一起配電變壓器故障原因分析

李文強，安 義，徐 文，劉發勝，鄭蜀江

0 引言

隨著居民用戶對供電質量要求的不斷提升，保障配電設備可靠安全運行愈加顯得重要，臺區配電變壓器作為配電網的關鍵節點，承擔著電壓變換、電能分配的作用，直接關系到用戶的正常用電。本文對某供電公司一起配電變壓器本體故障進行原因分析，找出故障根源，并提出了相應整改措施與建議，以提高配電變壓器的安全運行水平。

1 基本情況

2016年，某供電公司發生了4起配電變壓器故障事件，4臺配變均為同一公司生產，容量為630 kVA，聯結組別為Dyn11型，額定電壓為10/0.4 kV，型號為S11，具體情況見表1。

表1 4臺配電變壓器燒毀情況

2 運行分析

本文選取1號故障配電變壓器進行展開分析，配電變壓器停運前未發生過載，停運期間，高壓線路運行正常，同一線路相鄰臺區運行正常。臺區高壓側A、C兩相熔斷器熔斷，低壓開關未跳開，低壓線路未發生故障，因此判斷為變壓器內部在運行中發生了絕緣故障。

對于Dyn11配電變壓器而言，當低壓側發生單相短路時，高壓側有兩相線電流全部反應了低壓側的單相短路電流[1]，如圖1所示。

圖1 單相短路電流分布

根據配電變壓器運行工況，高壓側A、C相兩相熔斷器熔斷，反映到低壓側為c相單相短路故障，而低壓開關未跳開，低壓線路未發生故障，初步判斷變壓器內部發生了單相短路故障。

3 診斷試驗

測量配電變壓器絕緣電阻，一次對二次及地為0 Ω，一次對二次及地為0 Ω，一次對二次為0 Ω，判斷配電變壓器主絕緣已損壞。

測量變壓器高壓繞組線電阻，5個檔位線直阻不平衡率均達到13%以上，達大于2%的標準要求。測量變壓器低壓繞組相電阻，低壓相直阻不平衡率為14.6%，達大于4%的標準要求，如表2。

表2 1號配電變壓器繞組電阻情況

4 吊芯解體

4.1 吊芯情況

經對1號配電變壓器吊罩后發現，C相繞組損壞嚴重，偏離軸線傾斜，A和B兩相繞組外表完好無損，重新測量A和B兩相高低壓繞組電阻值，電阻值與同廠家同型號的合格變壓器的電阻值相一致。C相第1層線圈至少有8處短路灼傷，包扎帶已松開，對應箱壁內側多處有灼燒痕跡，周圍有熏黑痕跡，C相高壓線圈內側上下膨脹，下層壓裝墊塊斷裂，如圖2所示。

圖2 變壓器吊芯情況

4.2 解體情況

拆開箱蓋，高低壓導桿密封膠珠未老化，高壓低套管未出現滲漏油現象，分接開關動靜觸頭無缺損、臟污，解開C相繞組，高壓第2層至第9層線圈絕緣紙、層間絕緣紙完好，線圈排列整齊，沒有歪斜，線圈端部有壓裝墊塊壓實，下層壓裝墊塊已斷裂，但軸向和幅向無變形；第10至13層線圈嚴重變形，線圈端部沒有壓裝墊塊壓實，線圈向外崩開，局部幅向變形，有2處故障點；C相低壓線圈首尾引出線（c，z）呈上、下層壓在一起，首尾引出線搭接處有燒傷痕跡，將首尾引出線搭接處扳開后，發現C相線圈的首尾引出線在搭接處有一個直徑約8 mm被電弧燒穿的洞，電工皺紙板已燒焦，低壓繞組其他部分未見異常，如圖3所示。

圖3 變壓器解體情況

5 故障原因

根據1號配電變壓器運行工況分析，在臺區未發生過載、高壓線路正常運行、低壓開關未跳開的情況下，臺區高壓側A、C兩相熔斷器斷開，初步判斷變壓器低壓側發生了單相故障。

根據解體情況，C相低壓線圈的首尾引出線搭接處的絕緣受到損傷，變壓器投運后絕緣損傷處在電和熱的作用下絕緣不斷劣化，最終導致C相低壓線圈在變壓器內部首尾短路而造成變壓器損壞。C相低壓線圈內部首尾單相短路是變壓器損壞的直接原因，與實際工況相符。

