500kV變電站主變壓器運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)探討

國(guó)網(wǎng)湖北超高壓公司荊門運(yùn)維分部 陳光輝 陳 晨 李佩瑤 王沐東

國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司 羅 溪 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂中運(yùn)維分部 羅丹妮 項(xiàng)書婉

500kV變電站一般作為樞紐變電站，是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，其主要作用和功能集中在以下五個(gè)方面：對(duì)不同發(fā)電廠的發(fā)電主干線路予以匯集，并與電力網(wǎng)中的若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)、下一級(jí)電壓的電力網(wǎng)連接；作為大中型發(fā)電廠最高一級(jí)電壓電力網(wǎng)的連接點(diǎn)；多個(gè)樞紐變電站以及電網(wǎng)主干線路共同組成電力網(wǎng)的骨架；可作為相鄰電力系統(tǒng)之間的“聯(lián)絡(luò)點(diǎn)”；為下一級(jí)電壓電力網(wǎng)提供電源。500kV變電站能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能、發(fā)揮相應(yīng)的作用的前提是，變電站的核心設(shè)備——主變壓器必須長(zhǎng)時(shí)間處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，且得到高質(zhì)量維護(hù)。

1 500kV變電站主變壓器內(nèi)涵簡(jiǎn)析

1.1 500kV變電站主變壓器的特點(diǎn)

不同類型的發(fā)電廠在日常生產(chǎn)中，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能之后，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳輸給廣大用電戶。如果在低電壓下傳播，大量電能會(huì)被損耗，綜合利用率極低。因此，在電力電網(wǎng)的起始端及中段分別設(shè)置變電站，并在其中設(shè)置變壓器設(shè)備，使電能從電廠出發(fā)時(shí)，升級(jí)成高電壓，將電能傳輸至用電戶端前降低為低壓，可有效降低傳輸過程中的電能損耗量。無(wú)論是何種級(jí)別的變電站，其主變壓器的特點(diǎn)大同小異。

如圖1所示為變壓器的原理圖，具體來(lái)說(shuō)，圖1中的整體結(jié)構(gòu)即為變壓器。其中，紫色線圈為與電源連接的線圈，主要用于接收交流電，這便是“一次繞組”，U1、I1、E1、N1分別表示一次繞組的電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、零線有關(guān)參數(shù)（如零線的電壓）；圖1中的綠色線圈為與負(fù)載相連的線圈，用于送出交流電能，被稱為“二次繞組”，其中U2、I2、E2、N2分別表示二次繞組的電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、零線有關(guān)參數(shù)。變壓器同時(shí)與一次繞組、二次繞組交鏈，磁通量的向量一般以φm表示，該磁通量便是主磁通量。

圖1 變壓器構(gòu)成及運(yùn)行原理圖

當(dāng)變壓器一次繞組、二次繞組的電壓、電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的變化規(guī)律呈現(xiàn)出“正弦”波動(dòng)的特點(diǎn)時(shí)：一次繞組電壓/二次繞組電壓=一次繞組電動(dòng)勢(shì)/二次繞組電動(dòng)勢(shì)=一次繞組零線處電壓/二次繞組零線處電壓。如果忽略變壓器鐵芯的損失，那么根據(jù)能量守恒定律可得出的結(jié)論是，一次繞組的功率（即一次繞組的額定電流與額定電壓的乘積）與二次繞組完全相同，這意味著一次繞組、二次繞組的額定電壓和額定電流均完全相同?？傮w來(lái)看，500kV變電站主變壓器的構(gòu)成與其他級(jí)別變壓器之間并無(wú)本質(zhì)不同。

