一起220 kV變壓器匝間短路故障診斷與分析

梁弘毅1，廖文龍，劉 睿

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，電力用戶(hù)對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高。大型電力變壓器作為電網(wǎng)的核心設(shè)備，一旦故障，將可能引起大面積停電，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，造成重大損失。因此，開(kāi)展變壓器故障診斷與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并防范各類(lèi)變壓器典型故障，對(duì)于提高變壓器管理水平和供電可靠性具有重要意義。

據(jù)文獻(xiàn)[1]，變壓器匝間故障占電網(wǎng)大型變壓器故障的70%～80%，是變壓器內(nèi)部故障的主要形式。針對(duì)此故障已有較多研究，如：文獻(xiàn)[2]對(duì)一起110 kV變壓器調(diào)壓線(xiàn)圈的匝間短路故障進(jìn)行了診斷分析；文獻(xiàn)[3—4]對(duì)兩起穿纜式套管頂部進(jìn)水引起變壓器匝間短路故障進(jìn)行了診斷分析；文獻(xiàn)[5]對(duì)一起220 kV主變壓器高壓繞組匝間短路故障進(jìn)行分析，通過(guò)電路仿真，發(fā)現(xiàn)高壓繞組單相匝間短路匝數(shù)較多時(shí)電氣特征與低壓繞組相間短路相似，即兩相電流相位接近、另一相電流反相，并對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；文獻(xiàn)[6—7]對(duì)變壓器繞組匝間短路故障進(jìn)行有限元仿真，提出了匝間短路故障的電、熱、力特征，為匝間短路故障保護(hù)提供支撐；文獻(xiàn)[8—10]從差動(dòng)電流、中性點(diǎn)電流、阻抗、電熱特性融合等角度出發(fā)，提出了變壓器匝間短路的識(shí)別和保護(hù)方法。

變壓器繞組匝間短路的特征及危害與發(fā)生短路的匝數(shù)相關(guān)：短路匝數(shù)較多時(shí)，故障電氣特征及物理特征明顯，易于診斷；當(dāng)短路匝數(shù)較少時(shí)，其故障特征和診斷難度也相對(duì)更大。下面對(duì)一起220 kV變壓器匝間短路故障進(jìn)行分析，從保護(hù)動(dòng)作、診斷試驗(yàn)以及解體檢查3個(gè)維度，對(duì)變壓器典型匝間短路的故障特征及診斷過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 故障概述

220 kV某變電站2號(hào)主變壓器雙套保護(hù)差動(dòng)動(dòng)作，主變壓器三側(cè)斷路器三相跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：2號(hào)主變壓器本體瓦斯觀(guān)察窗有大量氣體；現(xiàn)場(chǎng)二次回路檢查及保護(hù)定值檢查無(wú)異常；報(bào)告動(dòng)作相別為A相，差流折算至高壓側(cè)一次電流約130 A。

故障主變壓器型號(hào)為SFPSZ9-120000/220，額定容量為120 000/120 000/60 000 kVA，額定電壓為230/121/10.5 kV，聯(lián)接組標(biāo)號(hào)為YN,yn0,d11，該變壓器故障跳閘時(shí)已運(yùn)行18年。

2 保護(hù)動(dòng)作分析

2.1 2號(hào)主變壓器1號(hào)保護(hù)(PCS-978)

28 ms時(shí)縱差工頻變化量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作相別為A相；縱差電流ΔId最大值為0.39Ie(Ie為主變壓器高壓側(cè)額定電流1.2 A)即0.468 A，大于0.2Ie(即工頻變化量啟動(dòng)值Idh)且大于0.6ΔIr(ΔIr為制動(dòng)電流)即0.383 A，故2號(hào)主變壓器1號(hào)保護(hù)裝置正確動(dòng)作。動(dòng)作方程如式(1)所示，動(dòng)作特性如圖1所示。

(1)

式中：ΔIdt為浮動(dòng)門(mén)檻電流；Idth為固定門(mén)檻電流；ΔIr為各側(cè)總差動(dòng)電流；ΔImφ為第m側(cè)φ相差動(dòng)電流；ΔIm為第m側(cè)差動(dòng)電流。

