一例變壓器內部故障的分析與處理

/徐州供電公司 司增彥/

一例變壓器內部故障的分析與處理

/徐州供電公司 司增彥/

本文通過工作中變壓器故障的實例，利用氣相色譜分析法并結合電氣試驗結果，綜合分析診斷了一起變壓器無載分接開關接觸不良引起的過熱及電弧放電故障原因，對故障位置做出了準確的判斷，通過變壓器吊罩檢查驗證了變壓器無載分接開關故障位置，提出了對于無載分接開關故障的防范措施，確保了變壓器的安全運行。

變壓器 無載分接開關 色譜分析 電氣試驗 故障 診斷

0 引言

電力變壓器在運行過程中采用分接開關對電壓進行分級調節，實際運行中往往有很多因素共同作用于分接開關，導致其動靜觸頭接觸不良的情況，強大的電流使分接開關觸點劇烈升溫，變壓器內部發生過熱、甚至放電，造成故障點附近的絕緣物分解，產生的氣體不斷地溶解在變壓器油中；故障的性質不同，產生的氣體組分也不同，即便是故障性質相同，由于故障的程度不同，產生的氣體數量也不相等。由油或固體絕緣材料分解產生的氣體形成氣泡，在油里經對流、擴散，不斷地溶解，這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重的程度有著密切的關系，因此，分析溶解于油中的氣體組分，結合電氣試驗數據進行綜合分析，就可能發現變壓器內部存在的各種故障。本文就是一起變壓器無載分接開關故障診斷過程的典型例證。

1 故障概述

我公司某110kV變電站有兩臺主變，容量2×50MVA，主變型號均為SSZ9—50000/110，電壓比為110±8×1.25%/38.5，2×2.5%/10.5，連接組別YN，yn0，d11，于2003年3月正式投入運行，投運以來歷次電氣試驗數據及色譜分析均顯示該變壓器處于正常運行狀態。2013年12月30日凌晨6：08，該變電站控制室顯示屏突然發出“1號主變重瓦斯動作、差動保護動作等”信號，主變三側斷路器跳閘，運行人員立即啟動事故應急處理預案，巡視檢查斷路器確定在分閘位置，隨即拉開刀閘，使之處于檢修狀態。

2 故障診斷

變壓器停運后，檢修人員立即對變壓器本體、三側開關、刀閘、避雷器等設備進行詳細檢查，結果發現變壓器本體及范圍內設備外觀正常，無爆炸、著火、燒蝕、放電等現象，但主變35kV側氧化鋅避雷器雷電計數器 A、B、C三相記錄數值分別為60、62、60（上次效驗設定底數均為60），從避雷器B相動作情況，可以初步斷定變壓器中壓B相可能出現過電壓，同時對1號變壓器本體絕緣油取樣進行色譜分析，現場進行必要的診斷性電氣試驗。

2.1 油中溶解氣體色譜分析

我們查閱了變壓器事故前例行油化試驗分析數據均未發現大的異常，此次故障，油化色譜分析報告顯示除CO、CO2外，油中溶解氣體各組分均顯著增加，初步診斷該變壓器內部故障不涉及固體絕緣。1號變壓器故障前后油氣相色譜分析結果見表1。

顯然，表中氣相色譜分析數據各氣體組分均有不同程度的增加，主要特征氣體是H2和C2H2，三比值原則（C2H2/C2H4、CH4/ H2、C2H4/C2H6）計算分析主變中部的編碼為201，C2H2產氣量超出5μL/L，由此推測變壓器中部油中可能存在火花放電或懸浮電位之間的火花放電等故障；主變底部的編碼為102，H2產氣量超出150μL/L，C2H2產氣量超出5μL/L，總烴產氣量超出150μL/L ，可以診斷為變壓器底部存在電弧放電兼過熱故障[1，2]。

