一起400 kVA 配電變壓器出口短路故障分析

陳浩宇 ，張 健 ，崔 聰 ，咸日常 ，胡玉耀

（1.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277100；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

0 引言

變壓器發(fā)生出口短路故障后，設備絕緣能力下降，損壞率高，此時應盡快停電檢查，制定檢修方案，開展相關電氣試驗和油中溶解氣體色譜分析試驗［3-4］，對變壓器進行全面故障檢測，進而判斷設備損壞程度，確定變壓器是否可以繼續(xù)運行。配電變壓器因其尺寸小、重量輕、搬運方便、備品資源豐富等優(yōu)點，故障后一般不在現(xiàn)場取油樣進行色譜分析，只進行絕緣電阻、變比測量等現(xiàn)場試驗項目，或吊罩對外觀可視部分進行初步檢查。若影響繼續(xù)運行，大都直接返廠或在檢修車間進行故障的進一步檢查與分析，測出的電氣試驗參數(shù)及分析結果，可為之后設備的檢修運行工作提供相關依據(jù)。

通過對一起10 kV配電變壓器繞組短路故障進行分析，查找具體故障原因，提出了相應的針對性維護措施和注意事項，為后續(xù)類似故障的處理提供一定參考。

1 事故案例介紹

2017年8月，某配電變壓器發(fā)生一起出口短路事故，該變壓器型號為：S13-M-400／10，額定容量為：400 kVA，電壓比為：10 000×（1±2×2.5%）V／400 V，聯(lián)接組編號為：Dyn11。由于該配電變壓器遭受出口短路電流強大沖擊，致使A相高壓繞組繞線斷股并局部變形凸起、低壓線圈嚴重變形并匝間短路，最終造成配電變壓器在運行中燒毀，引起供電中斷。

故障后，通過對變壓器開展吊罩檢查，對繞組直流電阻、變比試驗等相關數(shù)據(jù)進行測量診斷，綜合分析事故原因，判別故障類型，由此提出相應針對性改進措施。

1.1 吊罩解體檢測

2017年8月20日對故障配電變壓器進行返廠檢查處理，吊開鐘罩后，對該變壓器的本體可視部分進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組線餅失圓變形，外側絕緣帶破裂，匝間繞組出現(xiàn)嚴重位移現(xiàn)象。A相繞組底部線餅向內(nèi)徑側形變，相鄰線圈有凸起，應為此處向外形變而受到擠壓所致，部分變形繞組表面絕緣布帶破損，露出裸露的銅導線。B、C相外觀無異常。吊罩檢查如圖1所示。

圖1 變壓器吊罩檢查

通過吊罩本體外觀檢查無法直接觀測到各相繞組低壓線圈的實際情況，考慮到A相高壓線圈已機械變形，為了能夠準確判斷低壓線圈變形情況和查找設備的故障原因，制訂相應改進措施和檢修計劃，進一步對該變壓器絕緣電阻、直流電阻、變比等進行測量分析。

1.2 絕緣試驗

絕緣試驗主要是對繞組連同套管、鐵芯的絕緣電阻進行測試［5］，故障后測量結果如表1所示。

秀容月明回了營帳，召集眾將。九個將領，只來了五個，其余四人，都跑了。秀容月明說：“這城守不住了，我決意投降，但梨友得答應我，不得殺城中任何一個百姓。”

鐵芯接地與否是絕緣試驗中極其重要的一部分，而這一部分在測量中常常容易被忽略［6］。在變壓器吊罩解體的過程中，應先測量繞組和鐵芯間的絕緣，然后才能拆開鐵芯接地連接片，檢測鐵芯對地絕緣。否則，低壓繞組對高壓繞組、鐵芯及外殼的絕緣電阻值往往成為鐵芯的對地絕緣電阻值。

表1 故障后絕緣電阻測量結果

由表1可知，A、B、C三相繞組高壓繞組與鐵芯對地絕緣均正常，而低壓繞組與高壓繞組、低壓繞組與鐵芯及低壓繞組與外殼的絕緣電阻均為零，且低壓繞組繞制在最內(nèi)層靠近鐵芯處，由此可推測低壓繞組與鐵芯間的絕緣層已失去絕緣能力。