1.2 500kV變電站主變壓器的配置與運(yùn)行原理

本文案例中，500kV變電站主變壓器主要配置為“雙重保護(hù)”模式。其中，主保護(hù)一般采用“縱聯(lián)差動(dòng)”機(jī)制——當(dāng)主變壓器發(fā)生故障且達(dá)到一定嚴(yán)重程度時(shí)，差動(dòng)保護(hù)機(jī)制會(huì)迅速啟動(dòng)，將變壓器從電網(wǎng)電路中斷開（電源不再向變壓器供電）[1]。在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)還會(huì)對(duì)變壓器覆蓋范圍內(nèi)的電流情況進(jìn)行有效檢測(cè)，以確定最大故障電流所在區(qū)域，最終達(dá)到保護(hù)變壓器的目的。為有效提高500kV變電站主變壓器的靈敏度，技術(shù)人員需以牽制系統(tǒng)作為比對(duì)對(duì)象，完成對(duì)主變壓器的設(shè)置。這樣做的目的在于，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障之后，由于產(chǎn)生的短路電流會(huì)明顯超出正常電流，故相應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)作電流也會(huì)隨之增大。這時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)基于制動(dòng)比率，在極短時(shí)間內(nèi)迅速做出選擇。

1.3 500kV變電站主變壓器運(yùn)行相關(guān)要求分析

本案例中，500kV變電站主變壓器若要正常運(yùn)行，對(duì)環(huán)境、溫度、電源電壓變化等提出的要求如下：其一，對(duì)環(huán)境的要求。500kV變電站主變壓器所處的環(huán)境的溫度必須長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性。原因在于，如果環(huán)境溫度發(fā)生較為明顯的變化，則500kV變電站主變壓器的使用壽命會(huì)在不同程度上降低。有數(shù)據(jù)表明，如果變壓器的絕緣溫度長(zhǎng)時(shí)間處于95℃這一較為恒定的狀態(tài)，那么變壓器可以在近20年內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，性能幾乎不會(huì)明顯下降；如果變壓器的絕緣溫度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到105℃時(shí)，變壓器的壽命會(huì)大幅度降低，最多只能穩(wěn)定運(yùn)行7年；如果變壓器的絕緣溫度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到120℃的高溫狀態(tài)，那么變壓器最多使用2年，便有可能發(fā)生不可逆的損害，情況嚴(yán)重時(shí)甚至直接報(bào)廢。

基于此，技術(shù)人員必須對(duì)變壓器所處環(huán)境進(jìn)行有效檢查，確保變壓器絕緣溫度長(zhǎng)時(shí)間處于95℃及以下，盡量延長(zhǎng)變壓器的壽命。其二，對(duì)溫升的要求。500kV變電站主變壓器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，技術(shù)人員必須對(duì)多個(gè)元器件的溫度升高過程進(jìn)行精確控制，盡量避免出現(xiàn)諸如“大量元器件在極短時(shí)間內(nèi)迅速升高”“變壓器的某些元器件長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度”的事件。如果無(wú)法做到，則500kV變電站主變壓器的使用壽命同樣會(huì)降低。

2 500kV變電站主變壓器在不同運(yùn)行狀態(tài)下的維護(hù)策略

2.1 500kV變電站主變壓器的正常運(yùn)行及維護(hù)技術(shù)

本案例中，500kV變電站主變壓器正常運(yùn)行期間，如果檢修維護(hù)人員沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常，表明變壓器當(dāng)前保持常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)檢修維護(hù)人員需要做到：對(duì)每日送電前及斷電后的主變壓器工作記錄進(jìn)行充分記錄并做好歸檔工作，定期總結(jié)，盡可能找出并及時(shí)處理潛在的安全隱患。與此同時(shí)，檢修維護(hù)人員每天都應(yīng)圍繞與主變壓器有關(guān)的各項(xiàng)作業(yè)是否能夠正常進(jìn)行判斷，重點(diǎn)針對(duì)主變壓器的多個(gè)閥門位置是否保持正常狀態(tài)、瓦斯繼電器等單元的連接方式是否正確、繼電保護(hù)等裝置是否依然能夠隨時(shí)發(fā)揮作用、有關(guān)引線的連接是否出現(xiàn)松動(dòng)、如法蘭裝置等是否出現(xiàn)漏油情況。

