電力變壓器繞組故障分析及防范措施

郭 晶，劉宏亮，王勝輝，趙 杜

( 1． 華北電力大學(xué)，河北保定071003; 2． 國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021; 3． 國網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊050071)

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變壓器的數(shù)量與日俱增，變壓器故障的發(fā)生也隨之增加，特別是變壓器繞組故障(包括繞組短路損壞故障和繞組縱絕緣故障)時(shí)有發(fā)生，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大威脅[1-2]。

1 變壓器繞組故障統(tǒng)計(jì)情況

通過對2000-2012年國家電網(wǎng)中110 kV及以上變壓器的92起故障案例的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，變壓器繞組故障共發(fā)生46起，占故障總數(shù)的50%，其中繞組短路損壞故障發(fā)生37起、繞組縱絕緣故障9起，分別占故障總數(shù)的40.22%和9.78%。

1.1 按變壓器電壓等級統(tǒng)計(jì)情況

2000-2012年，按電壓等級統(tǒng)計(jì)的變壓器繞組故障發(fā)生情況見表1。

表1 按電壓等級統(tǒng)計(jì)變壓器繞組故障發(fā)生情況

繞組故障類型電壓等級(kV)750500330220110合計(jì)/起繞組短路損壞/起033211037繞組縱絕緣/起010539合計(jì)/起043261346占總故障百分比/%0.008.706.5256.5228.26100

由表1可知，220 kV電壓等級發(fā)生的變壓器繞組故障最多，共發(fā)生26起，其中繞組短路損壞故障發(fā)生21起，繞組縱絕緣故障發(fā)生5起，共占繞組故障總數(shù)的56.52%；其次是110 kV電壓等級發(fā)生的變壓器繞組故障，其中繞組短路損壞故障發(fā)生10起，繞組縱絕緣故障發(fā)生3起，共占繞組故障總數(shù)的28.26%。

這些數(shù)據(jù)表明近些年繞組故障主要發(fā)生在220 kV和110 kV電壓等級的變壓器，一方面由于220 kV和110 kV電壓等級變壓器相對較多，則發(fā)生故障的數(shù)量也相對較多，另一方面由于制造廠家對這些變壓器的質(zhì)量不夠重視，導(dǎo)致變壓器本身存在質(zhì)量問題而引發(fā)繞組故障。此外，500 kV和330 kV電壓等級變壓器發(fā)生的繞組故障也不容忽視，發(fā)生數(shù)量雖少，但給電網(wǎng)帶來的損失和危害卻十分巨大。

1.2 按變壓器投運(yùn)年限統(tǒng)計(jì)情況

變壓器繞組故障發(fā)生的數(shù)量隨投運(yùn)年限呈逐年遞減趨勢，見表2。

從表2中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，投運(yùn)0～5年期間的變壓器發(fā)生該類故障數(shù)最多，共發(fā)生16起，主要原因是變壓器的抗短路能力不足；其次投運(yùn)年限在11～15年的變壓器共發(fā)生該類故障共11起，且這些故障變壓器均是在20世紀(jì)由國內(nèi)廠家生產(chǎn)，而這一時(shí)期國內(nèi)生產(chǎn)的變壓器，大部分抗短路能力設(shè)計(jì)不足，變壓器短路設(shè)計(jì)未進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，與實(shí)際值偏差較大；投運(yùn)15年以上的變壓器發(fā)生繞組故障數(shù)量明顯減少。繞組縱絕緣故障共發(fā)生9起，然而從表2數(shù)據(jù)中可以明顯看出有7起故障發(fā)生在變壓器投運(yùn)6～10年期間，這說明投運(yùn)在這一時(shí)期的變壓器繞組縱絕緣最易出現(xiàn)絕緣故障。

表2 按投運(yùn)年限統(tǒng)計(jì)變壓器繞組故障發(fā)生情況

投運(yùn)年限繞組故障繞組短路損壞/起繞組縱絕緣/起合計(jì)/起占總故障百分比%0～5年1611736.966～10年871532.6111～15年1111226.0915年以上2024.35總計(jì)/起37946100