根據經驗公式計算故障時溫度：

經計算中部溫度為638.68℃，底部溫度為896.81℃，進一步懷疑故障發生在變壓器底部。故障原因可能存在下列幾種情況：線圈匝、層間短路，相間短路，分接頭引線油隙閃絡，引線對箱殼放電，線圈熔斷，引線對外殼放電，無載分接開關觸點引起電弧等。

2.2 電氣試驗

2.1.1 直流電阻測量

現場進行了直流電阻測量，試驗數據如表2所示，數據顯示高壓繞組與低壓繞組的直流電阻均平衡合格，而在中壓繞組1、2、3檔的直流電阻最大不平衡率均遠遠超過2%的標準值，同時在中壓繞組5檔B相測量中無法注入測量電流，沒有測量結果。

查詢變壓器服役資料，投運時中壓無載開關處于4檔位置，2011年由于系統要求改調至5檔運行，中壓繞組1、2、3檔不平衡率嚴重超標，初步判斷變壓器中壓側1、2、3檔可能長時期處于非使用檔位，動靜觸頭氧化，造成接觸電阻過大，以致測量數據超標；而中壓繞組5檔B相無法注入測量電流，沒有測量數據，初步懷疑中壓繞組B相無載開關因接觸不可靠，致使導電部位接觸不良，接觸電阻增大，產生局部過熱，使其周圍的絕緣油嚴重過熱，形成局部游離碳，由于變壓器油流作用對地產生導電通道，動、靜觸頭在電勢作用下發生擊穿或對地短路放電產生電弧，把中壓線圈抽頭部分燒壞，極端時可能造成整個繞組的燒損[3]。

2.1.2 低電壓短路阻抗試驗

表1 青山泉1#主變油樣色譜分析結果（單位：μL/L）

為了進一步確定變壓器故障情況，又做了變壓器低電壓短路阻抗試驗，短路阻抗試驗數據如表3所示。

根據試驗數據分析可知，高壓繞組回路所測數據正常，中壓繞組在4檔時測得數據正常，而調轉至5檔時測量，C、A相電壓、電流正常，在相近條件下，A、B相及B、C相測量時電壓、電流均不正常，特別是電流極小，因此判斷中壓B相回路存在問題，可能是5檔分接開關線圈熔斷或是動靜觸頭接觸不可靠。

除上述試驗外，還對變壓器的絕緣電阻、介質損耗及繞組電容量、繞組變形等項目進行了試驗，均未發現異常現象。綜上試驗分析初步懷疑該主變壓器中壓測B相無載分接開關存在故障，需吊罩檢查進一步確認。

3 吊罩檢查及分析

為了進一步確定變壓器故障原因及故障點位置，公司研究決定進行吊罩檢查，吊罩后檢查所有引線連接均未松動，繞組表面無放電痕跡，鐵心和夾件也無異常；但在繞組表面發現大量熔化的銅質微粒，且在有B相中壓無載分接開關選擇器動靜觸頭接觸位置有電弧放電燒損痕跡并油垢積聚現象，同時也驗證了油氣相色譜分析顯示變壓器中部油中可能存在火花放電或懸浮電位之間的火花放電等故障，底部存在電弧放電兼過熱情況的分析，如圖1、圖2所示。

表2 青山泉1#主變故障后高壓測直流電阻測量結果（單位：mΩ）

表3 青山泉1#主變故障后低電壓短路阻抗試驗數據

圖1 變壓器內部出現的大量銅質微粒

圖2 中壓側B相觸頭燒損情況

按照無載分接開關結構示意圖（以B相為例），如圖3所示，B相中壓分接開關選擇器靜觸頭6與動觸頭接觸位置，分別測量中壓測單相各觸點的直流電阻，試驗所得數據如表4所示。根據分接開關各靜觸頭所測得的直流電阻數據分析， B、C相各測量回路測得電阻值基本接近，結合前面中壓側直流電阻測量結果，可判定主變B相繞組部分未出現問題，且在觸頭1、2、3、4處也未發現問題，進一步可判定B相動靜觸頭5、6連接處（即無載分接開關的5檔）存在接觸不良故障，從而造成事故的發生。

