巨建成,范 林,孫曉瑩,魏 譚,李 慶

(河北西柏坡發電有限責任公司,石家莊 050400)

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一起大負荷電機短路導致變壓器繞組變形的案例分析

巨建成,范 林,孫曉瑩,魏 譚,李 慶

(河北西柏坡發電有限責任公司,石家莊 050400)

通過一起高壓大容量電機短路事故,分析短路電流對發電廠高壓廠用電變壓器造成的損壞。同時,運用變壓器油色譜分析、直阻測量、頻率響應法繞組變形試驗來推斷變壓器的故障類型和受損程度,將其與吊罩檢查結果對比,發現故障現實與試驗推斷存在著差異。由此,提出應結合多種試驗方法和參考變壓器運行經歷,才能準確推斷近區短路事故對變壓器造成的影響。

近區短路;變壓器;繞組變形;頻率響應法

1 設備簡介及故障現象

某電廠4號三相高廠變,型號SFF—31 500/20,冷卻方式為自然風冷,1997年投入運行,具體參數如表1所示。

表1 4號高廠變參數

1.1 事故經過

2014年12月2日,該電廠4B循環水泵(額定電壓6 kV,功率200 kW)運行中掉閘,后又經強合一次再次掉閘。檢修人員發現4B循環水泵電機冷油器水管破裂,油水混合液溢到電機定子繞組上,造成電機絕緣擊穿、BC兩相短路和差動保護動作,兩次短路電流分別為17 880、16 560 A,持續時間分別為98、70 ms。

1.2 變壓器油色譜分析

事故發生后,對4B循環水泵斷路器、6 kV母線、變壓器進行檢查,發現6 kV母線電壓發生輕微波動,4號高廠變變壓器油色譜分析異常,檢查數據如表2所示。

根據DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》,220 kV及以下的變壓器總烴、乙炔、氫氣含量注意值分別為150、5、150 μL/L。而此次4號高廠變變壓器油中乙炔含量高過注意值111%。

表2 4號高廠變變壓器油色譜分析

其他氣體含量雖然均在注意值以內,但對比歷史數據,可以觀察出4號高廠變變壓器油中的氫氣、總烴出現異常增長,一氧化碳、二氧化碳含量增幅在合理范圍內。

計算2014年4月29日至12月4日變壓器油中總烴和氫氣的絕對增長速率。根據公式

計算可得總烴、氫氣、乙炔的絕對產氣速率分別為

γ總烴=5.446 mL/d

γ氫氣=7.742 mL/d

γ乙炔=0.646 mL/d式中:γn為絕對產氣速率, mL/d;Ci,2為第二次取樣測得油中某氣體濃度,μL/L;Ci,1為第一次取樣測得油中某氣體濃度,μL/L;Δt為兩次取樣時間間隔中的實際運行時間,d;m為設備總油量,t;ρ為油的密度,t/m3。

根據《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》,變壓器油中的總烴、氫氣和乙炔的絕對產氣速率注意值分別為6、5、0.1 mL/d,計算結果表明高廠變中氫氣、乙炔絕對產氣速率均超過了注意值,而總烴也接近注意值。這說明此次短路事故對4號高廠變內部造成了損傷。

依據《電力設備預防性試驗規程》,變壓器油中甲烷、乙烷一般生成于變壓器油低能量故障,如局部的放電,而乙烯多是在高于甲烷、乙烷的溫度(500 ℃左右)下生成,乙炔則需要更高的反應溫度,如800～1200℃之間生成,當變壓器油中發生劇烈

拉弧放電故障時,會生成大量乙炔。CO、CO2取決于變壓器中固體絕緣物質的分解,氫氣則是變壓器油中受潮或水分的分解。

根據測量數據,采用三比值法對電抗器故障進行分析。計算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值分別為0.22、0.206、1.261,故障類型編碼為101,經驗故障為電弧放電。這說明變壓器內部絕緣薄弱處在短路電流作用下發生拉弧放電,變壓器油受熱分解,產生了乙炔等其他烴類氣體。