1.3 按變壓器質(zhì)量原因統(tǒng)計(jì)情況

根據(jù)近些年來對故障的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，質(zhì)量問題是變壓器繞組故障發(fā)生的一個(gè)關(guān)鍵因素。46起變壓器繞組故障中，有39起故障是由于變壓器本身存在質(zhì)量問題而引發(fā)，占繞組故障總數(shù)的84.78%，充分顯現(xiàn)出質(zhì)量原因引發(fā)變壓器繞組故障的嚴(yán)重性。其中質(zhì)量原因引發(fā)的變壓器繞組短路損壞故障共34起，占繞組短路損壞故障總數(shù)的91.89%；質(zhì)量原因引發(fā)的變壓器繞組縱絕緣故障共5起，占繞組縱絕緣故障總數(shù)的55.56%，見表3。

表3 存在質(zhì)量原因的變壓器繞組故障統(tǒng)計(jì)情況

繞組故障類型存在質(zhì)量問題的故障數(shù)量/起總故障數(shù)量/起占該類故障的百分比/% 繞組短路損壞343791.89繞組縱絕緣5955.56合計(jì)394684.78

質(zhì)量原因引發(fā)繞組故障的比例較大，使得質(zhì)量原因成為變壓器繞組故障發(fā)生的首要原因。存在質(zhì)量問題的34起繞組短路損壞故障中，有28起是由于變壓器繞組抗短路能力不足引起的。繞組縱絕緣故障存在的質(zhì)量問題主要有絕緣距離不足、繞組加固不牢、繞組存在絕緣缺陷等。

1.4 按雷雨影響因素統(tǒng)計(jì)情況

雷雨天氣因素也是引發(fā)變壓器繞組故障的一個(gè)重要環(huán)境因素。受雷雨影響而引發(fā)的繞組故障共發(fā)生8起，占繞組故障總數(shù)的17.39%，其中繞組短路損壞故障共發(fā)生7起，引發(fā)的繞組縱絕緣故障共發(fā)生1起，總體數(shù)量雖不多，但對對設(shè)備造成的危害極大，見表4。

表4 雷雨因素導(dǎo)致變壓器繞組故障統(tǒng)計(jì)情況 起

繞組故障類型雷擊影響/起總數(shù)/起占該類故障百分比/%繞組短路損壞73718.92繞組縱絕緣1911.11合計(jì)/起84617.39

雷電產(chǎn)生的過電壓導(dǎo)致絕緣擊穿，大電流引起繞圈短路故障，強(qiáng)大的電動力會使繞組發(fā)生不同程度的變形，而雨水會使設(shè)備因受潮降低絕緣性能，甚至發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

2 變壓器繞組故障原因分析

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析可知，引發(fā)變壓器繞組故障的根本原因是變壓器本身存在質(zhì)量問題，而質(zhì)量問題主要是由于變壓器制造廠對變壓器設(shè)計(jì)不合理、監(jiān)造過程管理不嚴(yán)格、選材不良等原因造成，其次變壓器運(yùn)輸、安裝過程中對設(shè)備造成不同程度損壞也是造成變壓器發(fā)生繞組故障的一個(gè)重要原因。

2.1 繞組短路損壞故障的原因分析

根據(jù)近些年電網(wǎng)中變壓器繞組故障案例的統(tǒng)計(jì)，歸納分析引起繞組短路損壞故障發(fā)生的原因如下。

a. 短路事故中變壓器損壞的主要原因是變壓器本身的抗短路能力不足，尤其是變壓器承受短路動穩(wěn)定能力不足[3]。隨著電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)容量和短路電流不斷變化，當(dāng)變壓器發(fā)生外部短路時(shí)，電流值超過臨界值也就是變壓器繞組實(shí)際所能承受的最大短路電流值時(shí)，繞組發(fā)生變形造成變壓器損壞的概率就會明顯增大。20世紀(jì)國內(nèi)廠家生產(chǎn)的變壓器，大部分抗短路能力設(shè)計(jì)不足，而且給出的抗短路能力多是計(jì)算值，這也是投運(yùn)11～15年的變壓器易發(fā)生繞組短路損壞故障的重要原因。

