220 kV變電站主變差動跳閘故障探討

高朝輝

（中廣核風電有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

變壓器是變電站重要的組成部分，對確保變電站的正常運行具有十分重要的現實意義。但是，在變壓器的實際工作過程中，它的周圍存在諸多不利影響因素。長期處于這種環境可能導致變壓器出現故障，給變電站各項工作的順利開展帶來負面影響。某220 kV變電站所發生了2次主變差動跳閘故障：第一次故障發生在出線開關柜，導致220 kV的1號主變壓器三測開關發生了跳閘；第二次是3號主變壓器的開關柜和8號電容器的開關柜發生不同程度的故障，進而引起3號主變壓器的三側開關以及8號電容器均發生跳閘。結合變壓器的工作情況進行深入分析研究發現，這2起變壓器跳閘故障都是由于開關柜內澆注式電流互感器發生了不同程度的絕緣擊穿，導致系統出現單相接地，且會受到電弧漂移造成的不利影響，進而導致相間短路，最終引起主變壓器發生跳閘故障。為了及時恢復變電站的正常工作，要對其跳閘故障進行深入分析研究，制定相應的解決措施，進而在較短時間內恢復變電站的正常運行。

1 故障基本情況概述

該220 kV變電站與這2次主變壓器跳閘故障相關的一次主接線結構形式如圖1所示。

在第一次故障發生前，變電站的220 kV的IA母線、IB母線以及II母線處于并列運行的狀態中，35 kV的I、II以及III段母線正處于分裂運行狀態。

圖1 變電站與主變壓器跳閘故障相關的一次主接線結構示意圖

在第二次故障發生前，變電站的220 kV的IV母線、IB母線以及II母線處于并列運行的狀態中，35 kV的I、II以及III段母線正處于分裂運行狀態。

1.1 第一次故障

在發生第一次跳閘故障時，變電站的主控室后臺發出警報，其中35 kV線路中的I段母線與地面接觸，會引起1號變壓器采取相應的差動保護措施，進而導致其中的101、201以及301等開關發生跳閘，引起I段母線的失壓故障。通過對變壓器進行系統全面的檢查后發現，其中的1號消弧線圈控制和接地選線裝置出現了接地行為。經檢查發現，311的開關后柜門已經發生嚴重變形，其內部也發生了不同程度的損壞。檢查發現，母線側的B相電流互感器上存在非常嚴重的貫穿性裂紋，如圖2所示。

圖2 出現了貫穿性裂紋的電流互感器圖

根據圖2能夠看出，電流互感器的裂紋表面具有明顯的灼燒跡象，同時能根據灼燒的痕跡辨別其中的線包部分。發生故障后的311開關柜、兩相電流互感器以及線排的情況如圖3所示。根據圖3發現，手車柜內部的測溫蠟片沒有出現熔化跡象，表明發生故障時的溫度不高，由此造成的燒傷情況也并不嚴重。

圖3 發生故障后的裝置外觀圖

對311開關的B相電流互感器利用2 500 V兆歐表檢測其主絕緣電阻的大小，發現其絕緣電阻已經失效變為0 Ω。為了進一步探究其失效原因，對該交流互感器進行拆卸研究，拆解后如圖4所示。從圖4的互感器能夠明顯看出，它存在一定的分層現象，且絕緣部分存在明顯的裂痕，但是互感器內部并沒有采取有效的緩沖保護，會給其順利工作帶來安全隱患。

圖4 311B相電流互感器的解剖檢查圖

1.2 第二次故障

第二次故障發生時，通過主控室能夠看出，35 kV的III段母線出現了不同程度的接地。為了確保系統穩定運行，3號主變壓器采取相應的差動保護措施，隨之7號和8號電容器的定時限低壓進行了有效保護，導致103、203、303、331以及333等開關均出現了保護性的跳閘行為，導致35 kV III段母線出現失壓行為。通過檢查變壓器的故障位置后發現，位于303開關柜內部的B相電流互感器出現了如圖5所示的嚴重故障，A相電流互感器存在相對較輕的灼燒跡象。同時，發現位于333開關柜內部的8號電容器發生了如圖6所示的絕緣擊穿問題。

圖5 發故障后的B相電流互感器圖

圖6 發生了絕緣擊穿的電纜頭圖

為了分析研究故障發生的整個過程，根據記錄的故障錄波信息發現，故障的起始位置是3號主變壓器的303開關。該處出線主變壓器側的B相最先出現了單相接地故障，隨之333開關出線的8號電容器側C相也發生了相應的接地故障，即在B、C兩相之間發生了異點接地短路故障。在B、C兩相發生故障的一個波長時間后，3號主變壓器的303開關出線主變壓器側的A相也發生了接地行為，進而與B、C兩相形成了三相短路故障。

