一起400 kVA 配電變壓器出口短路故障分析

陳浩宇 ，張 健 ，崔 聰 ，咸日常 ，胡玉耀

（1.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277100；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

變壓器發(fā)生出口短路故障后，設(shè)備絕緣能力下降，損壞率高，此時應(yīng)盡快停電檢查，制定檢修方案，開展相關(guān)電氣試驗(yàn)和油中溶解氣體色譜分析試驗(yàn)［3-4］，對變壓器進(jìn)行全面故障檢測，進(jìn)而判斷設(shè)備損壞程度，確定變壓器是否可以繼續(xù)運(yùn)行。配電變壓器因其尺寸小、重量輕、搬運(yùn)方便、備品資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，故障后一般不在現(xiàn)場取油樣進(jìn)行色譜分析，只進(jìn)行絕緣電阻、變比測量等現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目，或吊罩對外觀可視部分進(jìn)行初步檢查。若影響繼續(xù)運(yùn)行，大都直接返廠或在檢修車間進(jìn)行故障的進(jìn)一步檢查與分析，測出的電氣試驗(yàn)參數(shù)及分析結(jié)果，可為之后設(shè)備的檢修運(yùn)行工作提供相關(guān)依據(jù)。

通過對一起10 kV配電變壓器繞組短路故障進(jìn)行分析，查找具體故障原因，提出了相應(yīng)的針對性維護(hù)措施和注意事項(xiàng)，為后續(xù)類似故障的處理提供一定參考。

1 事故案例介紹

2017年8月，某配電變壓器發(fā)生一起出口短路事故，該變壓器型號為：S13-M-400／10，額定容量為：400 kVA，電壓比為：10 000×（1±2×2.5%）V／400 V，聯(lián)接組編號為：Dyn11。由于該配電變壓器遭受出口短路電流強(qiáng)大沖擊，致使A相高壓繞組繞線斷股并局部變形凸起、低壓線圈嚴(yán)重變形并匝間短路，最終造成配電變壓器在運(yùn)行中燒毀，引起供電中斷。

故障后，通過對變壓器開展吊罩檢查，對繞組直流電阻、變比試驗(yàn)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量診斷，綜合分析事故原因，判別故障類型，由此提出相應(yīng)針對性改進(jìn)措施。

1.1 吊罩解體檢測

2017年8月20日對故障配電變壓器進(jìn)行返廠檢查處理，吊開鐘罩后，對該變壓器的本體可視部分進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組線餅失圓變形，外側(cè)絕緣帶破裂，匝間繞組出現(xiàn)嚴(yán)重位移現(xiàn)象。A相繞組底部線餅向內(nèi)徑側(cè)形變，相鄰線圈有凸起，應(yīng)為此處向外形變而受到擠壓所致，部分變形繞組表面絕緣布帶破損，露出裸露的銅導(dǎo)線。B、C相外觀無異常。吊罩檢查如圖1所示。

圖1 變壓器吊罩檢查

通過吊罩本體外觀檢查無法直接觀測到各相繞組低壓線圈的實(shí)際情況，考慮到A相高壓線圈已機(jī)械變形，為了能夠準(zhǔn)確判斷低壓線圈變形情況和查找設(shè)備的故障原因，制訂相應(yīng)改進(jìn)措施和檢修計(jì)劃，進(jìn)一步對該變壓器絕緣電阻、直流電阻、變比等進(jìn)行測量分析。

1.2 絕緣試驗(yàn)

絕緣試驗(yàn)主要是對繞組連同套管、鐵芯的絕緣電阻進(jìn)行測試［5］，故障后測量結(jié)果如表1所示。

秀容月明回了營帳，召集眾將。九個將領(lǐng)，只來了五個，其余四人，都跑了。秀容月明說：“這城守不住了，我決意投降，但梨友得答應(yīng)我，不得殺城中任何一個百姓。”

鐵芯接地與否是絕緣試驗(yàn)中極其重要的一部分，而這一部分在測量中常常容易被忽略［6］。在變壓器吊罩解體的過程中，應(yīng)先測量繞組和鐵芯間的絕緣，然后才能拆開鐵芯接地連接片，檢測鐵芯對地絕緣。否則，低壓繞組對高壓繞組、鐵芯及外殼的絕緣電阻值往往成為鐵芯的對地絕緣電阻值。

表1 故障后絕緣電阻測量結(jié)果

由表1可知，A、B、C三相繞組高壓繞組與鐵芯對地絕緣均正常，而低壓繞組與高壓繞組、低壓繞組與鐵芯及低壓繞組與外殼的絕緣電阻均為零，且低壓繞組繞制在最內(nèi)層靠近鐵芯處，由此可推測低壓繞組與鐵芯間的絕緣層已失去絕緣能力。

