一起220kV變壓器突發(fā)短路故障分析

張 云 李少逸 黃曉波

（廣東電網(wǎng)有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516003）

電力變壓器是電網(wǎng)中的主要一次設(shè)備，其安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到供電可靠性。隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，短路電流不斷增大，老舊大型變壓器因外部短路電流誘發(fā)的內(nèi)部突發(fā)短路故障時有發(fā)生[1-7]，而變壓器電壓等級和容量的越大，后果越嚴重。老舊大型變壓器因設(shè)計、制造、材料所限，抗短路能力較為薄弱，在突發(fā)外部短路沖擊時，線圈流過超過額定值十倍以上的短路電流，常造成繞組變形和絕緣損壞情況。

本文介紹了近期發(fā)生的一起220kV變壓器突發(fā)短路過程，針對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行了分析，對返廠解體情況進行了說明，根據(jù)解體情況，得出了故障原因，并提出了老舊大型變壓器提高抗短路能力的建議措施。

1 故障后檢查情況

1.1 繼電保護動作情況

2016年 8月13日 19∶26，某220kV變電站#1主變本體差動保護及重瓦斯保護動作，跳開#1主變變高2201開關(guān)、變中1101開關(guān)、變低501開關(guān)，10kV母聯(lián)備自投動作，合上10kV分段500開關(guān)，10kV 1M母線負荷由#2主變供，無負荷損失。

該主變型號為 SFSZ7-150000/220，1994年 11月出廠，聯(lián)結(jié)組別為YNyn0D11，額定電流：高壓/中壓/低壓為393.6A/715.7A/3936.5A，阻抗電壓：高壓-中壓為 13.8%，高壓-低壓為 24%，中壓-低壓為7.53%，預試、定檢、檢修及日常巡視等均按期進行，未發(fā)現(xiàn)試驗不合格情況，未發(fā)生過任何故障，故障前主變沒有未消缺記錄。

故障前變電站現(xiàn)場為雷雨天氣，無倒閘操作，跳閘前#1主變負荷：78.7MVA，變高電流 280A；上層油溫：46℃；跳閘前后繼電保護動作情況：

1）2016年 8 月 13 日 19∶26∶31∶59，該站 110kV某球甲線接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護跳閘，重合成功。

2）2016年 8月 13日 19∶26∶31∶163，#1主變差動保護第一次啟動，差動電流0.47Ie。

3）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶193，#1主變重瓦斯保護動作出口。

4）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶221，#1主變差動保護第二次啟動，差動電流0.45Ie。

5）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶232，#1主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳開。

根據(jù)現(xiàn)場保護動作及雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)分析，主變發(fā)生故障前：2016年8月13日19∶26∶31該站110kV某線路接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護動作跳閘，重合成功，B相故障，測距2.78km，故障時刻二次零序電流14.44A，一次電流8.2kA，#1主變變中B相一次電流6.864kA。跳閘線路前后1min1km范圍內(nèi)落雷 3個，最大雷電?8.4kA，落雷點位于N13—N14之間。

對#1主變本體及相關(guān)附件檢查，發(fā)現(xiàn)主變本體瓦斯繼電器存在氣體。

1.2 主變試驗檢查情況

對#1主變本體取油樣，對本體瓦斯取氣體化驗。

檢測結(jié)果見表 1。第二行為絕緣油測試結(jié)果，第三行為瓦斯其他測試結(jié)果。

表1 絕緣油色譜測試結(jié)果

主變故障后油樣及瓦斯氣體分析結(jié)果氫氣、乙炔、總烴均超注意值，乙炔達33.4μL/L，瓦斯氣體分析中氫氣、乙炔、總烴也遠遠超過注意值，特別是乙炔達457.18μL/L，三比值故障代碼為1, 2, 0判斷主變內(nèi)部存在電弧放電兼過熱。

電氣試驗結(jié)果顯示，主變?nèi)齻?cè)絕緣電阻比出廠、交接及上一次預試值有明顯下降；變低繞組直流電阻測試結(jié)果見表 2，不平衡率超過規(guī)程要求值，繞組變形頻響法圖譜如圖1至圖3所示，主變繞組變形顯示變低B相存在較嚴重變形，變中繞組存在一定變形。

表2 變低繞組直流電阻測試結(jié)果

圖1 變高繞組變形測試圖譜

圖2 變中繞組變形測試圖譜

圖3 變低繞組變形測試圖譜

綜合繼電保護動作、油氣試驗及高壓試驗信息，初步判斷該站#1主變故障因主變中壓側(cè)因線路發(fā)生近區(qū)短路，線圈流過短路穿越電流，引發(fā)線圈變形和絕緣擊穿放電引起主變跳閘故障。

2 返廠吊罩檢查情況

將該變壓器運回變壓器制造廠，分別吊出三相調(diào)壓、高壓和低壓線圈進行解體檢查。調(diào)壓線圈、A、C相線圈未見異常。外觀檢查B相調(diào)壓線圈、高壓線圈，無發(fā)現(xiàn)過熱、放電和絕緣損壞等現(xiàn)象。