絕緣試驗測量結束后將線圈拆解，觀察發(fā)現(xiàn)該配電變壓器低壓繞組與鐵心絕緣層已破損，鐵芯硅鋼片出現(xiàn)嚴重過熱痕跡，驗證了絕緣電阻測量結果的準確性。由此可知，在設備發(fā)生短路故障后，短路電流引起繞組變形和發(fā)熱，累積效應又加劇了絕緣破壞的程度，導致繞組和鐵芯之間的絕緣擊穿，鐵芯硅鋼片損毀嚴重。鐵芯硅鋼片灼燒情況如圖2所示。

圖2 鐵芯硅鋼片出現(xiàn)過熱現(xiàn)象

1.3 直流電阻試驗

測量繞組的直流電阻是檢驗配電變壓器縱向絕緣性能的有效方法之一［7］。配電變壓器遭受沖擊短路電流的考驗時，電阻損耗增加，線圈及引線連接處的薄弱部位發(fā)熱［8］，熱量集中在油箱內(nèi)無法及時消散，導致薄弱部位因發(fā)熱破損甚至斷裂，直流電阻明顯變大，三相不平衡率超標。當某相繞組層間或匝間出現(xiàn)金屬性匝間短路后，繞組絕緣能力下降甚至失去絕緣能力，引起該相直流電阻值減小［9］。

該配電變壓器高壓繞組為三角形連接方式，繞組未拆開連接線測量時，測量的直流電阻為線電阻。在對設備進行故障診斷時為了能夠更快速地定位故障相，需將線電阻換算成相電阻。表2和表3分別給出高、低壓繞組故障前后直流電阻測量結果，其中，通過線相變換公示計算，表中高壓繞組直流電阻的測量結果均已經(jīng)換算為相電阻。

表2 高壓繞組直流電阻測量結果（第3分接）

表3 低壓繞組直流電阻測試結果

由表2可知，對比出廠時該變壓器三相直流電阻測量數(shù)據(jù)與故障后三相直流電阻數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障后三相繞組不平衡率為4.99%，遠大于規(guī)程規(guī)定的2%警示值［10］。故障后A相高壓繞組直流電阻數(shù)據(jù)明顯偏大，造成三相直阻不平衡率增大，推測A相線圈可能發(fā)生燒損或繞線斷股情況。

由表3可知，比較出廠時該變壓器各相直流電阻測量數(shù)據(jù)與故障后各相直流電阻測量數(shù)據(jù)，低壓側a相直流電阻明顯減小，與初值誤差為2.21%。由此推測a相線圈發(fā)生了形變，且繞組局部存在匝間或層間短路故障，從而導致直流電阻超標。但是，不能僅憑越限的直流電阻數(shù)據(jù)判別故障原因。

1.4 變比試驗

為了進一步判別該配電變壓器的故障原因，進行了變比試驗［11］。與直流電阻測量相比較，分析變比試驗的測量結果更容易發(fā)現(xiàn)繞組匝間短路故障。變比測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 變比測量數(shù)據(jù)

由表4可知，變比誤差已越限，遠大于規(guī)程規(guī)定的1%警示值。由變比誤差測量值為正數(shù)可知，該配電變壓器短路故障發(fā)生在低壓側。對比三相變比誤差，AB／ab的變比誤差最大，且配電變壓器為Dyn11接線，由此推斷短路故障主要發(fā)生在A相低壓繞組上。

2 故障原因分析

根據(jù)電氣試驗數(shù)據(jù)及結論，結合吊罩時發(fā)現(xiàn)的繞組變形表觀現(xiàn)象，綜合分析得到該配電變壓器出口短路故障原因如下。

通過對比分析各項出廠試驗數(shù)據(jù)與故障后測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該配電變壓器A相繞組各項數(shù)據(jù)明顯變化，超出規(guī)程規(guī)定的警示范圍；通過絕緣試驗可推斷該配電變壓器a相低壓繞組與鐵芯間的絕緣已擊穿；直流電阻試驗發(fā)現(xiàn)A相高壓側直流電阻增大，由此推測A相繞線可能存在燒損或斷股的情況；分析故障后繞組變比數(shù)據(jù)，A相繞組變比誤差遠大于警示值，由此推斷該配電變壓器繞組中存在匝間短路故障。

