一起35 kV變壓器內部過熱故障的分析與判斷

王海濱，張樹亮，謝 達

(1.國網河北省電力公司滄州供電公司，河北 滄州 061000；2.國網河北省電力公司，河北 石家莊 050000)

一起35 kV變壓器內部過熱故障的分析與判斷

王海濱1，張樹亮1，謝 達2

(1.國網河北省電力公司滄州供電公司，河北 滄州 061000；2.國網河北省電力公司，河北 石家莊 050000)

針對某35 kV變壓器常規油色譜分析發現特征氣體含量異常的情況，采用特征氣體含量和三比值法進行故障類型診斷，利用電氣試驗檢查、確認故障類型和部位，判斷該故障原因及缺陷部位，并通過吊罩檢查、局部解體證實了分析的正確性，同時提出了對應的防范改進措施，從而保證了變壓器的安全運行。

變壓器;鐵芯;多點接地;色譜分析

0 缺陷概述

2015-12-16，試驗人員在對某35 kV變電站2號主變(型號SZ9-10000/35，額定電壓35±3× 2.5 %/10.5 kV，出廠時間2004年4月)進行油色譜分析時，發現該設備油中總烴1 658 μL/L(遠超150 μL/L的試驗標準)，乙炔(C2H2)9.52 μL/ L(超過5 μL/L的試驗標準)。測試主變鐵芯對地絕緣電阻時，發現其阻值為0。

吊罩檢查發現，硅鋼片下腳料在電磁場的作用下形成導電小橋，將鐵芯與夾件短接，造成多點接地，設備存在重大隱患。同時，試驗過程中還發現，高壓側繞組(35 kV側)運行分接檔位繞組直流電阻超標，相間互差達到17.83 %，遠超±2 %的警示值。經檢查發現，有載分接開關A相動靜觸頭嚴重過熱燒傷，放電痕跡明顯。現場對上述缺陷及時進行了處理，消除了安全隱患。

1 特征氣體含量測試及分析

2015-12-16，試驗人員對2號主變進行油色譜試驗，發現油中特征氣體含量異常，總烴和C2H2含量均超試驗標準。依據DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》，計算三比值，指示為存在高于700 ℃的高溫缺陷。特征氣體中CH4和C2H4的含量最大，CC2H4+CCH4占總烴含量的80 %以上，且CC2H4＞CCH4＞CC2H6＞CC2H2，呈遞減規律，符合過熱故障的氣體特征。根據經驗公式T=322 lg(CC2H4/CC2H6)+525計算，估計故障部位溫度達到833 ℃。

根據編碼所對應的故障類型，判斷引起變壓器過熱的原因可能有以下幾種：

(1) 分接開關接觸不良；

(2) 引線連接不良；

(3) 導線接頭焊接不良，局部短路引起發熱；

(4) 鐵芯多點接地，鐵芯局部短路等。

計算CCO2/CCO=5.93，根據經驗，當比值低于3或高于7時，可能存在固體絕緣分解故障，因此初步判斷未發生涉及固體絕緣的故障，而可能是裸金屬的過熱。鐵芯是變壓器中的主要裸金屬部件，所以很可能是變壓器鐵芯引起的問題：鐵芯多點接地或鐵芯硅鋼片間絕緣損壞，需要再配以電氣測量方法加以確定。理論分析和實踐表明：鐵芯多點接地時，其故障點或故障部分的溫度多在700-1 000 ℃之間，其熱量來源有：(1) 正常負載的磁通在鐵芯故障部位的磁滯和渦流損耗；(2) 2點接地間的環流在鐵芯故障部位的有功損耗。后者往往占絕大部分。

故障性質明確后，為進一步確定故障原因，對主變采取了帶電紅外測溫及停電測試，包括鐵芯對地絕緣電阻、繞組介損因數tanδ、繞組直流電阻、有載分接開關的過渡波形等項目。

2 電氣試驗檢查及分析

2.1 鐵芯對地絕緣電阻測試

打開鐵芯接地連接線，通過鐵芯外引線用2 500 V兆歐表測量鐵芯對地絕緣電阻，阻值為0，進一步證實鐵芯可能存在多點接地故障。

電氣試驗結果證實了油色譜分析的結論。

2.2 直流電阻測試

對該變壓器進行了所有分接檔位繞組的直流電阻測試，發現高壓側(35 kV)A相1-7檔的直流電阻值較正常值明顯偏大，尤其是運行檔位3，4分接位置時，三相直流電阻不平衡率最大達到了19.43 %；B相6，7分接位置直阻較正常值偏大較多，約5 %-7 %；其他檔位直流電阻值無明顯異常；每相鄰檔位間的直流電阻極差約為7 mΩ，說明A，B相的公用部分導電回路存有接觸性的故障。低壓繞組直阻未發現異常。高壓側直流電阻測試數據如表1、表2所示。

表1 2015-12-28測試數據對比 mΩ

表2 2010-11-08測試數據對比 mΩ

依據國家電網公司《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定：各相繞組電阻相間的差別不應大于三相平均值的2 %(警示值)；無中性點引出的繞組，線間差別不應大于三相平均值的1 %(注意值)；同相初值差不超過±2 %(警示值)。