b. 變壓器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率較高，當(dāng)變壓器承受外部短路沖擊時(shí)，形成的電動力與理論計(jì)算值存在偏差，同時(shí)運(yùn)行中的部分變壓器由于制造質(zhì)量和維護(hù)不到位等原因，耐受動、熱穩(wěn)定的能力下降，當(dāng)受到外部短路沖擊時(shí)，變壓器繞組失穩(wěn)發(fā)生變形等缺陷甚至導(dǎo)致絕緣損壞、內(nèi)部放電等事故。

c. 運(yùn)行維護(hù)過程中，預(yù)防措施系統(tǒng)性差，硬件措施和管理手段不匹配，存在“短板效應(yīng)”，導(dǎo)致變壓器發(fā)生外部短路沖擊損壞事故的概率較高，短路沖擊電流較大、時(shí)間長。例如變電站內(nèi)設(shè)備存在絕緣防護(hù)水平低、線路防護(hù)不到位、保護(hù)動作時(shí)間長等問題。

d. 累積效應(yīng)導(dǎo)致繞組損壞。電力變壓器發(fā)生出口短路時(shí)，在電動力和機(jī)械力的作用下，繞組的尺寸或形狀發(fā)生不可逆的變化，產(chǎn)生繞組變形。繞組變形包括軸向和徑向尺寸的變化，器身位移，繞組扭曲、鼓包和匝間短路等，這是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一大隱患。變壓器繞組變形后，有的會立即發(fā)生損壞事故，更多的則是仍能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。當(dāng)運(yùn)行中的變壓器一旦產(chǎn)生繞組變形，會降低變壓器繞組整體的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致短路的累積效應(yīng)，出現(xiàn)惡性循環(huán)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則變壓器發(fā)生損壞。

e. 非自粘性換位導(dǎo)線對于降低負(fù)載損耗具有良好的效果，因?yàn)橛眠@樣的線繞制成繞組時(shí)，每一股導(dǎo)線所經(jīng)受的電磁環(huán)境是最均勻的，可以達(dá)到最佳的效果。降低負(fù)載損耗的作用主要?dú)w結(jié)于子導(dǎo)線尺寸，子導(dǎo)線根數(shù)越多，截面積越小，降低損耗的效果就越好。但是，這與短路時(shí)的動穩(wěn)定性是相矛盾的。導(dǎo)線截面的減小使繞組的機(jī)械強(qiáng)度下降了，甚至于承受不了外部的短路。由于該類導(dǎo)線多采用退火的軟銅線，機(jī)械性能很差，由此導(dǎo)致了采用這種導(dǎo)線的變壓器抗短路能力很差，在承受短路機(jī)械力時(shí)容易出現(xiàn)變形、散股、露銅等現(xiàn)象。所以，變壓器采用非自粘性換位導(dǎo)線存在抗短路能力不足的隱患。

f. 在制造或檢修時(shí)，局部絕緣受到損害，遺留下缺陷；在運(yùn)行中因散熱不良或長期過載，繞組內(nèi)有雜物落入，使溫度過高絕緣老化；制造工藝不良，壓制不緊，機(jī)械強(qiáng)度不能經(jīng)受短路沖擊，使繞組變形絕緣損壞；繞組受潮，絕緣膨脹堵塞油道，引起局部過熱；絕緣油內(nèi)混入水分而劣化，或與空氣接觸面積過大，使油的酸價(jià)過高絕緣水平下降或油面太低，部分繞組露在空氣中未能及時(shí)處理。由于以上這些原因，在運(yùn)行中一經(jīng)發(fā)生絕緣擊穿，就會造成繞組的短路或接地故障。

