一起35kV站用變壓器低溫過熱 故障診斷及處理

程冠錤

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州 510000）

變壓器運行中經常會出現內部過熱故障。過熱程度有輕度過熱（低于150℃）、低溫過熱（150～300℃）、中溫過熱（300～700℃）和高溫過熱（高于700℃）。當變壓器內部出現過熱故障時，雖然短期內不會馬上影響到變壓器的安全運行，但長期發展下去，特別是對于過熱初始狀態較高，增長又較快的故障，如果不加以控制和解決，就極有可能出現大問題，嚴重時甚至會威脅到變壓器的安全運行[1-2]。

過熱故障一般劃分為電路過熱故障、磁路過熱故障和油路過熱故障三大類。其中，磁路部分的過熱故障大部分又源自于鐵心、夾件多點接地和接地不可靠，如：鐵心對地、夾件對地以及鐵心對夾件之間多點接地，或鐵心、夾件接地不可靠等。當鐵心、夾件出現多點接地后，就會在短路環中產生環流，造成過熱故障。而當鐵心、夾件出現接地不可靠后，其各金屬結構件會存在懸浮電位，而不同電位間就會出現懸浮放電，形成局部環流，也會造成過熱故障。因此，當發生因鐵心、夾件多點接地和接地不可靠而引起的變壓器內部過熱故障時，如何消除鐵心、夾件多點接地問題及提高鐵心、夾件接地可靠性，對于變壓器生產、安裝、運行及維護有重要的現實意義。

1 故障描述

±500kV 寶安換流站是南方電網貴州至廣東第二回直流輸電工程受端站，站內35kV 站用變選用了SZ9-5000/35 型三相雙繞組無勵磁調壓油浸式電力變壓器，于2007年投入運行。2012年5月17日，對該變壓器進行油色譜分析時，發現其總烴值達192.3μl/L，超過GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》規定的注意值150μl/L[3]。2012年 5月 23日重新取樣化驗，復測結果為184.18μl/L。隨后每月均對其進行跟蹤分析，發現總烴發展趨勢穩中有升，最高值達239.49μl/L。

2 絕緣油色譜分析

2.1 根據氣體含量分析

該變壓器歷次絕緣油色譜分析數據如表1所示，而總烴發展趨勢如圖1所示。

變壓器內部故障主要分為過熱性故障和放電性故障。其中，過熱性故障的產氣特征為總烴中烷烴和烯烴過量而炔烴很少或無；放電性故障產氣特征為炔烴含量較高，當局部放電能量較低時，則以H2和CH4為主。從表1數據得知，歷次測試數據中總烴主要以CH4、C2H6兩者為主，C2H4為次，C2H2含量很少甚至無，且H2含量較低。同時，CH4、C2H6含量的快速增長是由于油或固體絕緣發生熱分解、放電而導致。由此可判斷，該變壓器內部存在過熱 性故障。另一方面，由于C2H4含量不高，所占比例在10%以下，且無快速增長趨勢，而C2H4通常在500℃或以上的高溫下才大量生成，故可進一步判斷該變壓器存在低于500℃的過熱故障。

另外，從表1數據可知，歷次測試數據中CO2/CO 的比值小于3，且CO 含量遠超300μl/L，故初步懷疑該變壓器內部可能存在固體絕緣材料過熱故障[4]。

圖1 總烴發展趨勢圖

表1 油色譜分析數據（單位：μl/L）

2.2 利用“三比值”法分析

根據GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中“三比值”法則，從表1數據得“C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6”的比值編碼為“0，2，0”。由此判斷該變壓器存在低溫過熱故障（150～300℃），另外，根據該變壓器歷次絕緣油微水測試結果，并沒有發現微水超標現象，故可排除了絕緣受潮的可能性。因此，初步分析認為，變壓器內部可能存在的故障有：