絕緣試驗(yàn)測量結(jié)束后將線圈拆解，觀察發(fā)現(xiàn)該配電變壓器低壓繞組與鐵心絕緣層已破損，鐵芯硅鋼片出現(xiàn)嚴(yán)重過熱痕跡，驗(yàn)證了絕緣電阻測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可知，在設(shè)備發(fā)生短路故障后，短路電流引起繞組變形和發(fā)熱，累積效應(yīng)又加劇了絕緣破壞的程度，導(dǎo)致繞組和鐵芯之間的絕緣擊穿，鐵芯硅鋼片損毀嚴(yán)重。鐵芯硅鋼片灼燒情況如圖2所示。

圖2 鐵芯硅鋼片出現(xiàn)過熱現(xiàn)象

1.3 直流電阻試驗(yàn)

測量繞組的直流電阻是檢驗(yàn)配電變壓器縱向絕緣性能的有效方法之一［7］。配電變壓器遭受沖擊短路電流的考驗(yàn)時，電阻損耗增加，線圈及引線連接處的薄弱部位發(fā)熱［8］，熱量集中在油箱內(nèi)無法及時消散，導(dǎo)致薄弱部位因發(fā)熱破損甚至斷裂，直流電阻明顯變大，三相不平衡率超標(biāo)。當(dāng)某相繞組層間或匝間出現(xiàn)金屬性匝間短路后，繞組絕緣能力下降甚至失去絕緣能力，引起該相直流電阻值減?。?］。

該配電變壓器高壓繞組為三角形連接方式，繞組未拆開連接線測量時，測量的直流電阻為線電阻。在對設(shè)備進(jìn)行故障診斷時為了能夠更快速地定位故障相，需將線電阻換算成相電阻。表2和表3分別給出高、低壓繞組故障前后直流電阻測量結(jié)果，其中，通過線相變換公示計(jì)算，表中高壓繞組直流電阻的測量結(jié)果均已經(jīng)換算為相電阻。

表2 高壓繞組直流電阻測量結(jié)果（第3分接）

表3 低壓繞組直流電阻測試結(jié)果

由表2可知，對比出廠時該變壓器三相直流電阻測量數(shù)據(jù)與故障后三相直流電阻數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障后三相繞組不平衡率為4.99%，遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的2%警示值［10］。故障后A相高壓繞組直流電阻數(shù)據(jù)明顯偏大，造成三相直阻不平衡率增大，推測A相線圈可能發(fā)生燒損或繞線斷股情況。

由表3可知，比較出廠時該變壓器各相直流電阻測量數(shù)據(jù)與故障后各相直流電阻測量數(shù)據(jù)，低壓側(cè)a相直流電阻明顯減小，與初值誤差為2.21%。由此推測a相線圈發(fā)生了形變，且繞組局部存在匝間或?qū)娱g短路故障，從而導(dǎo)致直流電阻超標(biāo)。但是，不能僅憑越限的直流電阻數(shù)據(jù)判別故障原因。

1.4 變比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步判別該配電變壓器的故障原因，進(jìn)行了變比試驗(yàn)［11］。與直流電阻測量相比較，分析變比試驗(yàn)的測量結(jié)果更容易發(fā)現(xiàn)繞組匝間短路故障。變比測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 變比測量數(shù)據(jù)

由表4可知，變比誤差已越限，遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的1%警示值。由變比誤差測量值為正數(shù)可知，該配電變壓器短路故障發(fā)生在低壓側(cè)。對比三相變比誤差，AB／ab的變比誤差最大，且配電變壓器為Dyn11接線，由此推斷短路故障主要發(fā)生在A相低壓繞組上。

2 故障原因分析

根據(jù)電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論，結(jié)合吊罩時發(fā)現(xiàn)的繞組變形表觀現(xiàn)象，綜合分析得到該配電變壓器出口短路故障原因如下。

通過對比分析各項(xiàng)出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)與故障后測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該配電變壓器A相繞組各項(xiàng)數(shù)據(jù)明顯變化，超出規(guī)程規(guī)定的警示范圍；通過絕緣試驗(yàn)可推斷該配電變壓器a相低壓繞組與鐵芯間的絕緣已擊穿；直流電阻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A相高壓側(cè)直流電阻增大，由此推測A相繞線可能存在燒損或斷股的情況；分析故障后繞組變比數(shù)據(jù)，A相繞組變比誤差遠(yuǎn)大于警示值，由此推斷該配電變壓器繞組中存在匝間短路故障。

