主變繞組匝間短路引起差動保護動作原因分析

張永龍 郝永清

摘 要：本文介紹了一起主變匝間短路導致主變差動保護動作事故，并且介紹了變壓器差動保護原理，詳細闡述對差動保護動作波形的分析以及現場故障檢查過程，判斷確定變壓器故障范圍及部位，分析故障發生原因，為類似的變壓器匝間短路事故提供分析過程及依據。

關鍵詞：差動保護；匝間短路；磁勢；過電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.173

1 事故簡要情況

某風電場某日21時02分，220kV升壓站2號主變兩套保護裝置差動保護均動作，主變開關跳開，2號主變退出運行。

2 主變差動保護原理

變壓器差動保護是變壓器的主保護，用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障。在變壓器繞組兩側裝設電流互感器，將兩側電流互感器二次側電流接入繼電保護微機裝置，繼電保護微機裝置進行故障判斷，從而切除故障設備。變壓器正常運行或外部故障時，差動電流理論上為零，但由于變壓器兩側電流互感器特性不完全一致等原因，在正常運行和外部故障時，差動電流為不平衡電流，不平衡電流很小，能夠確保差動繼電器不會誤動。當變壓器內部發生故障時，在差動回路中由于電流方向或電流大小的改變，差動電流轉變為變壓器兩側電流之和，使差動電流繼電器可靠動作。

3 主變差動保護動作分析

保護動作后，查看2號主變保護裝置RCS-978E動作報告，保護動作時，主變A相差流為0.31Ie，主變B相差流為0.31Ie，主變C相差流為0.63Ie，已達到保護定值，保護裝置正確動作，查看220kV故障錄波器波形。

故障時，2號主變高壓側A相電流與B相電流同相位，且數值分別為96.7A、86.4A，2號主變高壓側C相電流與A、B兩相電流相位相反，且數值位272.3A。當2號主變高壓側開關斷開后，2號主變低壓側出現A相與B相電流同相位，C相電流A、B相電流相位相反現象。據圖分析，2號主變高壓側C相可能出現匝間短路現象。

因為當高壓C相部分匝數短路時，由于不平衡磁動勢相形成一個反向的磁通，對于三相三柱鐵芯，其磁通分布如下圖1。其幅值關系為 ΦC=ΦA+ΦB，相位方向C相與A、B相相反。

由于2號變壓器的高壓、低壓分別與相應電壓等級的電網連接，其電壓不會突變，為了保證變壓器磁勢平衡，維持該電壓等級磁路中磁通平衡，變壓器三相繞組中需產生相應的勵磁電流，三相勵磁電流分別產生平衡于反向磁通的勵磁磁勢，其大小及方向與反向磁通相對應。又由于變壓器高壓側的線路阻抗遠小于低壓側，平衡于反向磁通的勵磁磁勢主要由變壓器高壓側提供，因而出現了錄波圖所示的高壓側電流的相位A相與B相相同且與C相相反，幅值A相與B相之和與C相基本相等的電流波形。當高壓線路斷開之后，平衡于反向磁通的勵磁磁勢便由低壓來提供，其電流波形形狀與高壓分析類似。

4 變壓器現場試驗及檢查

現場為了進一步確定確認變壓器故障部位問題，斷開高壓A、B、C相首、末端引線，使用500V搖表進行了絕緣測量，檢查發現A、B相線圈絕緣正常，C相上半部分線圈正常，下半部分線圈存在短路點，使用直阻測量儀對變壓器C相進行測量，測量示意圖為下圖2，直阻測量結果見表1。

依據測量結果分析，ac的電阻值接近于ab與ad電阻值之和，可以初步判斷，短路點接近下半部線圈的末端。同時，對2號主變變壓器油進行化驗分析，其中乙炔含量約20PPm，已經大于220kV變壓器乙炔含量不大于5PPm的標準，證實變壓器內部存在放電現象。

經過對變壓器返廠解體檢查，發現變壓器C相高壓線圈下部第一、第二段有短路燒灼現象，A、B相繞組無異常。

5 原因分析

在對變壓器解體過程中，引線及繞組沒有發現明顯的變形，2號主變高壓C相末段是段間局部燒蝕，除燒蝕部分之外，繞組的匝絕緣及引線絕緣沒有明顯的過熱現象。因此可以判定此故障為非電流（過電流，短路等）故障，而是由于過電壓的原因造成段間電弧現象，并發生局部燒蝕，最終造成變壓器匝間短路故障。具體過電壓可能原因如下：

（1）工頻過電壓：由于系統空載電抗器補償、不對稱接地、負荷變化等引起的工頻過電壓，而工頻過電壓又直接影響操作過電壓；

（2）諧振過電壓：系統設備及線路的分布參數在運行中產生的線性諧振、鐵磁諧振和參數諧振進而引起的過電壓。

6 結束語

電力變壓器作為電力系統中重要設備之一，它的安全穩定運行直接關系著電力企業的生產安全，而快速消除設備故障對企業的生產至關重要。本文通過結合保護裝置動作報告及其故障錄波器電流波形圖，理論分析研究變壓器故障范圍，通過現場變壓器相關試驗、變壓器分解，查找變壓器故障部位，準確地判斷變壓器故障類型。可為類似事故的分析處理起到借鑒作用，為判斷變壓器差動保護動作為匝間故障提供分析過程及依據。

參考文獻：

[1]賀家李.電力系統繼電保護原理與使用技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]王維儉.發電機變壓器繼電保護應用[M].北京：中國電力出版社，1998.