一起220 kV主變壓器跳閘故障原因分析

趙 朋,張 鵬

( 1.河北省電力建設第一工程公司，石家莊 050021；2.華北電力大學，河北 保定 071003 )

一起220 kV主變壓器跳閘故障原因分析

趙 朋1,張 鵬2

( 1.河北省電力建設第一工程公司，石家莊 050021；2.華北電力大學，河北 保定 071003 )

針對某220kV變電站主變壓器發生的跳閘故障，從故障發生過程、變壓器油、直流電阻以及繞組變形等方面進行分析，認為主變壓器在低壓側線路故障電流沖擊下，繞組發生變形并引起匝間短路故障是導致主變壓器跳閘的主要原因，提出了處理建議。

主變壓器；繞組變形；故障電流；匝間短路；跳閘

1 故障概況

某220 kV變電站355號開關柜內出線電纜頭起火，W相電纜主絕緣擊穿，三相電纜均有電弧燒傷痕跡，滅火后檢查355保護裝置顯示：355距離I段動作，距離II段后加速動作，355號開關跳閘。同時，3號主變壓器差動保護和重瓦斯動作出口跳開三側開關。主變壓器差動、輕重瓦斯、后備保護啟動，差動保護和重瓦斯均出口。經試驗，3號主變壓器本體油中含有乙炔94.1 ppm，低壓側繞組有變形，低壓側繞組直流電阻互差超標。

2 故障判斷

2.1 故障過程分析

第1階段：355線路發生V相單相接地，42.2 s后，353線路末端用戶避雷器發生爆炸，造成UV兩相短路轉三相短路故障，353線路距離II段保護動作跳閘，故障持續370 ms。此時單相接地故障未消失，U、W相對地仍承受著線電壓。

第2階段：355開關柜內W相電纜頭對地擊穿，與站外V相接地點形成V、W兩相異地短路，9 ms后發展為三相短路，25 ms時355距離I段動作出口，95 ms時 3主變壓器差動保護啟動，98 ms時355開關切除故障電流，138 ms時主變壓器差動出口，153 ms時差動跳開3號主變壓器三側開關。

第3階段：355開關重合閘成功，2.2 s后35 kV母聯302自投成功，355電纜頭處故障電流再次出現，355保護再次動作跳開開關。

2.2 油色譜分析

通過油色譜分析可以判斷變壓器內部是否存在過熱性故障(導電回路、鐵芯多點接地引起過熱等)嚴重的局部放電、電弧放電故障等,它是一個綜合性判斷變壓器運行狀態的重要手段之一[1]。

表1為該主變壓器的油色譜分析，可以發現乙炔數值異常，說明該主變壓器的變壓器油發生了質量變化，已經發生過熱性故障。

表1 油色譜分析 mL/L

H2COCH4CO2C2H4C2H6C2H2總烴134.7853.1034.7089.7640.544.5094.10173.84

2.3 頻率響應法繞組變形試驗

頻率響應法(簡稱“頻響法”)繞組變形試驗所用的原理是頻率響應法，頻響法在實際的運用中,主要是比較頻響曲線之間的差異,憑經驗判斷繞組是否變形[2]。

頻響法繞組變形試驗高中低三側的波形，圖1為低壓繞組變形試驗圖譜。明顯可以發現變壓器的低壓側U、V、W三相繞組變形的波形幅度變化較大，說明低壓側繞組已經變形。中壓側波動不明顯，可能會發生繞組變形。高壓側波動不大，沒有發生形變。

圖1 低壓繞組變形試驗圖譜

2.4 其他數值參數分析

2.4.1 直流電阻

直流電阻雖然是一個測試方法比較簡單的實驗,但它能比較直觀地確認繞組、引線、調壓開關等導電回路是否正常。能發現繞組導線的焊接質量,引線接頭是否擰緊接觸是否良好,調壓開關觸頭接觸是否良好等。表2為高中低三側的直流電阻值[3]。

表2 高中低壓側直流電阻當前值 MΩ

相別高壓側中壓側低壓側U0.315400.073930.03050V0.331450.073830.02898W0.315100.074520.03066

2.4.2 絕緣電阻

絕緣電阻與吸收比可以判斷變壓器是否有貫通的集中性缺陷、整體受潮或貫通性受潮。表3為絕緣電阻出廠值與當前故障后的數據對比。按照GB 50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定:絕緣電阻值不應低于產品出廠值70%；可以發現低壓側當前值偏低，說明低壓側已經受潮，需要進一步檢修[3]。

表3 變壓器絕緣電阻值 MΩ

15s60s中壓當前值50007500出廠值730012000低壓當前值50007000出廠值720011000

2.4.3 電容量

變壓器本體繞組各部電容量受制于繞組的相對位置、形狀、距離，分析變壓器本體電容量變化可以及時準確認定變壓器繞組變形缺陷[4]，變壓器電容量變化見表4。由變壓器電容量的變化可以總結出高中低三側的電容量都有一部分變化，低壓側變化幅度尤為明顯，說明變壓器低壓繞組已經發生形變，另外低壓側電容與出廠值對比，數值增大，說明繞組向內變形。