2 故障原因分析

2.1 電流互感器主絕緣擊穿原因分析

根據文中2次故障情況概述不難發現，這2次主變壓器跳閘故障均是由電流互感器的主絕緣發生擊穿而引起的，發生擊穿的電流互感器型號相同，且出自同一生產批次。在第一次故障中，311開關柜內部的A、C兩相電流互感器和線排狀態良好，沒有造成損壞的情況，且其內部測溫片沒有出現融化情況，表明該次短路故障過程中釋放的能量并不高，且其電氣接觸狀況良好。因此，初步判斷短路故障無法造成B相電流互感器外殼發生炸裂。通過對電流互感器進行深入解剖研究發現，它的內存具有明顯的分層現象，且緩沖層缺失，同時在發生炸裂時沒有采取相應的屏蔽措施。澆注式電流互感器的主要材質是環氧樹脂，與金屬的熱膨脹系數相差較大[1-2]。為了避免環氧樹脂向內進行固化收縮時損害鐵心，需要設置相應的緩沖層，以采用毛氈、聚氯乙烯泡沫以及半導體聚酯非織布等材料進行填充。同時，由于樹脂外部包裹有緩沖層，還能起到防止環氧樹脂開裂的作用?；ジ衅鲀炔吭O置屏蔽層的主要目的是提高互感器表面的網絡電壓，且有助于改善其局部放電性能。通過分析發現，正是由于局部過量放電造成固體的絕緣失效。因此，正是內部緩沖層和屏蔽措施的缺失，導致了311開關B相電流互感器外殼裂開及絕緣擊穿故障的發生。

2.2 相間短路故障原因分析

在第一次變壓器發生跳閘故障時，其中的消弧線圈正處于7檔運行的工作狀態，通過的補償電流大小為27 A。變壓器正常工作時，系統電容中的電流為30.5 A。進行一定的補償處理后，殘余電流則保持在3.5 A左右。在變壓器進行工作的過程中，消弧線圈能夠對電弧進行有效控制，確保其能夠自動熄滅，進而確保單相接地能夠自行消失[3]。但是，在第一次故障發生時，單相接地并未消失，且經過一段時間后演化成為相間短路。通過對311開關柜以及相關的互感器和線排進行系統全面的檢查后發現，正是由于接地電弧發生了一定程度的漂移，最終造成相間電路的形成[4]。對于氣體和液體形式的絕緣，消弧線圈能夠對系統中電容的電流進行科學合理補償，進而盡快恢復系統的絕緣性能，能夠有效避免單相接地進一步發展成為相間短路。但是，對于固體形式的絕緣方式，當系統中發生絕緣擊穿后，其放電通道上會出現間隙性的電流，且由于該電流中的阻性分量相對較大，加之無論是放電通道還是消弧線圈的電流變化都存在過渡過程，消弧線圈無法對絕緣擊穿后的接地電流進行有效補償[5-6]。

3 故障預防措施

3.1 澆注式電流互感器絕緣擊穿故障的防范

通過2次變壓器跳閘故障原因的分析可知，故障主要是由于其中的澆注式電流互感器質量不符合要求，在長期局部放電的作用下造成了絕緣擊穿的發生。針對以上電流互感器存在的缺陷，為了能夠及早發現，要在電流互感器進行工作前對其進行系統全面的局部放電試驗。通過試驗發現，質量合格的電流互感器局放量通常在50 pC，但是存在缺陷的電流互感器其局放量將會高達數百pC。

3.2 中性點非有效接地系統弧光接地危害的消除

為了有效避免弧光接地所造成的不利影響，對單相接地電流超過30 A的10 kV系統和單相接地電流超過10 A的35 kV系統，要增設相應的消弧線圈。通過消弧線圈能夠對單相接地過程中的對地電容電流進行有效補償，進而促使電弧熄滅。電弧熄滅的時間越短，對防止相間故障的發生越有利[7]。將中性點非有效接地系統運用于弧光消除中，能夠迅速將單相接地相通過金屬性接地進行旁路，進而有效避免因單相接地發展為相間短路故障。

4 結 論

變壓器是變電站的重要組成設備，對確保變電站的正常運行具有十分重要的現實意義。通過對變壓器的跳閘故障進行系統全面的分析研究，結合實際情況，采取有針對性的改善措施，可為變壓器的穩定運行提供可靠保障，為人們工作和生活的順利進行提供充足的電能供應。