1.3 高壓常規試驗

4號高廠變高壓常規試驗數據如表3所示。由表3可以發現,絕緣電阻及吸收比、繞組直流電阻等各項數值均符合DLT 596-2005《電力設備預防性試驗規程》要求。但與歷史數據相比較,發現此次4號高廠變低壓側B分支三相測量數據變化較大:三相直流電阻及相互差均上升,相互差由0.4%變化為0.55%,Cx由11 430 pF變化為13 920 pF,變化率為21.78%。高壓繞組與低壓A分支在上述項變化較小,在tgδ方面三者數據均呈增加趨勢;在泄漏電流方面三者增幅均在16倍以上。

根據試驗數據對比,可以判斷此次短路事故對變壓器低壓側B分支繞組影響最大,Cx較大變化說明B分支繞組存在較大變形,高壓繞組以及低壓A分支受影響較小,可能存在較小變形。

1.4 變形試驗

變形試驗一般分為阻抗法和頻率響應法。阻抗法即常規測量變壓器變比、阻抗及感抗來檢測線

表3 高壓常規試驗

圈的變形,這一方法缺點是測量靈敏度較低,只有線圈嚴重變形時才能在測量數據上凸顯出來[1]。根據對變壓器常規高壓試驗數據以及變壓器油色譜分析結果,初步判斷短路電流造成4號高廠變內部發生短時過熱故障,變壓器低壓側B分支繞組可能存在變形[2]。因此,結合前面試驗分析,對4號高廠變采用了頻率響應法實施了變形試驗。頻率響應分析法試驗接線如圖1所示。

P—頻率響應分析儀;K—50 Ω同軸電纜;Z—匹配阻抗

觀察頻響法測試結果,對于高壓繞組,試驗頻率在0.5 MHz以下時,波形趨勢、波動幅度均呈現高度一致性,A、B、C三相之間相關系數分別為1.05、1.07、1.04;試驗頻率在0.5～1 MHz時,三相響應波形趨勢相近,波動振幅有輕度區別,相關系數均在1.07～1.19。總體觀察,高壓側三相響應波形一致性較好。

觀察低壓繞組A分支,試驗頻率在0.25 MHz附近時,AB曲線與其他兩相波形與振幅差異較大,AB與BC相關系數為1.03,但AC與其AB、BC相關系數為0.81、0.78。

在0.25～0.5 MHz頻段,三相波形和振幅較為一致;在0.5～0.8 MHz頻段,波形的趨勢相近,振幅差距在10 dB以下,三者相關系數也接近1。總體觀察A分支波形一致性較好。

針對B分支,試驗頻率在0.25 MHz以下,三相頻率響應曲線一致性較好;試驗頻率在0.25～0.75 MHz頻段時,AB曲線與其他兩相波形與振幅差異較大,BC與CA相關系數接為1.07,但AB與其BC、CA相關系數為1.27、1.32;振幅差異在15 dB以上時,波形的趨勢相近;在0.75 MHz至1 MHz頻段時,三相波形又回歸一致,振幅差距較小。總體觀察B分支波形一致性較差。

變壓器繞組頻率響應曲線如圖2所示。

通過分析波形圖2可以推斷,4號高廠變高壓側繞組波形一致性較好,應該不存在繞組變形。低壓繞組B分支AB相一致性較差,無論是波形趨勢還是波形振幅都存在較大差異,結合短路事故發生在AB相,判斷B分支A、B相繞組發生變形,低壓A分支各相繞組可能存在輕度變形。

圖2 變壓器繞組頻率響應曲線

2 吊罩檢查

2014年12月22日,對4號高廠變進行吊罩檢修。檢查整體器身外觀,發現B相線圈有輕微變形傾斜,且目測觀察AB相線圈相間距小于BC相線圈的相間距。吊出器身并入位后,鐵軛未發現異常,斷開鐵心與夾件連接片,測量鐵心對夾件絕緣電阻為500 MΩ。

產品斷線、拆鐵后,上部鐵壓板與端圈無異常。取下端圈后,檢查線圈發現三相線圈均有不同程度轉動,其中,A相高壓與外低壓線圈相對內低壓線圈順時針轉動,最大位移為20 mm;B相外低壓線圈相對高壓與內低壓線圈順時針轉動,最大位移為30 mm;C相高壓與外低壓線圈相對內低壓線圈順時針轉動,最大位移為10 mm。由于線圈的相對移位,導致繞組多處絕緣墊塊錯位,絕緣紙崩裂。

接著對線圈進行散拔,測量每個線圈垂直度，發現以下問題(以上端為基準):

