一起220kV變壓器突發短路故障分析

張 云 李少逸 黃曉波

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516003）

電力變壓器是電網中的主要一次設備，其安全穩定運行直接關系到供電可靠性。隨著電網規模越來越大，短路電流不斷增大，老舊大型變壓器因外部短路電流誘發的內部突發短路故障時有發生[1-7]，而變壓器電壓等級和容量的越大，后果越嚴重。老舊大型變壓器因設計、制造、材料所限，抗短路能力較為薄弱，在突發外部短路沖擊時，線圈流過超過額定值十倍以上的短路電流，常造成繞組變形和絕緣損壞情況。

本文介紹了近期發生的一起220kV變壓器突發短路過程，針對現場試驗數據進行了分析，對返廠解體情況進行了說明，根據解體情況，得出了故障原因，并提出了老舊大型變壓器提高抗短路能力的建議措施。

1 故障后檢查情況

1.1 繼電保護動作情況

2016年 8月13日 19∶26，某220kV變電站#1主變本體差動保護及重瓦斯保護動作，跳開#1主變變高2201開關、變中1101開關、變低501開關，10kV母聯備自投動作，合上10kV分段500開關，10kV 1M母線負荷由#2主變供，無負荷損失。

該主變型號為 SFSZ7-150000/220，1994年 11月出廠，聯結組別為YNyn0D11，額定電流：高壓/中壓/低壓為393.6A/715.7A/3936.5A，阻抗電壓：高壓-中壓為 13.8%，高壓-低壓為 24%，中壓-低壓為7.53%，預試、定檢、檢修及日常巡視等均按期進行，未發現試驗不合格情況，未發生過任何故障，故障前主變沒有未消缺記錄。

故障前變電站現場為雷雨天氣，無倒閘操作，跳閘前#1主變負荷：78.7MVA，變高電流 280A；上層油溫：46℃；跳閘前后繼電保護動作情況：

1）2016年 8 月 13 日 19∶26∶31∶59，該站 110kV某球甲線接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護跳閘，重合成功。

2）2016年 8月 13日 19∶26∶31∶163，#1主變差動保護第一次啟動，差動電流0.47Ie。

3）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶193，#1主變重瓦斯保護動作出口。

4）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶221，#1主變差動保護第二次啟動，差動電流0.45Ie。

5）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶232，#1主變三側開關跳開。

根據現場保護動作及雷電定位監測系統分析，主變發生故障前：2016年8月13日19∶26∶31該站110kV某線路接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護動作跳閘，重合成功，B相故障，測距2.78km，故障時刻二次零序電流14.44A，一次電流8.2kA，#1主變變中B相一次電流6.864kA。跳閘線路前后1min1km范圍內落雷 3個，最大雷電?8.4kA，落雷點位于N13—N14之間。

對#1主變本體及相關附件檢查，發現主變本體瓦斯繼電器存在氣體。

1.2 主變試驗檢查情況

對#1主變本體取油樣，對本體瓦斯取氣體化驗。

檢測結果見表 1。第二行為絕緣油測試結果，第三行為瓦斯其他測試結果。

表1 絕緣油色譜測試結果

主變故障后油樣及瓦斯氣體分析結果氫氣、乙炔、總烴均超注意值，乙炔達33.4μL/L，瓦斯氣體分析中氫氣、乙炔、總烴也遠遠超過注意值，特別是乙炔達457.18μL/L，三比值故障代碼為1, 2, 0判斷主變內部存在電弧放電兼過熱。

電氣試驗結果顯示，主變三側絕緣電阻比出廠、交接及上一次預試值有明顯下降；變低繞組直流電阻測試結果見表 2，不平衡率超過規程要求值，繞組變形頻響法圖譜如圖1至圖3所示，主變繞組變形顯示變低B相存在較嚴重變形，變中繞組存在一定變形。

表2 變低繞組直流電阻測試結果

圖1 變高繞組變形測試圖譜

圖2 變中繞組變形測試圖譜

圖3 變低繞組變形測試圖譜

綜合繼電保護動作、油氣試驗及高壓試驗信息，初步判斷該站#1主變故障因主變中壓側因線路發生近區短路，線圈流過短路穿越電流，引發線圈變形和絕緣擊穿放電引起主變跳閘故障。

2 返廠吊罩檢查情況

將該變壓器運回變壓器制造廠，分別吊出三相調壓、高壓和低壓線圈進行解體檢查。調壓線圈、A、C相線圈未見異常。外觀檢查B相調壓線圈、高壓線圈，無發現過熱、放電和絕緣損壞等現象。

B相對應鐵心上鐵軛存在大量燒蝕的紙屑，B相壓板表面遺留有銅珠、紙屑，如圖4所示。拆除上夾件時，發現B相上部夾件存在過熱燒融痕跡，線圈壓緊力情況：線圈壓緊方式為壓釘型，在拆解過程中發現線圈壓板壓緊力小導致線圈軸向壓緊力不夠。如圖4所示。

圖4 B相壓板表面痕跡

拆除三相繞組端部絕緣，發現B相低壓線圈的導線嚴重燒蝕，端部大部分絕緣破損，導線扭曲變形嚴重，如圖5所示。

圖5 B相線圈端部情況

檢查發現B相中壓線圈下部第40餅嚴重變形，上部起第9餅導線亦存在輕微變形，確定不可修復。中、高壓間其中2層軟直筒對應中壓線圈線餅變形處發生開裂現象，線圈墊塊發生位移。如圖6、圖7所示。