1）電磁屏蔽不良，導致漏磁集中。

2）鐵心局部短路、鐵心及夾件多點接地，形成環流。

3）導線過電流。

4）磁通集中引起的鐵心局部過熱。

5）由于渦流損耗引起的銅連接件過熱，接頭接觸不良（形成碳黑）。

6）分接開關接觸不良。

7）引線夾件螺栓松動或接頭焊接不良。

2.3 色譜綜合分析

熱故障的可能部位為引線、繞組或鐵心夾件。如果故障部位在引線或繞組，其故障發展趨勢相對很快，因為繞組長期過熱將會造成絕緣老化直至擊穿，如果是引線焊接不良引起的長期過熱，其結果必然是引線燒斷。無論是繞組長期過熱造成絕緣老化而擊穿，還是引線焊接不良引起的長期過熱而擊穿絕緣或燒斷引線，都必然產生電弧放電，油中將產生大量的C2H2。而從表1數據得知，歷次測試數據中C2H2含量很少甚至無，由此，可以否定存在這兩種故障的可能性。其故障部位只能在鐵心夾件。

因此，結合上述分析，可得知該變壓器內部可能存在的故障為上述故障項2 或4。

3 返廠吊芯檢查

3.1 吊芯檢查

為進一步查找故障根源，徹底消除故障，2012年11月，對該變壓器進行了返廠吊芯檢查。吊芯前，檢查發現該變壓器箱蓋和箱體間無專用的接地點，導致箱蓋和箱體間存在接地不可靠現象。吊芯后，檢查發現油箱內壁底部承托鐵心下夾件墊腳的接觸面處絕緣油漆大部分脫落，且有放電產生的碳黑痕跡（如圖2所示）。而檢查鐵心下夾件墊腳時，發現墊腳邊緣也存在絕緣漆脫落現象（如圖3所示），且墊腳未額外添加絕緣體使其與箱體底部隔離。

圖2 油箱內壁底部

另外，檢查夾件各處螺桿及連接螺栓時，發現上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間連接螺栓四周也有放電產生的碳黑痕跡（如圖4所示）。與此同時，檢查發現上夾件與油箱箱蓋間無專用接地點，且上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間絕緣油漆未打磨，夾件與變壓器箱體間存在連接不可靠現象。

圖3 鐵心下夾件墊腳

圖4 上夾件與頂蓋連接處碳黑痕跡

3.2 故障原因分析

從上述吊芯檢查結果看來，該變壓器內夾件不僅未經過油箱可靠一點接地，同時，鐵心下夾件墊腳處以及與其接觸的油箱內壁底部支撐面均存在絕緣漆脫落現象，且兩者間無額外絕緣體，使鐵心下夾件與變壓器箱體間直接接觸，從而導致夾件存在多點接地故障。由于變壓器正常運行期間，鐵心及夾件處于帶電繞組及其引線與油箱之間構成的不均勻電場中，當夾件有兩點及以上接地點時，接地點之間可能會形成閉合的回路，主磁通穿過此閉合回路，就會產生循環電流，造成過熱事故。

另一方面，因夾件與變壓器箱體間連接不可靠，導致夾件存在接地不可靠故障。由于變壓器正常運行時，高壓繞組、低壓繞組、鐵心夾件、變壓器油箱（大地）間存在寄生電容，當夾件接地不可靠時，帶電繞組便通過電容的藕合作用使夾件各金屬結構產生懸浮電位，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產生火花放電，形成局部環流，也會造成局部過熱事故[6-12]。另外，不同電位的金屬構件間發生火花放電時，會在放電點處積累碳化物。

經上述分析診斷，認為夾件多點接地和接地不可靠是該變壓器發生低溫過熱故障的根本原因。而該分析結論也與絕緣油色譜分析得出的可能故障項2 相符。

4 故障處理

4.1 改進措施

為有效消除該變壓器夾件多點接地和接地不可靠故障，對夾件采取以下改進措施。

1）提高夾件的接地可靠性。在與上夾件連接的油箱頂蓋拉板處焊接一顆接地螺母，并將其相鄰的上夾件拉桿安裝孔四周絕緣漆進行打磨清除，隨后將接地銅片安裝在上夾件拉桿與接地螺母間，使夾件通過接地螺母可靠接地。改進效果如圖5所示。

