變壓器繞組損壞事故的分析與建議

雷志勇，　高世德，　史海青，　雷君杰，　王　偉

國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司 晉中供電公司　山西晉中　030600

變壓器繞組損壞事故的分析與建議

雷志勇，高世德，史海青，雷君杰，王偉

國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司 晉中供電公司山西晉中030600

針對(duì)一起110kV主變壓器短路且繞組損壞事故，進(jìn)行了診斷性試驗(yàn)和解體分析，同時(shí)提出從結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)監(jiān)督等方面提高主變壓器的抗短路能力。

變壓器；繞組；故障

1　事故情況

電力變壓器是電網(wǎng)中的核心設(shè)備之一，其安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和供電可靠至關(guān)重要。大型電力變壓器損壞，除了會(huì)對(duì)企業(yè)本身造成較大經(jīng)濟(jì)損失外，還會(huì)造成不良的社會(huì)影響。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，2009年以來(lái)因變壓器抗短路能力不足導(dǎo)致的本體損壞事故占比在60%以上。因此，提高變壓器抗短路能力成為提高電網(wǎng)安全可靠性的重要手段[1-3]。

2016年11月13日，國(guó)網(wǎng)晉中供電公司 110kV 變電站1號(hào)主變壓器35kV線路發(fā)生近區(qū)短路故障，導(dǎo)致該線路掉閘，重合閘啟動(dòng)后，造成主變壓器差動(dòng)及重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，主變壓器退出運(yùn)行。

1號(hào)主變壓器的型號(hào)為SFSZ10—50000/110，額定電壓為(110±8×1.25%) kV/(38.5±2×2.5%) kV/10kV，短路阻抗百分?jǐn)?shù)高壓側(cè)對(duì)中壓側(cè)為9.91%，高壓側(cè)對(duì)低壓側(cè)為17.99%，中壓側(cè)對(duì)低壓側(cè)為6.49%，出廠日期為2006年7月1日，于2006年7月20日投運(yùn)。

2　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及分析

2.1　診斷性試驗(yàn)

圖1　高壓三相繞組診斷性試驗(yàn)

圖2　中壓三相繞組診斷性試驗(yàn)

圖3　低壓三相繞組診斷性試驗(yàn)

2.2　現(xiàn)場(chǎng)故障分析

通過(guò)對(duì)上述測(cè)試情況進(jìn)行綜合分析判斷，該主變壓器本體內(nèi)部繞組發(fā)生電弧放電故障，故障部位為中壓與低壓C相繞組，具體為絕緣擊穿導(dǎo)致電弧放電。主變壓器內(nèi)部放電導(dǎo)致差動(dòng)、重瓦斯保護(hù)相繼動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)不具備檢修條件，建議該主變壓器返廠吊罩檢查。

3　返廠后檢測(cè)及分析

3.1　返廠后檢測(cè)

對(duì)該主變壓器進(jìn)行吊罩檢查，發(fā)現(xiàn)繞組上端部B相、C相之間有因短路沖擊而脫落和位移的絕緣墊塊，如圖4所示。其它部分沒(méi)有明顯的位移變形等情況。拔掉上軛鐵后，發(fā)現(xiàn)C相繞組上端部中壓和低壓繞組之間有內(nèi)部擊穿放電而沖擊產(chǎn)生的碳化物、銅渣等，如圖5所示。

圖4　B相與C相之間繞組上端部示意圖

圖5　C相繞組上端部示意圖

進(jìn)行吊心解體檢查，發(fā)現(xiàn)高壓繞組無(wú)明顯變形，如圖6所示。中壓繞組變形嚴(yán)重，如圖7所示。在對(duì)中壓繞組進(jìn)行分離時(shí)，由于中壓繞組三相變形嚴(yán)重，造成中壓、低壓繞組分離困難，分離后發(fā)現(xiàn)C相中壓、低壓繞組之間絕緣紙板有被擊穿痕跡，已形成孔狀，如圖8所示。C相10kV繞組中部餅間有明顯放電痕跡，如圖9所示。低壓A相、B相繞組局部發(fā)生變形，如圖10、圖11所示。