C相高壓第1層線圈與箱壁碰觸短路，多處有放電灼燒痕跡。說明變壓器在受到故障電流的沖擊時，軸向分量的磁場與繞組電流相互作用，低壓繞組受到向內的幅向壓縮力，高壓繞組受到向外的幅向拉伸力，線圈長軸側受到的輻向力使繞組間的主絕緣距離拉大，第1層高壓線圈與油箱內壁之間的絕緣距離減小，從而導致第1層線圈與箱壁短路。

C相第2層至第9層高壓線圈整齊，導線電纜線、層間絕緣紙完好無破損，端部有壓裝墊塊壓實，下層壓裝墊塊已斷裂，但軸向和幅向無變形；第10至13層線圈嚴重變形，端部沒有壓裝墊塊壓實，線圈向外崩開，說明變壓器輻向分量的漏磁場與繞組的電流相互作用，使繞組產生軸向力，由于線圈端部因沒有壓裝墊塊壓實而向外膨脹。壓裝墊塊機械強度不足以抵抗變壓器的短路沖擊，導致下層壓裝墊塊受到線圈軸向力斷裂。

C相高壓10和11層線圈層間短路，屬于11層線圈變形導致絕緣紙破損從而引起層間短路，線圈斷2處。12和13層線圈發生層間、匝間短路，線圈斷2處，屬于12、13層線圈因幅向和軸向變形相互擠壓導致線圈破損從而引起短路。說明變壓器故障誘發非層間、匝間短路引起。

通過上述分析，變壓器在制造過程中，C相低壓線圈的首尾引出線搭接處的絕緣受損傷，在變壓器投運后絕緣損傷處絕緣不斷劣化，最終導致C相低壓線圈內部首尾短路，故障電流產生電動力導致高壓線圈變形、線圈間相互擠壓，造成線圈絕緣層破損引起匝間、層間多處短路，線圈幅向變形導致第1層線圈與油箱內壁之間距離變近從而引起匝地短路，最終導致變壓器損壞。

經故障原因分析，配電變壓器抗短路能力設計存在以下缺陷：

1）低壓線圈制造工藝不良。

1號配電變壓器低壓線圈在制造過程中，導線出頭90度彎制作工藝不良，造成首尾引出線壓在一起時，彎折處絕緣出現破損，彎折處絕緣破損后未重新包扎絕緣。

2）線圈與油箱內壁之間未考慮加強絕緣。

1號配電變壓器線圈為橢圓形線圈，相比圓形線圈而言，在受故障電流沖擊時，高壓線圈長軸比短軸更易向外膨脹，因此在抗短路能力設計過程中，線圈長軸側與油箱內壁之間應考慮絕緣加強，如增大線圈至油箱的絕緣距離、線圈與油箱之間增加絕緣擋板等，特別是630 kVA及以上大容量配電變壓器[2]。而此臺變壓器線圈長軸側與箱壁之間未考慮加強絕緣。

3）軸向壓緊結構設計不合理。

用壓裝墊塊緊固時，各壓塊的寬度應稍大于各線圈的幅向寬度，盡量覆蓋線圈端部，保證線圈軸向受力均勻，提高線圈穩定性。如圖3所示，1號配電變壓器壓裝墊塊為長方體狀，部分線圈端部未被壓緊，一是在受故障電流沖擊時，導致高壓線圈端部未緊固處向外膨脹，二是在器身下箱時，可能造成高壓線圈外側絕緣破損。

圖3 C相繞組上層壓裝墊塊

圖4 某廠高壓繞組上層標準壓裝墊塊

4）壓裝墊塊存在質量問題。

壓裝墊塊一般采用電工層壓木，電工層壓木是優質木材經蒸煮、旋切干燥后的單板，涂以絕緣膠，經高溫、高壓而成，具有良好的絕緣、機械性能。此臺變壓器壓裝墊塊采用普通實木，抗壓強度、抗彎強度等力學性能不能滿足抗短路能力設計要求，在受到故障電流沖擊時，線圈產生的電動力造成壓裝墊塊斷裂。

6 結論與建議

C相低壓線圈引出線絕緣受損是造成變壓器損壞的直接原因，造成引出線絕緣受損的原因可能是工人在裝配過程中未嚴格按照工藝要求，將絕緣紙板完全從低壓側出線的c線和o線之間的根部墊起，導致低壓出線c-o在根部處短路。

1）建議某供電公司抽檢一臺同型號的配電變壓器到有資質的試驗單位進行抗短路能力試驗。

2）建議加大對該廠家生產的配電變壓器質量抽檢比例。

[1]黃紹平.D_yn11變壓器低壓側單相短路電流的計算及單相短路保護的探討[J].電氣開關，1996，5∶10-12.

[2]謝毓城.電力變壓器設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2014.