2.2 繞組縱絕緣故障的原因分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，歸納分析引起繞組縱絕緣故障發(fā)生的原因如下。

a. 強(qiáng)大的短路電流使鄰近的導(dǎo)線受到不同程度的機(jī)械損傷和絕緣破壞，從而導(dǎo)致繞組匝間發(fā)生短路。

b. 變壓器本體密封不好而受潮、固體絕緣件在加工過程產(chǎn)生水分，或?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行真空注油過程中造成變壓器進(jìn)水，當(dāng)變壓器中的游離水轉(zhuǎn)變成懸浮水進(jìn)入絕緣通道，并被吸附在場強(qiáng)集中的地方，在被吸附的懸浮水達(dá)到一定量時(shí)即發(fā)生擊穿放電。

c. 繞組圍屏存在樹枝狀放電痕跡，使變壓器繞組對地絕緣水平降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿放電。

d. 當(dāng)變壓器過負(fù)荷時(shí)間很長，且對絕緣油缺乏維護(hù)時(shí)，極易引起絕緣油老化，油溫過高會加速油泥、水及酸的形成，結(jié)果不僅會加速變壓器固體絕緣的老化，而且可能使油泥附著于線匝上，易于造成電氣擊穿。

e. 變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及制造工藝存在問題，如絕緣距離不足，繞組加固不牢，繞組壓緊后出現(xiàn)縱向收縮，使內(nèi)部撐條調(diào)出繞組本體，局部場強(qiáng)和絕緣性能變壞，局部壓緊力不夠，導(dǎo)致繞組端部電動力較大引起震動，最終造成繞組股間絕緣破損而發(fā)生股間短路；焊口開焊引起匝間放電[4]。

f. 廠家生產(chǎn)、運(yùn)輸過程把關(guān)不嚴(yán)，造成繞組絕緣上留有異物導(dǎo)致場強(qiáng)發(fā)生變化引發(fā)放電、運(yùn)輸過程中設(shè)備受到碰撞導(dǎo)致繞組絕緣破壞引發(fā)繞組故障。

g. 當(dāng)大氣過電壓侵入繞組后，首尾端電位差較大，超出了繞組首尾端絕緣耐受水平，致使繞組首尾端放電擊穿。

3 變壓器繞組故障的防范措施及建議

據(jù)以上對變壓器繞組故障的原因分析，提出以下幾條有效的防范措施及建議。

a. 重點(diǎn)加強(qiáng)油色譜分析和繞組變形測試。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生短路后，不論電流是否達(dá)到變壓器可以耐受的短路電流的60%，都應(yīng)立即進(jìn)行油色譜分析，并根據(jù)色譜數(shù)據(jù)決定是否要立即停電進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，判斷繞組的變形情況。結(jié)合每次停電檢修，采用繞組電容量、低電壓阻抗和頻響法進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，判斷繞組的變形情況。

b. 在運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)變壓器運(yùn)行維護(hù)及檢測，比如變壓器是否受潮、檢測局部放電量是否超標(biāo)，以便及早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障及早做相應(yīng)處理，從而保證變壓器安全運(yùn)行。

c. 在變壓器設(shè)計(jì)階段，運(yùn)行單位應(yīng)取得所訂購變壓器的抗短路能力計(jì)算報(bào)告及抗短路能力計(jì)算所需詳細(xì)參數(shù)。應(yīng)開展變壓器抗短路能力的校核工作，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況有選擇性地采取加裝中性點(diǎn)小電抗、限流電抗器等措施，對不滿足要求的變壓器進(jìn)行改造或更換。