B相對應(yīng)鐵心上鐵軛存在大量燒蝕的紙屑，B相壓板表面遺留有銅珠、紙屑，如圖4所示。拆除上夾件時，發(fā)現(xiàn)B相上部夾件存在過熱燒融痕跡，線圈壓緊力情況：線圈壓緊方式為壓釘型，在拆解過程中發(fā)現(xiàn)線圈壓板壓緊力小導致線圈軸向壓緊力不夠。如圖4所示。

圖4 B相壓板表面痕跡

拆除三相繞組端部絕緣，發(fā)現(xiàn)B相低壓線圈的導線嚴重燒蝕，端部大部分絕緣破損，導線扭曲變形嚴重，如圖5所示。

圖5 B相線圈端部情況

檢查發(fā)現(xiàn)B相中壓線圈下部第40餅嚴重變形，上部起第9餅導線亦存在輕微變形，確定不可修復。中、高壓間其中2層軟直筒對應(yīng)中壓線圈線餅變形處發(fā)生開裂現(xiàn)象，線圈墊塊發(fā)生位移。如圖6、圖7所示。

檢查發(fā)現(xiàn)低壓線圈外紙筒局部發(fā)黑，低壓線圈靠A相側(cè)存在與鐵心兩點放電電弧痕跡，低壓線圈上部約8餅線嚴重過熱燒蝕，部分導線出現(xiàn)斷股現(xiàn)象，低壓線圈中下部（對應(yīng)中壓線圈變形位置）局部呈現(xiàn)塌陷變形。低壓線圈下部的托板亦受到污染，如圖8、圖9所示。

圖6 中壓線圈變形情況

圖7 中壓線圈墊塊移位情況

圖8 B相低壓線圈變形情況

測量鐵心對夾件之間的絕緣電阻良好，區(qū)間絕緣電阻合格，檢查鐵心與夾件之間、鐵心與拉板之間的絕緣，無破損、過熱等異常現(xiàn)象。

檢查所有鐵心表面，B相心柱上部靠A相側(cè)有電弧放電痕跡，其他無過熱、變色及放電燒傷痕跡等異常情況。

圖9 B相低壓線圈塌陷情況

3 變壓器故障原因分析

3.1 運行原因分析

根據(jù)主變返廠解體檢查情況分析，主變在運行中受外部短路穿越電流的沖擊作用，本次短路電流（6.864kA）為變中線圈額定電流（0.7157kA）的9.59倍，主變B相變中、變低線圈在電動力影響下變形，變低線圈絕緣破裂出現(xiàn)匝間短路，導致變壓器差動保護動作，是本次事故的直接原因。

3.2 變壓器結(jié)構(gòu)原因

該主變低壓線圈采用單螺旋結(jié)構(gòu)，軸向彈性大，短路時容易產(chǎn)生強烈振動[8-9]，極易造成絕緣破損。此外該主變中低壓繞組采用軟紙筒結(jié)構(gòu)，紙筒沒有內(nèi)撐條，機械強度低，抗短路沖擊能力弱，使低壓線圈和中壓線圈存在虛位，在短路電流作用下，線圈容易產(chǎn)生幅向失穩(wěn)，幅向電動力使中壓繞組部分線餅同時向內(nèi)凹陷，同時造成低壓線圈凹陷。軸向線圈壓緊力不強，在軸向電動力作用下，中壓線圈墊塊出現(xiàn)位移變形。而結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是影響抗短路能力的首要因素[10]。根據(jù)研究，低壓線圈幅向應(yīng)力最大點出現(xiàn)在撐條與線餅的接觸面，而最大應(yīng)變位于線餅外圓[11]。這與解體發(fā)現(xiàn)的變形情況相符。

3.3 變壓器制造工藝原因

早期產(chǎn)品在工藝控制方面不夠完善，如線圈干燥時未作恒壓干燥，繞組撐條布置不合理等。在變壓器短路條件下，由于繞組與撐條間存在間隙，試驗證明半數(shù)支撐有效計算的應(yīng)力與實際失效應(yīng)力接近，因此應(yīng)考慮 1/2有效內(nèi)支撐計算強制翹曲極限應(yīng)力。根據(jù)變壓器繞組翹曲計算公式，增大導線尺寸和保證撐條有效支撐都能提高繞組輻向穩(wěn)定性，增大導線輻向厚度對改善繞組輻向穩(wěn)定性效果最明顯。對于內(nèi)繞組而言，增大單根導線厚度、減小擋間距及增大導線應(yīng)力都能有效提高繞組輻向臨界應(yīng)力。對自粘組合或自粘換位導線，其輻向臨界應(yīng)力系數(shù)與國標平均環(huán)形壓縮應(yīng)力系數(shù)接近；對常規(guī)和組合導線，其輻向臨界應(yīng)力系數(shù)比國標平均環(huán)形壓縮應(yīng)力系數(shù)大。