圖1 主變壓器縱差工頻變化量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

2.2 2號(hào)主變壓器2號(hào)保護(hù)(WBH-801)

23 ms時(shí)增量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作相別為A相。差動(dòng)電流Iop=0.435 A，制動(dòng)電流Ires=0.468 A，Iop大于0.2Ie(即增量差動(dòng)啟動(dòng)值)且大于0.65ΔIres即0.304 A。A相滿(mǎn)足動(dòng)作條件，2號(hào)保護(hù)動(dòng)作正確。動(dòng)作方程如式(2)所示，動(dòng)作特性如圖2所示，圖中K為比率制動(dòng)系數(shù)。

(2)

圖2 主變壓器增量變化量差動(dòng)動(dòng)作特性

2.3 2號(hào)主變壓器非電量保護(hù)(WBH-802)

2號(hào)主變壓器非電量保護(hù)發(fā)出本體輕瓦斯動(dòng)作信號(hào)，該信號(hào)只作用于發(fā)告警信號(hào)，不涉及跳閘。從保護(hù)原理可知，2號(hào)主變壓器工頻變化量差動(dòng)及增量差動(dòng)保護(hù)主要解決主變壓器內(nèi)部輕微匝間故障或高阻接地故障，具有很高的靈敏度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)及波形圖，2號(hào)主變壓器的1號(hào)、2號(hào)保護(hù)裝置正確動(dòng)作，故障為A相，差流折算至高壓側(cè)一次電流約為130 A，結(jié)合主變壓器1號(hào)保護(hù)工頻變化量差動(dòng)原理及主變壓器2號(hào)增量差動(dòng)保護(hù)原理，初步判斷為主變壓器繞組內(nèi)部A相有輕微匝間故障或高阻接地故障。

3 診斷試驗(yàn)

3.1 油色譜檢測(cè)

主變壓器跳閘后，對(duì)主變壓器中部油樣、下部油樣、瓦斯內(nèi)氣體、瓦斯內(nèi)油樣進(jìn)行了色譜分析。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 跳閘后主變壓器油色譜檢測(cè)結(jié)果單位：uL/L

故障前，油色譜檢測(cè)正常。故障后，本體油色譜中乙炔檢測(cè)值超過(guò)注意值，三比值編碼為111，故障類(lèi)型為電弧放電。分析可能的原因有線(xiàn)圈匝間或?qū)娱g短路、相間閃絡(luò)、線(xiàn)圈熔斷、引線(xiàn)對(duì)其他接地體放電等。

3.2 頻率響應(yīng)測(cè)試

進(jìn)一步開(kāi)展電氣診斷試驗(yàn)。繞組頻率響應(yīng)測(cè)試顯示，中壓、低壓各相繞組橫向一致性較好，未發(fā)現(xiàn)異常，如圖3所示。但A相高壓繞組在低頻段與B、C相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)0.5，如表2所示。根據(jù)DL/T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》判斷A相高壓繞組存在異常。與交接試驗(yàn)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)相比(如圖4所示)，發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組在低頻段與交接試驗(yàn)時(shí)的曲線(xiàn)相關(guān)性較差，其余各相繞組頻率響應(yīng)曲線(xiàn)與交接試驗(yàn)時(shí)相比均無(wú)異常。由于A(yíng)相高壓繞組頻率響應(yīng)異常區(qū)段為低頻段，對(duì)應(yīng)于繞組電感異常，推斷A相存在匝間短路故障。

圖3 主變壓器高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

表2 高壓三相繞組間頻率響應(yīng)相關(guān)系數(shù)

圖4 A相高壓繞組頻率響應(yīng)曲線(xiàn)與交接曲線(xiàn)

3.3 低電壓空載試驗(yàn)

對(duì)于匝間短路缺陷，低電壓空載電流測(cè)試比繞組直流電阻、變壓比、短路阻抗等診斷方法具有更高的靈敏度。低電壓空載電流測(cè)試結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，a-bc與c-ab相繞組空載電流嚴(yán)重異常，而b-ca相繞組空載電流正常，故判斷A相磁路及磁路相關(guān)繞組存在故障。