在500kV變電站主變壓器正常運(yùn)行期間，如果出現(xiàn)突發(fā)情況，導(dǎo)致變壓器因受外部沖擊作用或是跳閘等影響，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法正常發(fā)揮作用，進(jìn)而被迫斷開連接時(shí)，檢修維護(hù)人員必須立刻對(duì)變壓器的外部完整性、中性點(diǎn)等進(jìn)行全面檢查，不可忽視這類異常的嚴(yán)重性。

2.2 500kV變電站主變壓器出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)的特征及維護(hù)策略

導(dǎo)致本案例中的500kV變電站主變壓器運(yùn)行期間出現(xiàn)問題的主要原因是，變壓器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中銅鐵損耗是不可避免的，這是因?yàn)檫@些具有導(dǎo)電性的金屬材料在通電的過程中會(huì)做功，進(jìn)而產(chǎn)生熱量（同時(shí)便會(huì)造成銅鐵損耗）。受此影響，變壓器自身的溫度會(huì)隨之升高。上文提到，如果變壓器所處的環(huán)境不佳，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量無(wú)法有效向外散發(fā)，那么變壓器內(nèi)部的多種元器件以及構(gòu)成材料在長(zhǎng)期處于高溫的環(huán)境下，老化及損耗速度均會(huì)加快，情況嚴(yán)重時(shí)甚至破壞某些結(jié)構(gòu)的完整性。

基于此，檢修維護(hù)人員如果檢測(cè)到主變壓器出現(xiàn)異常情況（包括漏電、漏油、溫度始終過高），意味著主變壓器可能長(zhǎng)時(shí)間處于異常運(yùn)行狀態(tài)，而不是因?yàn)槟硞€(gè)突發(fā)故障而導(dǎo)致當(dāng)前現(xiàn)象。針對(duì)這些異常情況的檢修維護(hù)處理方法如下：其一，檢修維護(hù)人員如果發(fā)現(xiàn)主變壓器的當(dāng)前油位與當(dāng)前的油溫并不對(duì)應(yīng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)果斷將變壓器的電源開關(guān)斷開，將變壓器從電網(wǎng)電路中“摘除”。

這樣做的目的在于：如果依然是電壓器保持通電狀態(tài)，且確定存在漏油情況，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)因高溫、漏電、漏油而導(dǎo)致爆炸事故，這樣的后果必須盡量避免。在斷電之后，檢查維護(hù)人員可嘗試將油補(bǔ)充完整，或是使油溫降低，查找導(dǎo)致油位與油溫不對(duì)應(yīng)的原因。待將所有安全隱患完全排除后，方可將主變壓器重新接入電源，確保變壓器整體保持運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性；如果主變壓器因何種原因出現(xiàn)爆炸或是火災(zāi)事故，如果檢修維護(hù)人員身處現(xiàn)場(chǎng)且自身安全可得到保障時(shí)，應(yīng)當(dāng)抓緊寶貴時(shí)間，立刻將主變壓器各側(cè)的斷路器全部斷開并將隔離開關(guān)拉開。如果時(shí)間允許，還應(yīng)打開500kV變電站均按照相關(guān)要求設(shè)計(jì)的預(yù)噴淋滅火系統(tǒng)，盡量延緩火情發(fā)展速度。與此同時(shí)，還可以打開放油閥，盡最大可能降低損失[2]。

3 500kV變電站主變壓器運(yùn)行期間的維護(hù)管理要素

3.1 建立健全變壓器周期性檢修與送電維護(hù)機(jī)制

本案例500kV變電站主變壓器正常運(yùn)行期間，檢修維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)建立健全與主變壓器有關(guān)的周期性檢修與送電維護(hù)機(jī)制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理好主變壓器存在的故障，盡量延長(zhǎng)其壽命。具體要求如下。