圖5 夾件接地改進效果圖

2）提高上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間的絕緣強度。在其連接螺栓的螺栓頭和上夾件拉板間、上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間分別加裝5.0mm、2.0mm厚絕緣紙板，以及在穿入拉板內的螺桿表面加套φ31×φ37 酚醛絕緣套管（長68mm），防止上夾件通過拉板及連接螺栓和油箱頂蓋間形成導通，造成夾件發生多點接地故障。改進效果如圖6所示。

圖6 上夾件與油箱頂蓋間絕緣改進效果圖

3）提高鐵心下夾件墊腳與油箱內壁底部間絕緣強度。在鐵心下夾件墊腳和油箱內壁底部墊腳接觸處分別加裝2.0mm 厚絕緣紙板，防止鐵心下夾件墊腳與油箱內壁底部直接接觸，造成夾件發生多點接地故障。改進效果如圖7所示。

圖7 鐵心下夾件墊腳絕緣改進效果圖

4）提高上夾件和旁螺桿的接觸可靠性。將上夾件其中一側旁螺桿安裝孔四周絕緣漆進行打磨清除，使兩者可靠接觸。同時，為了避免上下螺桿形成環路，造成漏磁及形成環流，在上夾件另一側旁螺桿安裝孔處加裝螺桿絕緣套。改進效果如圖8所示。

圖8 旁螺桿改進效果圖

5）加強油箱頂蓋接地可靠性。在油箱頂蓋和油箱間加裝接地銅片，并將接地銅片對應的油箱頂蓋、油箱沿邊接觸面油漆進行打磨清除，提高接觸可靠性。改進效果如圖9所示。

圖9 油箱頂蓋加裝接地銅片

經上述5 項改進措施實施后，夾件經油箱頂蓋拉板處接地螺母可靠一點接地，且夾件與油箱頂蓋、油箱內部底部間的絕緣強度大大增強，從而有效消除了夾件多點接地故障。同時，夾件的接地可靠性以及夾件各金屬結構件間的連接可靠性也得到了大幅度提升。

4.2 改造后試驗

器身回爐干燥后，斷開油箱頂蓋拉板處接地螺母的接地銅片，復測鐵心、夾件的絕緣電阻，測試結果如表2所示。從測試結果來看，鐵心、夾件對地絕緣性能良好，且鐵心與夾件間絕緣性能良好，側面反映了夾件多點接地故障已有效根除。而該變壓器投運后，對其進行絕緣油色譜跟蹤分析，色譜分析結果均正常，該變壓器運行狀況良好。

表2 鐵心夾件絕緣電阻測試數據

5 結論

對于夾件未采用經小套管引致油箱下部一點接地結構的變壓器，當其發生夾件多點接地及接地不可靠故障時，將無法用對地絕緣電阻、接地電流等常規檢測手段來進行故障診斷分析及定位。因此，針對該類型變壓器，本文提出了以下幾點日常維護檢修建議及預防性建議。

1）日常運行維護中，應加強絕緣油色譜跟蹤分析力度，縮短采樣分析周期，應由規定的1年1 次采樣分析周期縮短為每6 個月1 次。

2）開展預防性試驗時，應加入低電壓空載電流及空載損耗測試項目，并結合絕緣電阻測試結果，綜合診斷變壓器鐵心夾件等磁回路相關元器件的運行狀態。

3）對于已存在故障的變壓器，在運行工況允許的情況下，應通過吊芯檢查等手段，盡快排查消除內部缺陷。

4）設備采購過程中，審核供應商提供的變壓器技術規范書時，應明確其規范書內需加入“鐵心與夾件接地引線分別通過油箱接地小套管引至油箱外接地”的技術條款，并在設備交貨驗收時，重點查看其提供的設備是否滿足該條款要求。以便后續通過監測鐵心、夾件的接地電流及對地絕緣電阻，準確預判鐵心、夾件是否存在多點接地故障。

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