表3 低電壓空載電流試驗(yàn)結(jié)果

3.4 繞組直流電阻測(cè)量

對(duì)主變壓器各繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)量，依據(jù)Q/GDW 1168—2013 《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》：“1.6 MVA以上變壓器，各項(xiàng)繞組電阻相間的差別不應(yīng)大于三相平均值的2%，無(wú)中性點(diǎn)引出的繞組，線(xiàn)間差別不應(yīng)大于三相平均值的1%；同相初值差不超過(guò)±2%”，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

3.5 變壓比測(cè)量

變壓比測(cè)量發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組對(duì)低壓繞組的部分擋位的測(cè)量結(jié)果不合格：額定擋誤差超過(guò)0.5%；有2個(gè)擋位與初值差超過(guò)1%，最大為1.45%。B、C相變壓比誤差測(cè)量結(jié)果均符合規(guī)程Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

測(cè)量中壓繞組對(duì)低壓繞組變壓比時(shí)，試驗(yàn)儀器報(bào)“接線(xiàn)錯(cuò)誤”，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試。反復(fù)排查后確認(rèn)試驗(yàn)接線(xiàn)無(wú)問(wèn)題。經(jīng)分析認(rèn)為，在變壓器一個(gè)繞組存在匝間短路時(shí)，由于匝間短路產(chǎn)生短路電流的去磁效應(yīng)會(huì)引起鐵芯磁通減少：當(dāng)使用故障繞組作為原邊、正常繞組作為副邊進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電壓比變化不明顯，特別是短路匝數(shù)較少時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致電壓比測(cè)量值接近正常值；而使用正常繞組作為原邊測(cè)試時(shí)，故障繞組匝間短路產(chǎn)生的短路電流需由原邊提供，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備因過(guò)流報(bào)“接線(xiàn)錯(cuò)誤”。因此該主變壓器的變壓比測(cè)量，雖然能夠完成高壓繞組對(duì)中壓繞組的測(cè)量，但測(cè)量數(shù)據(jù)已失去參考意義；測(cè)量中壓繞組對(duì)低壓繞組變壓比時(shí)報(bào)“接線(xiàn)錯(cuò)誤”，說(shuō)明匝間短路位于高壓繞組。

3.6 絕緣電阻及電容介損測(cè)試

絕緣電阻、電容及介質(zhì)損耗測(cè)試數(shù)據(jù)均無(wú)明顯異常。

綜合以上診斷性試驗(yàn)結(jié)果，初步判斷2號(hào)主變壓器高壓側(cè)A相差動(dòng)保護(hù)跳閘，是由A相高壓繞組匝間短路故障引起，且短路的匝數(shù)較少。

4 解體檢查

將該變壓器返廠(chǎng)后，對(duì)其進(jìn)行了拔圈檢查，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)A相高壓線(xiàn)圈確實(shí)存在繞組匝間短路故障，其余繞組無(wú)異常。短路放電燒蝕部位位于高壓線(xiàn)圈上端部，涉及短路匝數(shù)較少，放電燒蝕程度整體較輕。解體檢查結(jié)果與診斷分析結(jié)論一致。

圖5 A相高壓繞組匝間短路

5 結(jié) 論

上面對(duì)一起220 kV變壓器匝間短路故障進(jìn)行了分析，從保護(hù)動(dòng)作、診斷試驗(yàn)以及解體檢查3個(gè)維度，對(duì)變壓器典型匝間短路的故障特征及診斷過(guò)程進(jìn)行了介紹，形成以下結(jié)論：

1)縱聯(lián)差動(dòng)及增量差動(dòng)保護(hù)方法，對(duì)于變壓器匝間短路故障保護(hù)，具有較好的靈敏度，所述故障案例中2套差動(dòng)保護(hù)均正確動(dòng)作；

2)電氣診斷試驗(yàn)方法中，低電壓空載電流測(cè)試相比其余試驗(yàn)項(xiàng)目，在輕微匝間短路診斷上，具有更好的靈敏度；

3)電壓比測(cè)量時(shí)，匝間短路繞組作為電流短路繞組時(shí)，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備過(guò)流并提示“接線(xiàn)錯(cuò)誤”，診斷試驗(yàn)中應(yīng)引起重視。