500 kV變壓器低壓側繞組損壞故障分析

劉章進，楊　超

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

500 kV變壓器低壓側繞組損壞故障分析

劉章進，楊超

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：電力變壓器故障檢測主要有電氣檢測和化學檢測兩種方法。化學檢測主要是通過變壓器油中特征氣體的含量、產氣速率和三比值法進行分析判斷，它能有效地發現變壓器的潛伏性故障及故障發展程度。實際應用過程中，為了更準確的診斷變壓器的內部故障，色譜分析應根據設備歷史運行狀況、特征氣體的含量等采用不同的分析模型確定設備是否存在潛伏性故障以及故障類別。變壓器故障可能有一種或幾種故障同時存在，也可能從一種故障發展演變到另一種故障。本文結合電氣檢測和化學檢測兩種方法，講述了電路故障和磁路故障同時存在的案例。

關鍵詞：變壓器；色譜分析；三比值法；奧斯特瓦爾德系數

0　引言

變壓器故障診斷中應綜合各種有效的檢測手段和方法，對得到的各種檢測結果要進行綜合分析和評判。通過變壓器油中氣體含量分析，在不停電的情況下，對發現變壓器內部的某些潛伏性故障及其發展程度的早期診斷非常靈敏而有效。實踐證明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質及程度直接有關，它們之間存在不同的對應關系。在判斷故障類型分析過程還應考慮故障的發展和演變，歷史檢修處理情況等，本文研究了兩種不同的故障類型同時存在，共同產生的故障氣體溶解到油中對故障分析判斷的影響。

1　故障情況

1.1某電廠2號主變銘牌參數

表1

1.2故障過程描述

2012年12月28日，500 kV系統五民線發生兩次B相接地故障。2013年1月14日，2號主變油色譜分析發現C1+C2和C2H2（C1+C2：596.7μL/L、C2H2： 1.4μL/L）都超過了注意值。

2013年1月21日，排油打開主變人孔門檢查,未找到故障點，2013年 1月 25日投運（C1+C2：4.3μL/L）。

2013年 3月 28日，C1+C2發生突變（C1+C2：476.9μL/L；C2H2：3.4μL/L）。

2013年3月29日，更換1號、4號、5號冷卻器油泵；進入變壓器內檢，發現了3個存疑點進行處理（低壓側A相兩根并聯軟引線接觸不牢固；高壓側A相均壓球位置不正；分接開關6號接線端子聯接螺栓松動）。

2013年3月31日，召開專題分析會議，2號主變投入試運行檢查。試運行后C1+C2仍呈上升趨勢。

2013年5月11日，2號主變油色譜分析發現C1+C2和C2H2發生突變（C1+C2：4 576.9μL/L、C2H2：16.3μL/L）。

2013年5月12日02∶00，2號主變輕瓦斯動作，油色譜分析發現C1+C2和C2H2突變（C1+C2：5 182.7μL/L、C2H2：42.7μL/L）。

2013年5月14日，結合現場內檢及歷史處理數據召開現場專項分析會，并處理好內檢發現的高、低壓側油箱磁屏蔽多點接地問題，處理完成后注油，恢復后做短路試驗，在短路試驗過程中當電流加到50%左右額定負荷對應電流時輕瓦斯動作。

2013年6月25日，借用特變電工衡陽變壓器廠產變壓器臨時替代運行。

2013年9月23日，新訂購一臺特變電工衡陽變壓器廠產變壓器正式投入運行，原2號主變返廠維修后轉備用。

2　故障類型判斷及故障點部位估計

2.1試驗驗證

電壓等級 500 kV及以上 C1+C2注意值是150μL/L，C2H2注意值是1μL/L，表2中C1+C2和C2H2明顯超過注意值。

2013年1月17日泄漏電流試驗（表3）、繞組絕緣電阻和吸收比或極化指數試驗（表4）、介損試驗（表5）、繞組直流電阻試驗（表6）未見異常。

表2　兩次色譜數據

表3　泄漏電流數據

表4　繞組絕緣電阻、吸收比或極化指數數據

表5　介質損耗數據

表6　繞組直流電阻數據

2.2故障發展趨勢

根據2013年1月14日到2013年1月15日試驗數據計算C1+C2產氣速率是否超過注意值。計算如下：

（1）相對產氣速率=[（699.6－596.7）/596.7/0.03× 100%=575%/月＞10%/月

（2）絕對產氣速率=（699.6－596.7）/1×58/0.85=7 028mL/d＞12mL/d

GB/T 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析判斷導則》[5]規定相對產氣速率注意值不大于10%/月，絕對產氣速率不大于12mL/d。