圖6　高壓繞組示意圖

圖7　中壓繞組示意圖

圖8　絕緣紙板擊穿示意圖

圖9　低壓C相繞組示意圖

圖11　低壓B相繞組示意圖

3.2　返廠后故障分析

該主變壓器35kV側(cè)線路發(fā)生近區(qū)相間短路故障，線路跳閘，這一故障短路電流導(dǎo)致主變壓器中壓 C相繞組受到電動(dòng)力影響而發(fā)生位移變形，擠壓 10kV 繞組，從而使10kV繞組餅間及匝間距離變小。當(dāng)故障線路斷路器保護(hù)動(dòng)作重合閘后，短路故障未消除，短路電流再次沖擊主變壓器，繞組變形加重，重合閘產(chǎn)生過(guò)電壓等多種因素最終導(dǎo)致變壓器低壓繞組餅間及匝間形成電弧放電，繞組絕緣嚴(yán)重?fù)p壞。高溫電弧將低壓繞組與中壓繞組間絕緣紙板燒穿，最終導(dǎo)致中壓、低壓繞組間絕緣擊穿。

4　綜合分析

結(jié)合事故過(guò)程、變壓器材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，導(dǎo)致主變壓器繞組絕緣擊穿的主要原因?yàn)榭苟搪纺芰?yán)重不足，具體情況如下。

(1) 35kV繞組與10kV繞組無(wú)硬紙板絕緣，為軟紙絕緣板，絕緣強(qiáng)度不足，電弧放電后導(dǎo)致繞組間絕緣損壞。

(2) 35kV繞組無(wú)外撐條，繞組抗短路能力不足，35kV系統(tǒng)近區(qū)及出口短路導(dǎo)致繞組嚴(yán)重變形。

(3) 全部繞組未使用自粘換位導(dǎo)線，且導(dǎo)線換位下無(wú)Z形墊塊加強(qiáng)絕緣，導(dǎo)致低壓繞組導(dǎo)線換位處絕緣薄弱，當(dāng)繞組發(fā)生過(guò)電壓時(shí)產(chǎn)生餅間擊穿。

(4) 查閱、了解運(yùn)行情況，該變電站建在山區(qū)，屬雷電高發(fā)區(qū)，在過(guò)去15年中，35kV架空線路共發(fā)生雷電跳閘事故15起，其中近區(qū)短路故障3起。故障后均未對(duì)該主變壓器進(jìn)行診斷性試驗(yàn)，未及時(shí)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估[2]。

5　防范措施及建議

為保證主變壓器的安全運(yùn)行、防止事故發(fā)生，應(yīng)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，提高主變壓器繞組抗短路能力。在運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，及時(shí)掌握運(yùn)行狀態(tài)，可以采取以下幾方面措施。

(1) 以繞組自支撐理論為基礎(chǔ)，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選擇半硬銅導(dǎo)線或自粘換位導(dǎo)線。將繞組直接繞制在剛度佳的硬紙筒上，繞組線餅輻向尺寸采用0裕度設(shè)計(jì)，對(duì)繞組出頭、換位彎折的絕緣薄弱部位加強(qiáng)絕緣和可靠綁扎。

(2) 增加繞組內(nèi)支撐數(shù)量。繞組內(nèi)部支撐的數(shù)量對(duì)內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定性有重要影響。在內(nèi)繞組承受較大徑向短路力作用的情況下， 通過(guò)增加繞組內(nèi)部支撐條，不僅可以減小線匝弧段的跨距，而且可以提高繞組圓整度，這些都可提高內(nèi)繞組承受徑向短路力作用的能力。

(3) 改進(jìn)工藝，對(duì)繞組進(jìn)行穩(wěn)定性處理。繞組繞制時(shí)采用軸向、輻向壓緊裝置，保證線餅繞制緊實(shí)。對(duì)繞組進(jìn)行恒壓干燥處理， 并在壓裝過(guò)程中反復(fù)調(diào)整繞組高度，使各繞組在規(guī)定壓力下的尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這些措施都可保證變壓器運(yùn)行過(guò)程中繞組軸向尺寸的穩(wěn)定。

(4) 在保證各繞組本身尺寸準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，在套裝過(guò)程中保證紙筒與鐵心之間、各繞組之間、繞組與其它結(jié)構(gòu)件之間配合緊實(shí)，保證各繞組之間具有較好的同心度和磁中心重合度。通過(guò)在繞組組裝過(guò)程中采取一系列工藝措施，使各部件綁緊撐實(shí)，達(dá)到在變壓器短路過(guò)程中各部件不會(huì)竄位或失穩(wěn)變形的目的。

