變壓器不良工況分析及應(yīng)對(duì)措施研究

南方電網(wǎng)德宏供電局 李文杰 楊建偉 田大偉 謝尚東 何順全

前言

在電力系統(tǒng)中電力變壓器一直是最核心的元器件，發(fā)揮著重要的作用，其良好運(yùn)行狀態(tài)一方面有利于變電站的安全運(yùn)行，另一方面還能有效促進(jìn)其自身經(jīng)濟(jì)壽命的良好發(fā)展。通常情況下，電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)是變電站運(yùn)維水平衡量的重要參考指標(biāo)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行的天數(shù)越久，相應(yīng)的電能質(zhì)量也就越好[1]。現(xiàn)如今，電力對(duì)人們的日常生活影響越來越深，同時(shí)伴隨帶來的就是人們對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提升。將輸送穩(wěn)定高質(zhì)量的電能作為長(zhǎng)期堅(jiān)持的奮斗目標(biāo)，這就要求對(duì)電力變壓器進(jìn)行定期的全面細(xì)致的維護(hù)與檢修，確保其能長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

當(dāng)降壓變電站中低壓側(cè)發(fā)生不良工況，變壓器會(huì)在短路電流的沖擊下跳閘。相比于正常情況下，此時(shí)流經(jīng)中壓和低壓繞組的電流是其好幾倍之多，導(dǎo)致在其繞組附近出現(xiàn)極大的交變磁場(chǎng)。因此，短路沖擊對(duì)變壓器繞組具有嚴(yán)重影響，生產(chǎn)工藝不達(dá)標(biāo)的變壓器在短路沖擊下極易損壞。除此之外，變壓器內(nèi)部繞組絕緣的變化，還會(huì)受到因短路電流產(chǎn)生的繞組所受安培力的影響[2]。一旦因受短路沖擊導(dǎo)致了變壓器的繞組塌陷，其維修將會(huì)花費(fèi)巨大。因此，除選擇使用質(zhì)量?jī)?yōu)良的變壓器外，還應(yīng)定期嚴(yán)格進(jìn)行變壓器的維護(hù)與檢修工作，在維護(hù)與檢修的過程中細(xì)致認(rèn)真確保其運(yùn)行狀態(tài)的安全穩(wěn)定。

通常情況下，除了短路電流的沖擊這一導(dǎo)致變壓器不良工況的主要原因外，其他一些如過負(fù)荷、過電壓、過勵(lì)磁等也會(huì)同樣使電網(wǎng)遭受不良沖擊。在這些眾多因素中大部分都是受電網(wǎng)中的一次電氣設(shè)備的影響，但其產(chǎn)生的原因、影響位置與影響效果各不相同。因此，進(jìn)行分析變壓器的不良工況時(shí)，必須追溯到源頭進(jìn)行準(zhǔn)確深入的了解分析并采取有效的解決措施[3]。

1 變壓器外部短路產(chǎn)生原因及影響

一般情況下，根據(jù)電力變壓器本體對(duì)電壓器故障進(jìn)行劃分，可分為內(nèi)部故障和外部故障[4]。前者主要是指變壓器繞組間、單項(xiàng)匝間短路以及變壓器繞組與殼體間的短路等方面的故障，而外部故障通常包括變壓器油箱套管閃絡(luò)滲漏油、引出線接頭發(fā)熱等外部因素。

為考慮用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單理解分析，有時(shí)也按故障回路的不同進(jìn)行分類，可分為變壓器的電路故障、磁路故障和油路故障三個(gè)方面。其中變壓器的進(jìn)出口短路就屬于電路故障一類。相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，近10年來在寧夏吳忠電網(wǎng)的110kV～220kV 變壓器發(fā)生的電路故障，可劃分為三類：由電力線路單相接地、相間短路造成的；由電力變壓器間隔中的電流互感器極性接線錯(cuò)誤造成的；因電力變壓器出線套管絕緣不合格導(dǎo)致變壓器絕緣閃絡(luò)造成的。