表4 變壓器電容量變化 MΩ

電容量低壓繞組對高中及地中壓繞組對高低及地高壓繞組對中低及地當前電容量312202104015240出廠電容量302202120015380

3 返廠解體檢查

返廠解體表明： 2號變壓器U、W相低壓側繞組已發生軸向失穩，其中U相低壓側繞組6處匝間短路、W相低壓側繞組8處匝間短路，位置主要集中在繞組餅間換位的“S”彎處；自粘換位導線出現散股、斷股和翻轉現象；低壓側繞組中部局部區域存在輻向失穩，部分撐條被壓斷裂，內撐硬紙筒多處凹陷破裂。高壓、中壓側繞組未見明顯異常；V相低壓側繞組基本完好，但部分“S”彎處楔形墊塊松動。

4 故障原因分析及故障處理

主變壓器內部發生了高能量電弧放電，低壓側繞組直流電阻互差超標，說明低壓側繞組有匝間短路；低壓側繞組有變形，低壓側繞組對地電容量增大，說明變形方向為向鐵心凹陷；中壓繞組可能有變形。

4.1 主變壓器抗短路能力差

該主變壓器于投運之初，至故障發生前從未經受過短路沖擊。在第一次經受短路沖擊時便發生了繞組變形及匝間短路，而且短路電流及其持續時間(17.2 kA/95 ms)遠小于技術協議中的規定值(63 kA/3 s)。

a.此變壓器廠家在設計、制造及工藝等各方面存在不足之處，沒能進一步提高變壓器制造質量。該變壓器2007年生產，按照當時抗短路能力校核方法，滿足要求。

b.分析認為，和2號變壓器低壓側繞組餅間換位“S”彎處存在缺陷，楔形墊塊長度較短，在短路沖擊情況下易發生脫落、移位、分層等現象，影響對“S”彎的有效支撐。

c.限于當時工藝條件，和2號變壓器在器身裝配時繞組未采取整體套裝工藝，存在軸向壓緊力不均勻情況。

4.2 線路出站電纜及電纜頭存在質量問題

355號線路于投運之初至故障發生時該線路僅運行了2 d。電纜在正常運行中對地擊穿；柜內W相電纜頭僅承受了70 min(國W相許單相接地運行2 h)的線電壓作用即對地擊穿，最終誘發了主變內部故障。這說明355號線路出站電纜及電纜頭在制造或現場安裝方面存在嚴重質量問題。

4.3 故障處理

故障發生后，分析認為該主變壓器已無法繼續運行。因主變壓器返廠修復較長，故利用周邊在建變電站主變壓器恢復運行，待故障主變修復后再運回，保障了變電站的正常運行。

5 結束語

綜上所述，采用油色譜分析、繞組電容量、低電壓阻抗、繞組頻響測試等技術手段，可綜合判斷變壓器遭受突發短路后繞組狀態。如已經判斷繞組已經發生匝間短路和繞組變形，應及早返廠進行處理。變壓器出廠抗短路能力計算并不能保證變壓器運行中不損壞。當變壓器存在結構缺陷時，雖然變壓器抗短路能力計算合格，但變壓器運行中仍然可能損壞。由于主變壓器低壓側(10～35 kV)近區短路電流對主變壓器沖擊較大，極易造成主變壓器損壞，建議220 kV站低壓側出線電纜由區域公司統一管理其設備材料的招標、施工以及運行維護。

[1] 嚴 莉,王維建,周東華.變壓器故障診斷的油色譜分析方法綜述[J].控制工程,2003,10(6):488-491.

[2] 唐 綱.頻響法分析變壓器繞組變形[D].西安：西華大學,2007.

[3] 冷 勇.變壓器絕緣電阻和吸收比分析[J].高電壓技術,2002,28(4):21-23.

[4] 李鐵濱,楊俊海,武永亮,等.電容量變化在變壓器繞組變形診斷上的應用[J].吉林電力,2014,42(3):52-54.

本文責任編輯：丁 力

Analysis on a Tripping Malfunction of 220 kV Main Transformer

Zhao Peng1,Zhang Peng2

( 1.Hebei First Electric Power Construction Engineering Company,Shijiazhuang 050021,China;2.North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Aiming at main transformer tripping malfunction happened in a 220kV substation,this paper analyzes the accident from the process of the failure,transformer oil,direct resistance and winding deformation indicating that the winding deformation leads inter-turn shorted-circuit accident and finally cases the tripping malfunction.

main transformer;winding deformation;inter-turn shorted circuit;tripping malfunction

2016-06-20

趙 朋(1986-)，男，助理工程師，主要從事電氣設備安裝管理工作。

TM76

B

1001-9898(2016)06-0051-03