(5) 加強(qiáng)主變壓器技術(shù)監(jiān)督，及時(shí)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。繞組變形診斷中，縱橫比是最重要的分析方法。應(yīng)注重變壓器繞組變形測(cè)試數(shù)據(jù)的積累，在變壓器投入運(yùn)行前或有條件停電的情況下定期組織開(kāi)展繞組變形試驗(yàn)，及時(shí)掌握變壓器繞組的排列情況。減小變壓器中壓、低壓側(cè)短路的可能性[9-10]。變電站出口的35kV、10kV線路考慮采用絕緣包封，防止變壓器近區(qū)或出口短路造成變壓器損壞。35kV側(cè)出線三芯電纜應(yīng)逐步改造為單芯電纜。加強(qiáng)變壓器中壓、低壓側(cè)附近設(shè)備的巡視，防止變電站低壓側(cè)的無(wú)功設(shè)備、開(kāi)關(guān)柜故障造成低壓側(cè)短路。運(yùn)行方式方面，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件加裝限流器或快速開(kāi)斷器。變壓器中壓、低壓側(cè)安排分列運(yùn)行，對(duì)于主變壓器繞組已發(fā)生變形且又無(wú)法立即退出運(yùn)行的設(shè)備，應(yīng)退出35kV、10kV 側(cè)重合閘壓板。結(jié)合帶電檢測(cè)和停電試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)性能劣化的絕緣隔板和絕緣件及時(shí)更換，以防止變電站開(kāi)關(guān)柜故障造成短路。實(shí)際運(yùn)行時(shí)如果發(fā)生近區(qū)短路，建議盡快安排停電進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)診斷分析，利用阻抗法、頻率響應(yīng)法和電容分解法進(jìn)行診斷分析，如果短路阻抗百分?jǐn)?shù)有明顯變化并大于5%，或利用電容分解法發(fā)現(xiàn)低壓繞組對(duì)鐵心的電容值變化量大于10%，應(yīng)結(jié)合停電計(jì)劃吊罩檢查。還可進(jìn)行油色譜診斷分析，24h內(nèi)取油樣與上一次油樣進(jìn)行油色譜對(duì)比，計(jì)算油色譜產(chǎn)氣速率，并與上一次油樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若總烴超標(biāo)且產(chǎn)氣速率大于10%，應(yīng)進(jìn)行診斷，并查明原因。

6　效果分析

根據(jù)上述措施，對(duì)變電站進(jìn)行了整改，對(duì)變電站站內(nèi)架空線和出口35kV、10kV線路采用絕緣包封，并對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)性能發(fā)生劣化的絕緣隔板和絕緣件進(jìn)行更換，同時(shí)將35kV側(cè)出線三芯電纜改造為單芯電纜。完成改造后，在7個(gè)月時(shí)間內(nèi)，10kV線路跳閘次數(shù)由上一年同期的30次降為15次，同比減少了50%，近區(qū)短路故障由上一年同期的3次降為0次，主變壓器受故障短路沖擊的次數(shù)顯著降低，極大地提升了電網(wǎng)安全性和供電可靠性。

7　結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變壓器需承受的系統(tǒng)短路沖擊強(qiáng)度不斷增大，過(guò)電壓沖擊頻次不斷增加，外部運(yùn)行環(huán)境日益嚴(yán)峻。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加和短路電流沖擊次數(shù)的增多，主變壓器抗短路能力將明顯下降。每一次短路沖擊都有可能導(dǎo)致主變壓器發(fā)生燒毀事故，因此，提高變壓器抗短路阻抗的能力是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素，同時(shí)應(yīng)盡早掌握變壓器繞組運(yùn)行狀態(tài)并加以防范。

[1] 輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程： Q/GDW 1168—2013[S].

[2] 輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程： DL/T 393—2010[S].

[3] 國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)及編制說(shuō)明[M].北京： 中國(guó)電力出版社，2012.

[4] 張偉航.220kV主變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策[J].上海電氣技術(shù)，2011，4(2)： 52-55.

[5] 雷志勇，史海青，任剛，等.主變繞組變形異常的分析與判斷[J].上海電氣技術(shù)，2017，10(1)： 59-63.

[6] 電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則： DL/T 1093—2008[S].

[7] 電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法： DL/T 911—2016[S].

[8] 高朝霞，馬濤，王永兒，等.短路阻抗法結(jié)合頻響法診斷變壓器繞組變形的分析與應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2006,7(12)： 32-34.

[9] 楊光照,黃繁朝.變電站安全運(yùn)行存在的問(wèn)題和保護(hù)技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(36)： 185.

[10] 施祖銘,何延慶.輸配電設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)要分析(下)[J].上海電氣技術(shù),2008,1(2)： 57-62.

(編輯： 啟德)

Aiming at the short circuit of 110kV main transformer and the winding damage, the diagnostic test and the knockdown analysis were carried out. At the same time, the anti-short-circuit capability of the main transformer was improved from the aspects of structural material design, operational maintenance and supervision.

Transformer；Winding；Fault

TM421

B

1674-540X(2017)04-064-05

2017年7月

雷志勇(1981-)，男，本科，工程師，主要從事變電檢修工作，E-mail:gaogaosd@163.com