一般對(duì)110kV 變電站變壓器來說，變壓器進(jìn)出口短路故障是其跳閘的最常見緣由。近年來，變壓器近區(qū)還有出口短路故障的發(fā)生日益增多，通過大量的模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)考察與故障分析最終發(fā)現(xiàn)，這是由于季節(jié)原因田間小動(dòng)物活動(dòng)頻繁、一些小動(dòng)物鉆進(jìn)開關(guān)柜內(nèi)造成相間短路引起跳閘。其中，進(jìn)出口短路故障對(duì)電力變壓器的危害通常體現(xiàn)在兩方面：

降低變壓器內(nèi)部繞組機(jī)械性能。變壓器內(nèi)部繞組在其受到短路電流沖擊時(shí)，無法承受短路電流所帶來的巨大沖擊，造成變壓器內(nèi)部不同程度的損壞，比較常見的情況有繞組鼓包、扭曲甚至整體位移等。如甘肅張掖市某臺(tái)正常投入使用的變壓器，在遭受了某次低壓側(cè)短路電流沖擊后并未出現(xiàn)問題，但當(dāng)投入運(yùn)行不久后經(jīng)歷又一次短路電流沖擊后，其中壓、低壓繞組發(fā)生大面積坍塌，并且造成了變壓器整體無法修復(fù)的嚴(yán)重后果。

改變電力變壓器絕緣距離以及損害其固體絕緣。在故障發(fā)生之后會(huì)改變絕緣結(jié)構(gòu)，極易引起變壓器發(fā)生小范圍的放電，并且當(dāng)電網(wǎng)中的過電壓作用在變壓器上時(shí)，還將引起短路使變壓器內(nèi)部局部的絕緣被擊穿的嚴(yán)重后果。除此之外，如果沒有對(duì)內(nèi)部已存在小面積的局部放電及時(shí)發(fā)現(xiàn)并引起重視，同時(shí)進(jìn)行絕緣波紋紙的及時(shí)更換，那么這部分的面積將日益擴(kuò)大，發(fā)展到最后即使不受不良工況的影響，變壓器的內(nèi)部也會(huì)因?yàn)椴y紙的破裂而發(fā)生局部放電。在部分高耗能工廠此種現(xiàn)象最為常見，由于變壓器長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作沒有定期及時(shí)的進(jìn)行細(xì)致的檢修工作，并未察覺變壓器內(nèi)部的絕緣使用和受損的情況。檢修工作通常包括觀察絕緣波紋紙是否變色和絕緣油的色譜試驗(yàn)是否合格等，通過全面細(xì)致的檢修工作能夠在很大程度上降低變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電的概率。

2 變壓器過負(fù)荷產(chǎn)生原因及影響

眾所周知，在電力系統(tǒng)中所說的變壓器負(fù)荷，往往使指隨時(shí)間改變不斷發(fā)生變化的變壓器的電流大小[5]。一般來說，變壓器過負(fù)荷往往發(fā)生在用電高峰期，超出變壓器所能承受的最大范圍，除此之外也可能是幾臺(tái)并列運(yùn)行的變壓器中，某一臺(tái)發(fā)生故障或者需要臨時(shí)檢修，同樣極易發(fā)生變壓器過負(fù)荷。

總體而言，許多因素都會(huì)導(dǎo)致變壓器的絕緣老化，例如變壓器絕緣油中的微水含量、氧化劑超標(biāo)或其有色譜試驗(yàn)不合格，還有絕緣油和繞組過熱等許多方面。在這些影響因素中，繞組和絕緣油溫度、絕緣油中微水含量、氧化劑種類和含量與變壓器絕緣老化的程度均為正相關(guān)，這些影響因素越高其絕緣老化的程度就將越嚴(yán)重。變壓器的運(yùn)行狀態(tài)受其絕緣的老化程度的直接影響，變壓器的絕緣老化將會(huì)增加變壓器的負(fù)載損耗，減少其經(jīng)濟(jì)壽命等。