圖3 中壓側繞組無載分接開關B相示意圖

由于變壓器無載分接開關動靜觸頭（分接5檔）部分已經燒熔，分接開關發熱后使彈簧壓力降低及變形，失去性能，且變壓器內部器身分布大面積的銅質微粒，現場無法修復，于是決定將該變壓器返廠進行大修處理。

變壓器返廠大修，更換無載分接開關及對變壓器油進行處理后，各項試驗數據正常，重新安裝服役，現正在系統安全運行。

4 防范措施

在變壓器變換分接開關運行過程中，由于多種原因致使分接開關接觸不良，從而引起發熱燒毀分接開關，情況嚴重時可能燒毀變壓器，因此，分接開關的性能會直接影響到變壓器的安全運行。針對變壓器無載分接開關存在的問題，提出幾點防范措施[4]。

（1）必要時進行吊芯處理，首先檢查觸點部分是否有燒壞或過熱變色的現象；分接引線與觸座的連接是否有松動的現象；如無缺陷；用浸有酒精（或丙酮）的布擦拭觸頭各部分以除掉氧化膜及油膜。

表4 青山泉1#主變吊罩后中壓側B、C相動靜觸點直流電阻試驗數據（單位：mΩ）

（2）檢查動觸頭（環）和觸座的壓力是否足夠，可用手指按壓試之，各觸頭（環）的壓力應基本均勻，如有條件應測量觸頭接觸壓力，分接開關嚴重燒傷時，必須更換。

（3）如變壓器在停電后不做吊芯檢查，可進行外觀檢查，緊固有無松動，絕緣是否良好，絕緣距離是否符合要求，檔位指示是否正確，手柄應轉動靈活無卡澀（具體應將絕緣開關換擋手柄來回轉動幾下，以消除觸頭表面的氧化膜，使之接觸良好），應特別檢查開關的動觸頭是否停留在正確的位置上。

（4）最重要一點，檢修過的分接開關應進行電氣試驗，測量線圈各分接位置的直流電阻，并與原始記錄標準進行比較（同溫度下），合格后才能將其投入運行。

（5）提高工作人員的綜合檢修技能及責任心，嚴格、規范地執行變壓器檢修規程。

（6）對運行變壓器定期做油的氣相色譜分析和電氣試驗，同時加強設備巡視，發現問題及時處理。

（7）加強運維人員的素質培訓，提高其工作責任心，杜絕人為操作事故發生。

5 結束語

對于負荷電流較大的變壓器，由于無載分接開關接觸不良，會使其觸頭表面腐蝕、氧化，或觸頭之間的接觸壓力下降，使接觸電阻增大，而形成變壓器的過熱性故障。因此變壓器分接開關的觸頭應具有良好的接觸和導電性能，要求接觸電阻要小而穩定，并且在長期通過額定電流時溫升不應超過允許值。如果接觸電阻增大，強大的電流使分接開關觸頭有低溫逐步發展為高溫，過熱使周圍變壓器油變性，嚴重時可能會發生電弧放電而造成設備損毀。應用色譜分析和電氣試驗方法相結合綜合分析判斷，對變壓器設備事故的診斷起到重要作用；及時、準確地進行變壓器故障診斷性試驗，利用有關數據數據，進行綜合分析診斷，是可以判斷出故障的性質和部位，及時消除缺陷，把事故消滅在萌芽狀態，確保設備的安全穩定運行。

[1] 游榮文.高壓電氣設備試驗方法及診斷技術[M].北京：國家電力公司電氣教育出版社,2003.

[2] 江蘇省電力公司.江蘇省電力設備交接及預防性試驗規程[S].2001.

[3] 陳化剛.電力設備事故處理手冊[M].北京：中國科學技術出版社, 2004.

[4] 錢汝立,凌錫琮,凌錫瑋,譯.日本電氣書院編.電氣設備故障檢測手冊[M].北京水利電力出版社,1984.