進一步分析表明，該配電變壓器因多次遭受低壓側a相出口短路電流的沖擊，低壓繞組產(chǎn)生大量熱量，熱量在油箱內(nèi)無法及時消散，導致繞組溫度急劇上升，熱穩(wěn)定性下降；同時，短路電流流過電氣設備會產(chǎn)生電磁應力，短路電動力為變壓器正常運行時繞組所受機械力的數(shù)百倍，使得繞組機械強度下降。由于高壓繞組與低壓繞組的電流方向相反，短路應力使油箱內(nèi)外層的高壓繞組受到拉伸力向外擴張，內(nèi)層的低壓繞組受到壓縮力向內(nèi)收縮。線圈之間相互擠壓、拉伸，使繞組匝間、繞組與鐵芯間的絕緣距離發(fā)生變化，導致設備絕緣強度和機械穩(wěn)定性下降，進而發(fā)生匝間短路、繞組斷線、鐵芯燒損等故障。短路電流對變壓器的累積效應使繞組變形程度不斷加劇、絕緣損壞范圍擴大，是該配電變壓器發(fā)生低壓繞組出口短路故障的主要原因。

該設備長期處于故障運行狀態(tài)，短路電流累積效應造成低壓繞組與鐵芯間的絕緣擊穿，巨大的短路電流使鐵芯燒損。同時，在短路應力作用下，A相高壓繞組也發(fā)生了不可逆形變，引起繞組線匝嵌進、導線斷裂。最終導致配電變壓器損毀，引起供電中斷。

3 防范措施

通過對1臺400 kVA配電變壓器出口短路故障及發(fā)生原因進行初步判斷，結合吊罩檢查、直流電阻試驗、變比試驗、絕緣試驗對故障進行診斷，分析影響配電變壓器出口短路的原因，提出相應的針對性防范措施。

1）因低壓負荷側連接線眾多，使用場景復雜，在常規(guī)運行環(huán)境下，配電變壓器時常會受到各種運行條件下突發(fā)性短路電流的考驗，容易發(fā)生短路故障。因此，應及時采取相應針對性措施降低故障發(fā)生可能性。在設備組裝過程中注意配電變壓器鐵芯、繞組及分接開關等的細節(jié)加工，提高產(chǎn)品制造工藝水平，防止因螺栓松動、引線斷裂、鐵芯變形等問題引起的漏磁增加，使變壓器油箱內(nèi)部過熱、絕緣強度降低；盡量選用耐熱性強和機械強度較高的絕緣材料，優(yōu)化產(chǎn)品性能，從而提高設備抗短路能力。

2）對于頻繁受到短路電流沖擊的配電變壓器，即使設備仍能正常運行，也可能會因微小變形導致配電變壓器繞組機械失穩(wěn)或喪失絕緣能力。因此，應重視配電變壓器的日常維護管理工作，積極開展各項檢修計劃，跟蹤做好相關運行數(shù)據(jù)記錄，建立設備運行的在線檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)；對在惡劣運行環(huán)境下運行的配電變壓器應盡量縮短檢修周期，及時判別繞組健康狀態(tài)，避免因未及時發(fā)現(xiàn)設備故障而形成的安全隱患，造成設備運行中的供電中斷。

3）對故障設備進行故障原因分析時，不能僅通過一個狀態(tài)量來判斷故障類型，應對包括直流電阻、絕緣電阻、變比、介質損失值等試驗的測量結果進行全面分析，再結合配電變壓器自身負荷情況及運行狀態(tài)進行綜合診斷，相應測量數(shù)據(jù)較以往數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差時，即使該數(shù)據(jù)仍處于正常范圍內(nèi)，也應進行特別關注。如有必要，應進行吊罩檢查，充分考慮累積效應對配電變壓器繞組的影響，降低潛伏性故障發(fā)生概率，提高配電變壓器故障診斷能力，保證設備的可靠運行。

4 結語

對一起400 kVA配電變壓器遭受出口短路沖擊后繞組發(fā)生變形的典型案例進行分析，通過吊罩檢查，結合試驗結果進行綜合診斷分析，判斷故障類型及危害程度。提出了配電變壓器在發(fā)生出口短路故障時，提高設備運行可靠性的具體措施，為今后設備的安全運行積累數(shù)據(jù)與故障判斷經(jīng)驗。