其一，應(yīng)制定完善的全體系電氣設(shè)備分級(jí)運(yùn)行機(jī)制。該機(jī)制的主要作用是，在包括主變壓器在內(nèi)的變電站所有設(shè)備正常運(yùn)行期間，做好技術(shù)性數(shù)據(jù)的收集與評(píng)估工作。正常情況下，變電站各類設(shè)備的運(yùn)行工況會(huì)呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律。相關(guān)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的曲線如果出現(xiàn)異常波動(dòng)，意味著設(shè)備本身可能出現(xiàn)了故障。而對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的具體波動(dòng)結(jié)果背后往往隱藏著導(dǎo)致故障的原因?；诖?，合理、完整地收集主變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析導(dǎo)致異常情況產(chǎn)生的原因，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)提高主變壓器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)及解決率均可產(chǎn)生積極意義。

其二，所謂的“分級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)并不是憑空設(shè)定，而是需要根據(jù)各個(gè)電力系統(tǒng)設(shè)備在變電站、電網(wǎng)中所處位置的重要程度進(jìn)行科學(xué)排布后得出。相應(yīng)地，電氣設(shè)備的故障也存在相應(yīng)的排布次序。一般要求是，檢修維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)優(yōu)先處理排名較高的故障，但這并不意味著可以忽略優(yōu)先級(jí)較低的故障，而是應(yīng)按照一定的次序，進(jìn)行全面處理。

其三，包括主變壓器在內(nèi)的所有電氣設(shè)備都有對(duì)應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)。檢修維護(hù)人員應(yīng)該圍繞這些指標(biāo)科學(xué)設(shè)定“檢修目標(biāo)值”。其中的邏輯為：隨著主變壓器使用時(shí)間的累積，必定會(huì)在不同程度上出現(xiàn)性能下降的情況。其中，有一些下降的性能可以通過更換零部件等方式恢復(fù)到較高水平，但有一些累積性性能受損會(huì)呈現(xiàn)出“逐步下降”趨勢(shì)，只能盡量延緩“下降”的速度，很難完全恢復(fù)故障出現(xiàn)前的水平。

基于此，檢修維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)主變壓器設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，科學(xué)設(shè)定“性能恢復(fù)目標(biāo)值”，即對(duì)不同工況、出現(xiàn)不動(dòng)損害、性能不同程度下降的主變壓器設(shè)備經(jīng)過檢修、維護(hù)、保養(yǎng)后，能夠恢復(fù)到什么水平進(jìn)行科學(xué)預(yù)估，在實(shí)際檢修維護(hù)作業(yè)中，只要達(dá)到該水平即可，彰顯出經(jīng)濟(jì)性。不僅如此，檢修維護(hù)人員還應(yīng)在檢修過程中，對(duì)主變壓器等設(shè)備在常規(guī)運(yùn)行情況下，下一次發(fā)生故障的時(shí)間、原因、規(guī)模、嚴(yán)重程度等進(jìn)行預(yù)估，在時(shí)間臨近時(shí)提前做好準(zhǔn)備，到時(shí)驗(yàn)證，從而達(dá)到提高對(duì)主變壓器設(shè)備了解深度的目的。

3.2 在變壓器繼電保護(hù)裝置中增設(shè)巡檢功能

除了日常檢修及維護(hù)作業(yè)之外，技術(shù)人員還應(yīng)注意在500kV變電站主變壓器專用的繼電保護(hù)裝置中增設(shè)“二次巡檢”功能裝置。該裝置的主要作用是，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在于繼電保護(hù)系統(tǒng)中的有關(guān)問題及故障，進(jìn)而在主變壓器出現(xiàn)有關(guān)故障時(shí)，能夠在第一時(shí)間迅速切斷主變壓器的電源，盡量降低其受損程度。一種思路是，在繼電保護(hù)裝置中，除了常規(guī)設(shè)置監(jiān)測(cè)主變壓器電流、電壓、溫度、電阻的傳感器之外，還應(yīng)圍繞短路電流、動(dòng)作電流等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些電力參數(shù)不同于常規(guī)參數(shù)，在一定程度上體現(xiàn)主變壓器的靈敏度。比如通過對(duì)變壓器組、配置差動(dòng)速斷、比率差動(dòng)、工頻變化量比率差動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，如果常規(guī)機(jī)電裝置沒有動(dòng)作，則二次巡檢設(shè)備立刻啟動(dòng)，也可保證變壓器的安全。