可見，氣體上升速度很快，且相對產氣速率和絕對產氣速率分別遠遠大于10%/月和12mL/d，可認為設備重大異常。

2013年5月12日02∶00 2號主變輕瓦斯動作,2號機組停機。根據表7數據，2013年5月11日08∶00和2013年5月12日03∶00 H2、C1+C2和C2H2都發生了突變，并且增速越來越快。以兩次突變的數據為例，使有三比值法[5]判斷故障類型，故障編碼為022，故障類型為高溫過熱。

根據C1+C2的絕對產氣速率，判斷故障發展趨勢：

5月9日絕對產氣速率=（3627.7－3495.0）/2× 58/0.85=4525mL/d＞12m L/d

5月11日絕對產氣速率=（4576.9－3627.7）/2×58/0.85=32384mL/d＞12mL/d

5月12日絕對產氣速率=（5182.7－4576.9）/1×58/0.85=41336mL/d＞12mL/d

三次的絕對產氣速率快速增長，表明故障日趨嚴重。

表7　2013年5月8日和2013年5月12日的色譜數據

2.3故障類型判斷

表2的特征氣體中，C2H4、H2、CH4和C2H6為主要成份，次要成份為H2和C2H6，還有少量的C2H2。按照國標DL/T722-2000故障判斷方法可以初步認定變壓器內部存在過熱故障，有少量的C2H2產生可判斷溫度很高。故障類型用三比值法計算再由編碼規則確定故障編碼，故障編碼為022，故障類型為高溫過熱。

表2中數據使用二比值法判斷[1]，C2H2/C2H4＝1.4/369.8=0.0037＜0.1，可以判斷為過熱故障。再根據C2H4/C2H6的比值來判斷故障程度，C2H4/C2H6=369.8/ 64.9=5.69＞3，故障為高溫過熱。

使用兩種方法判斷所得出的結果都為高溫過熱故障，變壓器油裂解的產物與溫度有關，溫度不同產生的特征氣體也不同；如果已知故障情況下油中產生的有關氣體的濃度，可以估算出故障源的溫度。高溫過熱的熱點溫度經驗公式如下[2]：

2.4奧斯特瓦爾德系數

奧斯特瓦爾德系數定義為[4]：

當氣、液兩相達到平衡時,對某特定氣體來說，油中溶解氣體原始濃度與平衡氣相濃度存在以下關系：2 6

已知某溫度下的奧斯特瓦爾德系數,通過氣相色譜測定平衡條件下的氣相組分濃度,根據上式計算得出此溫度下的油中溶解濃度。

根據表8中2013年5月12日瓦斯氣分析數據，考慮到輕瓦斯動作，可能有新的故障發生，新故障產生的氣體和原故障產生的氣體同時溶解在變壓器油中，這樣就干擾了對新故障類型的判斷。我們用瓦斯繼電器內的氣體濃度換算到油中濃度得出的數據用三比值法判斷故障類型，這樣就能比較準確判斷哪種故障類型占主導作用。

換算后數據，使用三比值法判斷故障類型，故障編碼為102，故障類型為電弧放電。如果使用油中氣體含量數據（表8），故障編碼為022，故障類型為高溫過熱。兩次故障類型截然不同，可以肯定的是現在是高溫過熱故障和電弧放電故障共同作用，電弧放電故障占主導作用。電弧放電產氣速度快，產氣量大，尤其是線圈匝間和層間短路故障。因這種故障發展速度快，往往故障產生的氣體來不及溶解到油中就進入到氣體繼電器，引起瓦斯繼電器動作。

表8　奧斯特瓦爾德系數（50℃）

3　故障點部位判定

3.1色譜試驗數據判定故障部位

根據表2、表7數據，經計算判斷屬高溫過熱潛伏性故障，三比值法和C1+C2產氣速率判斷變壓器故障發展惡化了。三比值的最大不足之處是不能準確判定故障部位，一般可以根據導電回路和磁路產氣特征的某些差別來推斷故障是導電回路還是磁路部分。如：故障點在導電回路時，通常有C2H2，且含量較高，C2H4/C2H6的比值也較高，C2H4的產氣速率往往高于CH4的產氣速率。對于磁路故障一般沒有C2H2，或者很少，而且C2H4/C2H6的比值也較小，多數情況下該比值為6以下。由表2中色譜分析結果（C2H4/C2H6=325.1/56.5=5.7，C2H2=1.4）來看可以肯定是磁路故障，再用表3中3月6日數據（C2H4/C2H6=38.6/13.0=2.9，C2H2=0.0）和5月7日數據（C2H4/C2H6=1851.1/402.0=4.6，C2H2=9.89）驗證了是磁路故障，由CO和CO2含量較少可判斷故障不涉及到固體絕緣。而磁路又可能是鐵芯漏磁、片間短路、鐵芯多點接地等。