d. 為提高變壓器低壓繞組抗短路能力，在變壓器技術(shù)合同中應(yīng)明確寫明對低壓繞組的要求，應(yīng)采用半硬銅自粘性換位導(dǎo)線。在繞組“S”彎換位處加換位紙板與紙槽、包絕緣紙加強(qiáng)絕緣，并在所有與換位處相鄰的線餅之間應(yīng)增加扇形墊塊；合理提高導(dǎo)線厚度；適當(dāng)降低電流密度；低壓內(nèi)側(cè)加硬紙筒，硬紙筒與鐵心間加木撐條，使內(nèi)繞組形成硬支撐；低壓繞組不宜采用螺旋式結(jié)構(gòu)；采用整體壓板和整體套裝、恒壓干燥等工藝，對墊塊進(jìn)行密化處理，調(diào)整繞組安匝平衡，提高軸向穩(wěn)定性。

e. 改善變壓器外部運(yùn)行環(huán)境，在變壓器的低壓側(cè)各主母線和分支母線、裸露導(dǎo)線加裝絕緣熱縮套；電纜出線故障多為永久性的，因此不宜采用重合閘，對于電纜或短架空出線多，且發(fā)生短路事故次數(shù)多的(2次以上)變電站，可考慮臨時(shí)停用線路自動重合閘，防止變壓器連續(xù)遭受短路沖擊；容性電流超過10 A的10 kV或超過30 A的35 kV不接地系統(tǒng)，應(yīng)裝設(shè)有自動跟蹤補(bǔ)償功能的消弧繞組，防止單相接地發(fā)展成相間短路；變壓器各側(cè)在任何方式下都不應(yīng)該失去避雷器的保護(hù)。

f. 加強(qiáng)避雷線運(yùn)行維護(hù)工作，定期打開部分線夾檢查，保證避雷線與桿塔接地點(diǎn)可靠連接。對于具有絕緣架空地線的線路，要加強(qiáng)放電間隙的檢查與維護(hù)，確保動作可靠。

g. 要保證變壓器具有良好的雷電沖擊絕緣水平，首先是制造廠要保證采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)、選用優(yōu)質(zhì)的原材料以及采用良好的制造工藝；其次在輸變電設(shè)計(jì)上，要加強(qiáng)防雷保護(hù)措施，如在架空線路進(jìn)線段加強(qiáng)絕緣、降低桿塔接地電阻等。另外，鑒于變電所主變壓器的重要性，在雷電活動頻繁的地區(qū)，既使變壓器高壓繞組在220 kV母線避雷器的保護(hù)范圍內(nèi)，仍有必要在主變壓器一次側(cè)增加一組避雷器，以加強(qiáng)變壓器的防雷保護(hù)。

h. 加強(qiáng)變壓器選型、定貨、驗(yàn)收及投運(yùn)的全過程管理，特別要加強(qiáng)變壓器的監(jiān)造工作，從源頭上控制變壓器的質(zhì)量。變壓器在制造階段的質(zhì)量抽檢工作，應(yīng)進(jìn)行電磁線抽檢；根據(jù)供應(yīng)商生產(chǎn)批量情況，應(yīng)抽樣進(jìn)行突發(fā)短路試驗(yàn)驗(yàn)證。

i. 加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行方式管理，完善相關(guān)保護(hù)和自動裝置，對雙回路和雙主變的變電站，要實(shí)現(xiàn)互為備用，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

j. 加強(qiáng)設(shè)備招投標(biāo)管理，選擇質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良的設(shè)備進(jìn)入電網(wǎng)，提高電網(wǎng)裝備水平。

4 結(jié)束語

通過對2000-2012年國家電網(wǎng)中110 kV及以上變壓器故障案例的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)220 kV電壓等級變壓器發(fā)生繞組故障的概率最大，其次是110 kV電壓等級的變壓器；投運(yùn)年限在15年以內(nèi)的變壓器發(fā)生繞組短路損壞的概率最大，通常是由于變壓器本身存在抗短路能力不足而引發(fā)故障；投運(yùn)年限在5～10期間的變壓器是繞組縱絕緣故障發(fā)生的高發(fā)期。歸納出變壓器繞組短路損壞故障和變壓器繞組縱絕緣故障發(fā)生的原因，可以有效降低變壓器繞組故障發(fā)生率，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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