測量繞組直流電阻能檢查繞組焊接質量，繞組有無層間、匝間短路，是否存在繞組斷股或引出線折斷，繞組是否發生1處或幾處斷線，分接開關及導線接頭接觸是否良好等，是判斷各相繞組直流電阻是否平衡、調壓開關檔位是否正確的有效手段。

為確保測試數據無誤，首先用排除法排除了導致變壓器繞組直流電阻異常的各種非故障性因素。

(1) 根據歷史試驗數據可排除引線電阻差異和導線質量原因造成的直流電阻不平衡率超標。

(2) 詳細檢查試驗儀器、試驗接線。檢查試驗引線的夾子，結果顯示彈性及接觸面均良好，試驗引線無斷線。重新測量后發現，測出的直流電阻數據與之前的一致，可排除因儀器的損壞、測量接線錯誤而引起的數值異常。

2.3 其他測試項目

在該主變停運前(帶正常負荷)，對主變進行了紅外測溫，未發現明顯過熱現象；停電測試了繞組介損因數tanδ、有載分接開關的過渡波形等項目，未發現明顯異常。

2.4 故障點判斷

綜合上述分析，可進一步判斷故障點不在主絕緣部位，而可能在變壓器內部同時存在著有載分接開關故障和鐵芯多點接地故障。變壓器發生鐵芯多點接地故障的原因主要有：

(1) 鐵芯碰殼、碰夾件；(2) 油箱內有金屬異物，使硅鋼片局部短路；(3) 鐵芯絕緣、夾件絕緣、墊鐵絕緣、紙板或木塊絕緣受潮或損壞等，導致絕緣電阻下降；

(4) 制造變壓器油箱和散熱器時焊渣清理不徹底，在油流和電磁力的作用下(變壓器運行時)，雜質往往被堆積在一起，形成導電小橋，使鐵芯與油箱壁或箱底短接。

引起直流電阻超標的原因應該是變壓器有載分接開關部分存在接觸不良故障。

3 吊罩檢查及缺陷處理

在確定變壓器可能存在鐵芯多點接地故障和導電回路故障后，為進一步查明過熱故障原因，查找故障點的具體位置，決定對該變壓器吊罩進行檢查，以便確定缺陷位置。

3.1 有載分接開關檢查及缺陷處理

將有載分接開關吊出檢查，發現A相分接開關3，4檔(運行檔位)動靜觸頭存在嚴重過熱燒傷情況，觸頭間放電痕跡比較明顯，動靜觸頭放電熔化后的碎屑堆積在油箱底部，動靜觸頭間幾乎沒有可靠連接點，動靜觸頭主要通過高壓間隙放電導通，如圖1所示。

圖1 有載分接開關

經分析發現，在運行中分接開關一直在3或4檔運行，由于動靜觸頭接觸的彈簧壓力不均衡，動靜觸頭接觸壓力不夠，接觸不到位或者觸頭接觸處臟污等原因，使得分接開關動觸頭與靜觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大，通過強電流時不斷引起發熱，致使觸頭發熱，溫度升高。而過熱又會進一步促使接觸電阻增大，加劇過熱現象，嚴重發熱時造成接觸面過熱燒蝕或產生放電現象燒蝕接觸面。若不能及時發現此缺陷，將嚴重威脅主變安全運行。

技術人員對接觸點進行處理，并更換了3相動靜觸頭等零部件，重新緊固。回裝后再次測量時數據已恢復正常，試驗數據符合標準要求，確認合格，缺陷得以消除。

檢查發現有載分接開關與變壓器本體之間密封良好，無貫通部位，雖然有載分接開關存在嚴重過熱故障，但不是造成主變特征氣體超標的原因。

3.2 本體各部位檢查及缺陷處理

吊開鐘罩后，測試鐵芯絕緣電阻，阻值依然為0，說明接地點不在鐵芯與外殼箱壁之間。檢查鐵芯、鐵軛及各部分夾件，無破損或明顯接地痕跡，各夾件紙板也未變形、移位、破損或脫落，上、下鐵軛表面硅鋼片無突起，內部各部件無變形、無碰撞、摩擦及過熱痕跡，鐵芯底部無明顯可引起導電小橋的堆積雜質。因此可能是變壓器油箱中落入金屬異物，如鐵釘、短鋼絲、金屬工具、焊條頭等使鐵芯疊片和箱底溝通，在鐵芯的某點和接地部位間形成“小橋”，造成鐵芯接地。