進(jìn)一步分析表明，該配電變壓器因多次遭受低壓側(cè)a相出口短路電流的沖擊，低壓繞組產(chǎn)生大量熱量，熱量在油箱內(nèi)無法及時消散，導(dǎo)致繞組溫度急劇上升，熱穩(wěn)定性下降；同時，短路電流流過電氣設(shè)備會產(chǎn)生電磁應(yīng)力，短路電動力為變壓器正常運(yùn)行時繞組所受機(jī)械力的數(shù)百倍，使得繞組機(jī)械強(qiáng)度下降。由于高壓繞組與低壓繞組的電流方向相反，短路應(yīng)力使油箱內(nèi)外層的高壓繞組受到拉伸力向外擴(kuò)張，內(nèi)層的低壓繞組受到壓縮力向內(nèi)收縮。線圈之間相互擠壓、拉伸，使繞組匝間、繞組與鐵芯間的絕緣距離發(fā)生變化，導(dǎo)致設(shè)備絕緣強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性下降，進(jìn)而發(fā)生匝間短路、繞組斷線、鐵芯燒損等故障。短路電流對變壓器的累積效應(yīng)使繞組變形程度不斷加劇、絕緣損壞范圍擴(kuò)大，是該配電變壓器發(fā)生低壓繞組出口短路故障的主要原因。

該設(shè)備長期處于故障運(yùn)行狀態(tài)，短路電流累積效應(yīng)造成低壓繞組與鐵芯間的絕緣擊穿，巨大的短路電流使鐵芯燒損。同時，在短路應(yīng)力作用下，A相高壓繞組也發(fā)生了不可逆形變，引起繞組線匝嵌進(jìn)、導(dǎo)線斷裂。最終導(dǎo)致配電變壓器損毀，引起供電中斷。

3 防范措施

通過對1臺400 kVA配電變壓器出口短路故障及發(fā)生原因進(jìn)行初步判斷，結(jié)合吊罩檢查、直流電阻試驗(yàn)、變比試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)對故障進(jìn)行診斷，分析影響配電變壓器出口短路的原因，提出相應(yīng)的針對性防范措施。

1）因低壓負(fù)荷側(cè)連接線眾多，使用場景復(fù)雜，在常規(guī)運(yùn)行環(huán)境下，配電變壓器時常會受到各種運(yùn)行條件下突發(fā)性短路電流的考驗(yàn)，容易發(fā)生短路故障。因此，應(yīng)及時采取相應(yīng)針對性措施降低故障發(fā)生可能性。在設(shè)備組裝過程中注意配電變壓器鐵芯、繞組及分接開關(guān)等的細(xì)節(jié)加工，提高產(chǎn)品制造工藝水平，防止因螺栓松動、引線斷裂、鐵芯變形等問題引起的漏磁增加，使變壓器油箱內(nèi)部過熱、絕緣強(qiáng)度降低；盡量選用耐熱性強(qiáng)和機(jī)械強(qiáng)度較高的絕緣材料，優(yōu)化產(chǎn)品性能，從而提高設(shè)備抗短路能力。

2）對于頻繁受到短路電流沖擊的配電變壓器，即使設(shè)備仍能正常運(yùn)行，也可能會因微小變形導(dǎo)致配電變壓器繞組機(jī)械失穩(wěn)或喪失絕緣能力。因此，應(yīng)重視配電變壓器的日常維護(hù)管理工作，積極開展各項(xiàng)檢修計(jì)劃，跟蹤做好相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，建立設(shè)備運(yùn)行的在線檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)；對在惡劣運(yùn)行環(huán)境下運(yùn)行的配電變壓器應(yīng)盡量縮短檢修周期，及時判別繞組健康狀態(tài)，避免因未及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障而形成的安全隱患，造成設(shè)備運(yùn)行中的供電中斷。

3）對故障設(shè)備進(jìn)行故障原因分析時，不能僅通過一個狀態(tài)量來判斷故障類型，應(yīng)對包括直流電阻、絕緣電阻、變比、介質(zhì)損失值等試驗(yàn)的測量結(jié)果進(jìn)行全面分析，再結(jié)合配電變壓器自身負(fù)荷情況及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷，相應(yīng)測量數(shù)據(jù)較以往數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差時，即使該數(shù)據(jù)仍處于正常范圍內(nèi)，也應(yīng)進(jìn)行特別關(guān)注。如有必要，應(yīng)進(jìn)行吊罩檢查，充分考慮累積效應(yīng)對配電變壓器繞組的影響，降低潛伏性故障發(fā)生概率，提高配電變壓器故障診斷能力，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

對一起400 kVA配電變壓器遭受出口短路沖擊后繞組發(fā)生變形的典型案例進(jìn)行分析，通過吊罩檢查，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合診斷分析，判斷故障類型及危害程度。提出了配電變壓器在發(fā)生出口短路故障時，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性的具體措施，為今后設(shè)備的安全運(yùn)行積累數(shù)據(jù)與故障判斷經(jīng)驗(yàn)。