短路特征。結(jié)合低壓Ⅱ分支b2c2直流電阻偏大，且錄波顯示b2c2相間電壓值在差動(dòng)保護(hù)前已下降至正常的65%。由此初步判斷很可能在低壓Ⅱ分支b2、c2繞組間發(fā)生了相間短路。

（2）低壓Ⅱ分支b2、c2相間直流電阻較出廠前明顯偏大，初步判斷c2繞組線圈內(nèi)存在斷股情況。

（3）從錄波電流幅值看，最大故障電流C相電流幅值約為額定電流的三倍，初步判斷為非金屬性相間短路。

（4）通過(guò)變壓器故障后油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)三比值為102，判斷變壓器內(nèi)部發(fā)生了電弧放電。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)吊罩檢查及返廠檢修情況

（1）12月5日，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行01號(hào)高廠變吊罩檢查，對(duì)變壓器內(nèi)部器身、夾件、鐵芯、繞組端部引線、接線母排等外觀進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡和故障點(diǎn)。在低壓繞組角接未解開(kāi)情況下，對(duì)低壓Ⅱ分支繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)試做比對(duì)分析。結(jié)合之前此變壓器的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行線-相電阻換算后得到，本次故障發(fā)生后，c2相電阻明顯大于另外兩相，相電阻最大不平衡率達(dá)到29%。

此外，對(duì)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)的低壓側(cè)封母進(jìn)行了絕緣電阻、交流耐壓等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格。

（2）此變壓器于2017年12月28日返廠進(jìn)行解體檢查。將變壓器低壓Ⅱ分支繞組角接解開(kāi)，分別測(cè)試a2、b2、c2三相相電阻，其阻值分別為：6.776mΩ、6.771mΩ、8.023mΩ。檢查低壓繞組引線，每匝線圈由20股導(dǎo)線并聯(lián)，c2線圈線規(guī)數(shù)目應(yīng)為20×6.774/8.023=16.9≈17（6.774為相電阻a2和b2的平均值），由此推斷c2線圈內(nèi)存在大約3股導(dǎo)線斷股。

高、低壓線圈吊出后，高壓線圈及低壓Ⅰ分支線圈正常，低壓Ⅱ分支a2、b2相正常，c2相發(fā)現(xiàn)有明顯變形并存在線圈燒損痕跡。該線圈屬于雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外層，每層30匝，共計(jì)60匝。外層線圈有多處位置發(fā)生變形，內(nèi)層線圈無(wú)明顯變形。以外層線圈引線部位當(dāng)作起始匝，從上往下數(shù)第18匝與第19匝之間繞組有熔融、斷股現(xiàn)象，且處于此高度內(nèi)外層線圈均有不同程度熔融。由此分析認(rèn)為繞組在此處發(fā)生內(nèi)外層匝間短路（短路匝數(shù)較多，約22～24匝）。

4 模擬仿真計(jì)算

對(duì)于繞組內(nèi)較多匝數(shù)間短路，由于電磁暫態(tài)過(guò)程較為復(fù)雜，因此借助Matlab仿真軟件，搭建YNd11三相變壓器計(jì)算模型。采用三相雙繞組模型來(lái)模擬本次低壓C相繞組匝間短路情況下高壓側(cè)相電流及低壓側(cè)電壓變化特征。該模型以01號(hào)高廠變相關(guān)電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，利用變壓器等效電路，推導(dǎo)仿真模型中各類所需參數(shù)。

在總匝數(shù)60，短路匝數(shù)23的條件下，對(duì)應(yīng)匝間短路下高壓側(cè)三相電流及低壓側(cè)三相電壓，其特征表現(xiàn)：A、B相電流幅值、相位近似相同，C相電流幅值約為A、B相電流幅值的兩倍（或者兩者之和），且相位相差約180°；低壓側(cè)bc相電壓下降。此電氣量特征與低壓側(cè)bc相間短路特征一致。

之后進(jìn)一步開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，改變其電源系統(tǒng)阻抗、短路匝數(shù)百分比等參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)單相匝間短路的短路匝數(shù)達(dá)到一定數(shù)量、短路電流達(dá)到一定值時(shí)，高壓側(cè)三相電流開(kāi)始出現(xiàn)低壓側(cè)相間短路時(shí)高壓側(cè)三相電流的特征，并且隨著低壓側(cè)短路匝數(shù)的增多，高壓側(cè)三相電流的特征與低壓側(cè)相間短路時(shí)高壓側(cè)三相電流的特征越來(lái)越相似。

5 原因分析

（1）結(jié)合仿真分析、試驗(yàn)現(xiàn)象及故障錄波，可以認(rèn)為低壓Ⅱ分支c2相線圈內(nèi)匝間短路是導(dǎo)致01號(hào)高廠變跳閘的直接原因。對(duì)于初期的誤判和漏判，后期通過(guò)變壓器返廠解體檢查及仿真分析進(jìn)行糾正。

（2）對(duì)220kVⅠA母線（01號(hào)高廠變所掛母線）CVT分閘操作與變壓器故障時(shí)序進(jìn)行核對(duì)后，拉開(kāi)CVT一次刀閘在01號(hào)高廠變故障發(fā)生之前約202毫秒。分析認(rèn)為，CVT為容性負(fù)載，電流超前電壓90°，在刀閘拉開(kāi)時(shí)產(chǎn)生電弧引起系統(tǒng)震蕩，產(chǎn)生操作過(guò)電壓。

（3）該低壓繞組屬于雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，其繞組內(nèi)外層壓沿軸向從上往下逐漸減小，繞組兩端壓差最大，為繞組相電壓?？紤]變壓器在運(yùn)行中過(guò)流或啟機(jī)時(shí)勵(lì)磁涌流的沖擊，造成變壓器低壓Ⅱ分支繞組變形，經(jīng)過(guò)時(shí)間的累積效應(yīng)，內(nèi)外層繞組絕緣距離減小，在操作過(guò)電壓的作用下，絕緣被擊穿，引起內(nèi)外層匝間短路。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以一起220kV電力變壓器匝間短路故障為脈絡(luò)，從事故現(xiàn)象、電氣量特征、氣體特征等試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果分析入手，采用基于Matlab仿真軟件搭建的YNd11三相變壓器計(jì)算模型仿真的手段模擬和分析驗(yàn)證故障原因。本文分析理論與實(shí)際相結(jié)合，希望對(duì)類似的故障分析起到一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]王 成，黃宏華.電力變壓器匝間短路故障分析及處理[J].電力科學(xué)與工程，2012（01）.

收稿日期：2018-4-15

作者簡(jiǎn)介：鄧陽(yáng)源（1980-），男，工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)一次設(shè)備檢修及管理工作。