3.4 變壓器材料原因

該主變低壓線圈材質(zhì)為普通的銅質(zhì)導線，沒有采用半硬銅質(zhì)導線，使得線圈抗拉許用應(yīng)力值減少，一旦平均拉伸應(yīng)力超過抗拉許用應(yīng)力值，線圈極易發(fā)生變形[12-13]。根據(jù)變壓器繞組強度計算可知，平均環(huán)形壓縮應(yīng)力是保證繞組輻向不失穩(wěn)的最基礎(chǔ)、最重要的應(yīng)力，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)此應(yīng)力和國標要求來選擇導線屈服強度Rp0.2。對于220kV變壓器，若低壓或中壓繞組半容量，其短路機械強度要重點考慮，最好使用換位導線[3]。

4 建議措施

1）加強對老舊變壓器抗短路能力的校核，對發(fā)現(xiàn)抗短路能力不足的產(chǎn)品，采取加裝限流電抗器或大修加固的方式，進行強化。

2）在保證經(jīng)濟性的同時，適當提高主變抗短路能力設(shè)計裕度，是最有效因素，優(yōu)先選擇經(jīng)受短路電流型式試驗合格的產(chǎn)品設(shè)計，確保主變抗短路能力。

3）保證變壓器的制造工藝水平，包括線圈繞緊、套裝撐緊、器身壓緊等，能有效保證抗短路設(shè)計裕度在制造階段的落實[14-16]。

4）合理設(shè)置變壓器重合閘保護配置，避免老舊變壓器長時間承受短路電流或遭受二次沖擊，由于累計效應(yīng)造成損壞。

5）根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及反措要求，老舊變壓器的內(nèi)線圈應(yīng)改為半硬銅自粘性換位導線，從而提高內(nèi)線圈的抗短路能力。

5 結(jié)論

本文詳細介紹了一起220kV老舊變壓器在突發(fā)外部短路電流的沖擊下發(fā)生線圈變形和短路的故障，對原因進行了分析，提出了建議措施。

老舊變壓器抗短路能力隨著運行年限的增長而下降，因此改善其運行環(huán)境，降低安裝地點的短路電流，或大修進行強化，具有重大意義，而日常預試中加強繞組變形測試圖譜的比較分析，對發(fā)現(xiàn)老舊主變線圈變形過程也具有積極意義。

參考文獻

[1] 于洋, 耿寧, 陳勇強, 等. 一起變壓器繞組變形缺陷的診斷分析與解體驗證[J]. 高壓電器, 2016, 52(8):172-176.

[2] 劉勝軍. 突發(fā)短路造成 220kV變壓器損耗原因分析及處理[J]. 變壓器, 2013, 50(12): 75-78.

[3] 劉軍, 張安紅. 電力變壓器承受短路能力的比較研究(下)[J]. 變壓器, 2015, 52(4): 41-44.

[4] 趙鑫. 一臺 110kV主變壓器故障原因分析及措施研究[J]. 變壓器, 2013, 50(5): 75-76, 后插1-后插2.

[5] 朱建軍, 黃國泉, 王中, 等. 突發(fā)短路造成110kV主變壓器損壞原因分析[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(8):58-59.

[6] 富強. 突發(fā)短路故障造成變壓器損壞的原因分析及預防措施[J]. 高壓電器, 2008, 44(6): 569-573.

[7] 郭偉, 韓玉停, 徐旭初, 等. 一臺220kV主變在繞組故障分析與處理過程中引發(fā)的思考[J]. 中國電力,2015, 48(10): 107-112.

[8] 劉旸, 周志強, 陳浩. 大型電力變壓器短路事故分析與反事故措施[J]. 東北電力技術(shù), 2015, 36(5):30-32.

[9] 凌子恕. 110kV變壓器短路損耗故障分析及建議[J].電網(wǎng)技術(shù), 1996, 20(6): 13-17.

[10] 傅晨釗, 黃華, 魏本剛, 等. 變壓器短路故障概率模型與估算方法研究[J]. 華東電力, 2010, 38(12): 1862-1865.

[11] 閆振華, 馬波, 馬飛越, 等. 220kV 電力變壓器短路動力學性能分析[J]. 高壓電器, 2014, 50(3): 79-83, 87.

[12] 姜益民. 變壓器運行中短路損壞的常見部位及原因分析[J]. 變壓器, 2005, 42(4): 34-38.

[13] 孫翔, 何文林, 詹江楊, 等. 電力變壓器繞組變形檢測與診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 高電壓技術(shù), 2016,42(4): 1207-1220.

[14] 洛君婷. 影響變壓器突發(fā)短路能力的兩個因素[J].變壓器, 2008, 45(11): 13-16.

[15] 謝毓城. 電力變壓器手冊[M]. 機械工業(yè)出版社,2003.

[16] GB 1094.5—2008. 電力變壓器承受短路的能力[S].