檢查發現低壓線圈外紙筒局部發黑，低壓線圈靠A相側存在與鐵心兩點放電電弧痕跡，低壓線圈上部約8餅線嚴重過熱燒蝕，部分導線出現斷股現象，低壓線圈中下部（對應中壓線圈變形位置）局部呈現塌陷變形。低壓線圈下部的托板亦受到污染，如圖8、圖9所示。

圖6 中壓線圈變形情況

圖7 中壓線圈墊塊移位情況

圖8 B相低壓線圈變形情況

測量鐵心對夾件之間的絕緣電阻良好，區間絕緣電阻合格，檢查鐵心與夾件之間、鐵心與拉板之間的絕緣，無破損、過熱等異常現象。

檢查所有鐵心表面，B相心柱上部靠A相側有電弧放電痕跡，其他無過熱、變色及放電燒傷痕跡等異常情況。

圖9 B相低壓線圈塌陷情況

3 變壓器故障原因分析

3.1 運行原因分析

根據主變返廠解體檢查情況分析，主變在運行中受外部短路穿越電流的沖擊作用，本次短路電流（6.864kA）為變中線圈額定電流（0.7157kA）的9.59倍，主變B相變中、變低線圈在電動力影響下變形，變低線圈絕緣破裂出現匝間短路，導致變壓器差動保護動作，是本次事故的直接原因。

3.2 變壓器結構原因

該主變低壓線圈采用單螺旋結構，軸向彈性大，短路時容易產生強烈振動[8-9]，極易造成絕緣破損。此外該主變中低壓繞組采用軟紙筒結構，紙筒沒有內撐條，機械強度低，抗短路沖擊能力弱，使低壓線圈和中壓線圈存在虛位，在短路電流作用下，線圈容易產生幅向失穩，幅向電動力使中壓繞組部分線餅同時向內凹陷，同時造成低壓線圈凹陷。軸向線圈壓緊力不強，在軸向電動力作用下，中壓線圈墊塊出現位移變形。而結構設計不合理是影響抗短路能力的首要因素[10]。根據研究，低壓線圈幅向應力最大點出現在撐條與線餅的接觸面，而最大應變位于線餅外圓[11]。這與解體發現的變形情況相符。

3.3 變壓器制造工藝原因

早期產品在工藝控制方面不夠完善，如線圈干燥時未作恒壓干燥，繞組撐條布置不合理等。在變壓器短路條件下，由于繞組與撐條間存在間隙，試驗證明半數支撐有效計算的應力與實際失效應力接近，因此應考慮 1/2有效內支撐計算強制翹曲極限應力。根據變壓器繞組翹曲計算公式，增大導線尺寸和保證撐條有效支撐都能提高繞組輻向穩定性，增大導線輻向厚度對改善繞組輻向穩定性效果最明顯。對于內繞組而言，增大單根導線厚度、減小擋間距及增大導線應力都能有效提高繞組輻向臨界應力。對自粘組合或自粘換位導線，其輻向臨界應力系數與國標平均環形壓縮應力系數接近；對常規和組合導線，其輻向臨界應力系數比國標平均環形壓縮應力系數大。

3.4 變壓器材料原因

該主變低壓線圈材質為普通的銅質導線，沒有采用半硬銅質導線，使得線圈抗拉許用應力值減少，一旦平均拉伸應力超過抗拉許用應力值，線圈極易發生變形[12-13]。根據變壓器繞組強度計算可知，平均環形壓縮應力是保證繞組輻向不失穩的最基礎、最重要的應力，設計中應根據此應力和國標要求來選擇導線屈服強度Rp0.2。對于220kV變壓器，若低壓或中壓繞組半容量，其短路機械強度要重點考慮，最好使用換位導線[3]。

4 建議措施

1）加強對老舊變壓器抗短路能力的校核，對發現抗短路能力不足的產品，采取加裝限流電抗器或大修加固的方式，進行強化。

2）在保證經濟性的同時，適當提高主變抗短路能力設計裕度，是最有效因素，優先選擇經受短路電流型式試驗合格的產品設計，確保主變抗短路能力。

3）保證變壓器的制造工藝水平，包括線圈繞緊、套裝撐緊、器身壓緊等，能有效保證抗短路設計裕度在制造階段的落實[14-16]。

4）合理設置變壓器重合閘保護配置，避免老舊變壓器長時間承受短路電流或遭受二次沖擊，由于累計效應造成損壞。

5）根據設計經驗及反措要求，老舊變壓器的內線圈應改為半硬銅自粘性換位導線，從而提高內線圈的抗短路能力。

5 結論

本文詳細介紹了一起220kV老舊變壓器在突發外部短路電流的沖擊下發生線圈變形和短路的故障，對原因進行了分析，提出了建議措施。

老舊變壓器抗短路能力隨著運行年限的增長而下降，因此改善其運行環境，降低安裝地點的短路電流，或大修進行強化，具有重大意義，而日常預試中加強繞組變形測試圖譜的比較分析，對發現老舊主變線圈變形過程也具有積極意義。

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