1) A相內低壓線圈下部順時針轉動,最大處位移18 mm。

2) B相外低壓線圈下部逆時針轉動,最大處位移35 mm。

3) C相高壓線圈下部逆時針轉動,最大位移10 mm。

4) C相外低壓線圈下部順時針轉動,最大位移10 mm。

可見,以上7個線圈均出現了不同程度變形,其他線圈未見明顯變形,檢查線圈出頭,發現B相外低壓線圈上部出頭電磁線匝絕緣碳化,其他處未發現放電痕跡。

3 分 析

變壓器吊罩檢查結果與試驗判斷結果有一定的差異。

B相外低壓線圈上部出頭電磁線匝絕緣碳化,符合針對乙炔生成的判斷:繞組絕緣薄弱點或鐵芯尖端處發生短時放電拉弧,變壓器油受熱分解產生乙炔。低壓繞組B分支變形程度較大,其中B相整體傾斜,墊塊移位、絕緣紙破裂現象嚴重,這符合先前B相受破壞程度較大的判斷。在短路電流作用下變壓器繞組受到與變壓器鐵芯垂直的輻向電磁力和平行于鐵芯的軸向電磁力,觀察到在徑向上高壓繞組伸長,低壓繞組收縮,在軸向上高壓繞組斜向上拉伸,這些都符合發生變壓器繞組變形事故的經驗現象。但變壓器9個繞組中7個發生變形,同時高壓繞組的變形程度大于預測。原因是在進行變形試驗時,沒有對比歷史波形,只是三相之間互相比較,造成了判斷誤差。另一方面該變壓器在2010年經歷一次短路沖擊,當時變壓器油色譜分析正常,并未對變壓器進行吊罩檢查。考慮到繞組的

變形具有積累效應[3],因此,確認此次繞組的變形為這兩次短路電流沖擊的結果。

4 結 論

1) 通過對本次變壓器繞組變形事故的試驗分析與吊罩驗證,得出近區短路是變壓器繞組變形的重要誘因。

2) 變壓器油色譜分析技術、高壓常規試驗并不能準確、全面反映變壓器內部狀態,在運用頻響法變形試驗等手段來診斷變壓器繞組時,應與歷史曲線進行對比,才能準確判斷變壓器繞組變形情況。

3) 對于遭受過短路沖擊的變壓器,應做好跟蹤統計工作,確保設備狀態的可靠可控,同時應加強高壓電機操作人員的技術水準,在未確定電機故障原因的情況下切勿盲目重合閘,否則會導致變壓器遭受短路電流二次沖擊。

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ZOU Guoqing, HE Wenlin, DONG Xuesong, et al. Diagnosis and analysis of nearby short-circuit impact on transformer [J]. High Voltage Apparatus, 2013,49(12):95-98.

[2] 胡海寧,周立行,李季高,等.近區短路對變壓器的影響及診斷方法[J].變壓器, 2013,50(11):73-76.

HU Haining, ZHOU Lixing, LI Jigao, et al. Influence of close-in short circuit on transformer and its diagnosis method [J]. Transformer, 2013,50(11):73-76.

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MU Yongbao. Diagnosis and reasons analysis of winding deformation defects in 220 kV transformer [J]. Transformer, 2014,51(11):62-65.

(責任編輯 侯世春)

Case analysis of high capacity motor’s short circuit caused by transformer’s winding deformation

JU Jiancheng, FAN Lin, SUN Xiaoying, WEI Tan, LI Qing

(Hebei Xibaipo Power Generation Co. Ltd., Shijiazhuang 050400, China)

On the basis of the high-voltage large-capacity motor short circuit accident, this paper analyzed the damage of short circuit to high voltage transformers in power plants, and used the chromatographic analysis, dc resistance measurement and frequency response analysis to judge the transformer’s winding deformation. Through the comparison of the result of the method mentioned above and that of hanging checking, it was discovered that there was difference between fault reality and testing judgment. It proposed that, therefore, the combination of diverse testing methods and transformer operation experience should be taken to accurately judge the influence of close-in short circuit accident on transformers.

close-in short circuit; power transformer; winding deformed; frequency response analysis

2015-08-14。

巨建成(1986—),男,高級工程師,從事發電廠電氣一次設備檢修、運行、維護工作。

TM407

A

2095-6843(2016)01-0081-04