根據表8中數據判斷為高溫過熱故障和電弧放電故障共同作用，電弧放電故障占主導作用。可能的故障點線圈匝間、層間短路、相間閃絡、分接頭引線間油隙閃絡、引線對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關飛弧、因環路電流引起電弧、引線對其他接地體放電等。返廠檢修發現故障點在鐵芯和A相低壓線圈。

3.2直流電阻試驗判定故障部位

從表9中數據來看，低壓繞組的直流電阻線間差值由1.2%變化到2.4%，那表明低壓線圈可能存在問題。當直流電阻線間差超過2.4%時，將線電阻換算成相電阻[3]。

表9　直流電阻試驗數據

線電阻換算成相電阻電阻以便找出故障發生在哪一相。根據此臺主變的繞組結線方式，將線阻換算成相阻計算。

表10　線電阻換算成相電阻

比較表10中數據發現，a相相電阻變化率超過規程要求的1倍。由此可以判斷低壓繞組a相線圈存在問題，實際返廠檢查A相低壓線圈在第96餅位置從外向內熔斷8根線，其中絕緣層炭化的根數已向內深度擴展。

3.3局部放電試驗

2013年5月21日試驗數據（A相：2 300 pc，B相：300 pc，C相：300 pc），A相局部放電量遠大于注意值300 pc，可判斷A相存在故障，實際返廠檢查表明A相低壓線圈在第96餅位置從外向內熔斷8根線，高壓A相局放由低壓傳遞出去，局放故障點在低壓線圈。

4　返廠內部檢查及處理情況

4.1器身檢查情況

檢查高、低壓側線圈組表面，發現絕緣完好無損，無異常情況。

4.2鐵芯拔片檢查

鐵芯拔片過程中發現，鐵芯尖角有部分受損及明顯過熱痕跡：拔片后發現，鐵芯有明顯過熱痕跡，離近縫隙位置最為嚴重，過熱嚴重部位均分布在芯柱和旁軛主磁通位置。

4.3線圈檢查

（1）檢查A相線圈高壓、中壓線圈，在撕開該圍屏后發現其線圈有上有顯著高溫碳化、融化痕跡。

（2）A相低壓線圈在第96餅位置從外向內熔斷8根線，其中絕緣層炭化的根數已向內深度擴展，見圖1。

4.4解體故障檢查分析

結合有代表性的三比值故障類型和檢查異常情況，初步判斷產品故障主要體現在渦流引起銅過熱、鐵芯漏磁、線圈局部短路、層間絕緣不良幾個方面，即磁路和電路異常共同導致油色譜的跳躍性變化：

（1）從鐵芯檢查情況看，離近縫位置片料損傷嚴重，說明制造時期鐵芯制造工藝存在諸多不完善，給產品留下了先天性缺陷是鐵芯過熱的原因之一。同時從鐵芯主級及旁軛過熱情況看，設計時主磁通選取值不能滿足產品長期滿負荷運行的要求。

圖1　熔斷的線圈

（2）電路故障原因分析：被熔斷的某一根線中可能存在接頭，且該接頭存在缺陷，長期運行時該點存在長期過熱，隨溫度升高缺陷點逐漸惡化并反復多次出現，最終該點熔斷。熔斷后伴隨放電并隨即擴展到相鄰工作線，而油中大量雜質加劇了故障惡化。這與高壓A相局放大并反復處理未果和低壓電阻偏大的情況相吻合（高壓A相局放由低壓傳遞出去，其局放故障點在低壓線圈）。

5　結束語

主變壓器故障對企業的安全生產和經濟效益都是致命的威脅，通過對油色譜分析，能發現早期潛伏性故障。但變壓器故障是不斷發展變化的，本例講述了兩種故障共存時的分析處理，為同類型故障分析處理提供了參考。隨著科學技術發展和人們研究的不斷深入，化學和電氣檢測方法在變壓器故障處理中的應用會越來越廣泛。

參考文獻：

[1]操敦奎，許維宗，阮國方.變壓器運行維護與故障分析處理[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]操敦奎.變壓器油色譜分析與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]國家電網公司運維檢修部.變壓器類設備典型故障案例匯編[M].北京：中國電力出版社，2012

[4]中國國家標準化管理委員會.GB/T 7595-2008運行中變壓器油質量[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5]中國國家標準化管理委員會.GB/T 7252-2001變壓器油中溶解氣體分析判斷導則[S].北京：中國標準出版社，2002.

中圖分類號：TM41

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0049-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.014

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：劉章進（1981-），男，工程師，從事水電廠油品試驗及分析工作。