變壓器過勵(lì)磁，指的是當(dāng)變壓器在電壓上升或頻率降低時(shí)，引起的工作磁通密度加大時(shí)鐵芯磁通達(dá)到飽和的情況。下列情況均會(huì)引起變壓器過勵(lì)磁：電網(wǎng)因故解列后，部分電網(wǎng)因甩負(fù)荷過電壓，變壓器分接頭連接不當(dāng)，鐵磁諧振過電壓，發(fā)電機(jī)頻率未達(dá)額定值，長(zhǎng)線路末端帶空載變壓器等一系列情況；變壓器過勵(lì)磁時(shí)，不但會(huì)使鐵損增加，另一方面還會(huì)導(dǎo)致漏磁通迅速增加。此時(shí)，漏磁通引起的渦流損耗也隨之相應(yīng)增加，一旦超過其能承受的范圍造成溫升過高時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的變壓器絕緣損壞。

3 變壓器侵入波產(chǎn)生原因及影響

在變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中，除了必須承受的工作電壓外，還會(huì)時(shí)常受到雷電等外界因素所帶來的沖擊過電壓的影響[6]。對(duì)變電站來說其雷電危害主要?dú)w納為兩個(gè)方面：一方面是站內(nèi)直擊雷帶來的危害，即因雷電直擊到變電站導(dǎo)致的站內(nèi)設(shè)備損壞；另一種是雷電侵入波危害，即雷擊到輸電線路或桿塔上、避雷線上等位置時(shí)，不會(huì)直接造成設(shè)備的損害，但其產(chǎn)生的雷電波造成雷電過電壓從而間接的造成設(shè)備絕緣方面的損害。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，盡管我國(guó)是雷電多發(fā)地區(qū)，但總體而言，只要是采取了正確的避雷措施，例如安裝避雷針、避雷線和接地裝置等，其站內(nèi)因受到雷電直擊而造成嚴(yán)重?fù)p害的概率極低，因雷擊對(duì)變壓器造成損害的原因中受雷電波影響的占絕大部分。雷電侵入波會(huì)使變壓器繞組內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的電磁振蕩過程，并且產(chǎn)生相對(duì)較高的過電壓。一般來說，變壓器繞組的主、縱絕緣均采用油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。其沖擊耐受強(qiáng)度直接影響到變壓器的使用壽命。相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，繞組絕緣的失效是導(dǎo)致相應(yīng)的變壓器絕緣失效的最主要的原因。

變壓器油本質(zhì)是一種石油的分餾產(chǎn)物，成分為包含烷烴、芳香烴等碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮渥钪饕淖饔弥槐闶墙^緣，在一定程度上能極大提高變壓器的絕緣性能并防止其受潮。變壓器通常采用油-紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，纖維素是絕緣紙的主要成分，屬于線型高分子化合物。其每個(gè)鏈接中含三個(gè)羥基化學(xué)基團(tuán)，長(zhǎng)鏈間由氫鍵相鏈接。站在化學(xué)分子的角度，因氫鍵的特性使得纖維素的強(qiáng)度和彈性較好，因此其具備良好的機(jī)械性能。然而，由于電或熱故障導(dǎo)致部分化學(xué)鍵的斷裂使變壓器油劣化，隨之產(chǎn)生水分和低分子烴類氣體等極性產(chǎn)物，將會(huì)在很大程度上提升絕緣材料的介電常數(shù)和極化損耗程度，這兩項(xiàng)指標(biāo)的大小是其絕緣性能的直接反映。近年來，世界各國(guó)均不斷重視對(duì)變壓器油紙絕緣性能的研究，其中取得了較為顯著研究成果的為擊穿強(qiáng)度、熱老化和介電性能等方面。