經分析，認為在變壓器制造或大修過程中，可能有微小硅鋼片下腳料等被遺留在變壓器油箱內。由于鐵芯下層雖墊有墊塊，但鐵芯對夾件的距離仍然很小，當變壓器運行時，在這一空間有相當大的漏磁，在漏磁場(電磁場)和油循環的作用下，下腳料隨油流運動沉積至油箱底部。隨著運行振動，下腳料逐漸向油箱底部最近的一級硅鋼片(即鐵芯厚度方向的中央)移動，以致被吸起來，豎起，形成導電“小橋”，造成鐵芯與接地的夾件橋接，從而構成鐵芯多點接地通道，引起局部溫度升高乃至高溫過熱，使變壓器油化學分解，產生各種氣體。此次故障位置很可能是在鐵芯接地部位或夾件接地部位，有可能是一種懸浮搭接的流動物，因此決定著重檢查上下夾件與鐵芯之間、鐵芯柱與拉板之間有無異物。

技術人員對上述部位進行清理檢查。經反復查找，發現變壓器鐵芯底部隱蔽處有一硅鋼片下腳料(長約22 mm，寬約0.5 mm)，搭在鐵芯與夾件之間，前端有明顯的燒焦、放電痕跡，對應鐵芯下部下軛鐵處有放電點，有放電變黑痕跡。由于鐵芯夾件結構為鐵芯通過套管引至油箱外部接地，夾件直接與油箱接地，因此可判斷為變壓器下部鐵芯與下夾件存在短接情況。取出該下腳料后，再測試鐵芯對地絕緣，其電阻達到1 000 MΩ以上，接地故障已消除。本次接地故障為金屬雜物將夾件與鐵芯短接所引起的金屬性短路，若不能及時發現處理，將造成鐵芯局部過熱甚至將鐵芯燒損。

硅鋼片下腳料清除后，抽真空進行脫氣注油。該主變投入運行后，變壓器油色譜分析數據均小于導則規定的注意值(見表3)，這充分證明變壓器鐵芯接地故障已被徹底消除。

經過上述檢查和分析后，發現造成此次故障的原因是變壓器制造、現場裝配及施工中不慎遺落金屬異物(硅鋼片下腳料)。當變壓器運行時，在油流循環和電磁場的作用下，硅鋼片下腳料搭接在夾件與鐵芯的絕緣表面上，形成導電小橋，使鐵芯與夾件相碰造成接地。

表3 油色譜分析數據 μL/L

4 改進措施

4.1 提高設備制造、安裝、檢修管理水平

在變壓器制造、安裝、大小修的過程中，各項工作均應符合工藝要求，嚴格按照工藝規程的規定施工，嚴防在變壓器內遺留物品、雜質，特別是要將油箱內的鐵磁雜物清掃干凈。

4.2 加強變壓器設備驗收及運維監督

運維部門應嚴把交接試驗關及投運前的吊罩檢查關，及時發現故障苗頭和隱患。對油中溶解氣體進行色譜分析能較準確地判斷變壓器故障性質與嚴重程度，因此應按規程定期進行油色譜分析。變壓器鐵芯出現多點接地時，鐵芯接地電流將明顯增加，所以對通過小套管引出接地的變壓器，應將其接地引線引至適當位置，便于在運行中定期檢測鐵芯接地電流。對于不具備測試條件的接地引線，建議對其進行改造，以便在運行中測量鐵芯接地電流。

變壓器內部是否存在鐵芯多點接地故障，利用油色譜分析、鐵芯對地絕緣電阻、鐵芯接地電流進行綜合分析判斷是有效的，因此加強對主變的電氣試驗和油的監督十分重要。將上述測試工作與狀態檢修工作相結合開展設備評估，做好疑似缺陷的分析工作，可發現設備運行中存在的不足，及時消除隱患。另外，從這次變壓器鐵芯故障排除過程中認識到，故障一般是由不同的原因引起的，切不可忽視任何一個方面，當找到一個故障時，不能放棄其他試驗檢查。

4.3 加強變壓器的出廠檢查

變壓器在出廠時應加強質量檢查工作，特別是對導電回路的檢查，必須可靠連接，各類緊固件必須按規定力矩緊固到位，保證接觸面的可靠導電。

5 結束語

通過對主變內部缺陷位置的現場試驗、分析定位，發現特征氣體含量超標的直接原因是金屬異物(硅鋼片下腳料)靠近鐵芯下部與夾件，鐵芯與夾件短接造成接地，引起局部溫度升高，甚至高溫過熱，造成變壓器油加速化學分解直至裂變分解，形成上述氣體。在缺陷排查過程中，還發現了有載分接開關動靜觸頭過熱燒蝕的缺陷，并及時進行了處理。只有從多方面采取有效、可靠措施加以防范、改進，才能防止缺陷再次發生，確保變壓器安全穩定運行。

1 國家電網公司．Q/GDW 1168—2013輸變電設備狀態檢修試驗規程[S]．北京：中國電力出版社，2013.

2 國家能源局．DL/T 722—2014變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S]．北京：中國電力出版社，2014.

3 操敦奎．變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查[M]．北京：中國電力出版社，2005.

2016-03-14；

2016-06-24。

王海濱(1975-)，男，高級工程師，主要從事電力設備的技術監督工作，email: wanghaibin88@sohu.com。

張樹亮(1980-)，男，高級工程師，主要從事電力設備的技術監督管理工作。

謝 達(1975-)，男，高級工程師，主要從事電力安全質量監察管理工作。