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(guó)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

變壓器發(fā)生出口短路故障后，設(shè)備絕緣能力下降，損壞率高，此時(shí)應(yīng)盡快停電檢查，制定檢修方案，開(kāi)展相關(guān)電氣試驗(yàn)和油中溶解氣體色譜分析試驗(yàn)［3-4］，對(duì)變壓器進(jìn)行全面故障檢測(cè)，進(jìn)而判斷設(shè)備損壞程度，確定變壓器是否可以繼續(xù)運(yùn)行。配電變壓器因其尺寸小、重量輕、搬運(yùn)方便、備品資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，故障后一般不在現(xiàn)場(chǎng)取油樣進(jìn)行色譜分析，只進(jìn)行絕緣電阻、變比測(cè)量等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，或吊罩對(duì)外觀可視部分進(jìn)行初步檢查。若影響繼續(xù)運(yùn)行，大都直接返廠或在檢修車間進(jìn)行故障的進(jìn)一步檢查與分析，測(cè)出的電氣試驗(yàn)參數(shù)及分析結(jié)果，可為之后設(shè)備的檢修運(yùn)行工作提供相關(guān)依據(jù)。

通過(guò)對(duì)一起10 kV配電變壓器繞組短路故障進(jìn)行分析，查找具體故障原因，提出了相應(yīng)的針對(duì)性維護(hù)措施和注意事項(xiàng)，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(hào)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(hào)為：Dyn11。由于該配電變壓器遭受出口短路電流強(qiáng)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(yán)重變形并匝間短路，最終造成配電變壓器在運(yùn)行中燒毀，引起供電中斷。

故障后，通過(guò)對(duì)變壓器開(kāi)展吊罩檢查，對(duì)繞組直流電阻、變比試驗(yàn)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量診斷，綜合分析事故原因，判別故障類型，由此提出相應(yīng)針對(duì)性改進(jìn)措施。

1.1 吊罩解體檢測(cè)

2017年8月20日對(duì)故障配電變壓器進(jìn)行返廠檢查處理，吊開(kāi)鐘罩后，對(duì)該變壓器的本體可視部分進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組線餅失圓變形，外側(cè)絕緣帶破裂，匝間繞組出現(xiàn)嚴(yán)重位移現(xiàn)象。A相繞組底部線餅向內(nèi)徑側(cè)形變，相鄰線圈有凸起，應(yīng)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(dǎo)線。B、C相外觀無(wú)異常。吊罩檢查如圖1所示。

圖1 變壓器吊罩檢查

通過(guò)吊罩本體外觀檢查無(wú)法直接觀測(cè)到各相繞組低壓線圈的實(shí)際情況，考慮到A相高壓線圈已機(jī)械變形，為了能夠準(zhǔn)確判斷低壓線圈變形情況和查找設(shè)備的故障原因，制訂相應(yīng)改進(jìn)措施和檢修計(jì)劃，進(jìn)一步對(duì)該變壓器絕緣電阻、直流電阻、變比等進(jìn)行測(cè)量分析。

1.2 絕緣試驗(yàn)

絕緣試驗(yàn)主要是對(duì)繞組連同套管、鐵芯的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試［5］，故障后測(cè)量結(jié)果如表1所示。

秀容月明回了營(yíng)帳，召集眾將。九個(gè)將領(lǐng)，只來(lái)了五個(gè)，其余四人，都跑了。秀容月明說(shuō)：“這城守不住了，我決意投降，但梨友得答應(yīng)我，不得殺城中任何一個(gè)百姓。”

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

表1 故障后絕緣電阻測(cè)量結(jié)果

由表1可知，A、B、C三相繞組高壓繞組與鐵芯對(duì)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(cè)低壓繞組與鐵芯間的絕緣層已失去絕緣能力。

絕緣試驗(yàn)測(cè)量結(jié)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(yán)重過(guò)熱痕跡，驗(yàn)證了絕緣電阻測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可知，在設(shè)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(yīng)又加劇了絕緣破壞的程度，導(dǎo)致繞組和鐵芯之間的絕緣擊穿，鐵芯硅鋼片損毀嚴(yán)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(guò)熱現(xiàn)象

1.3 直流電阻試驗(yàn)

測(cè)量繞組的直流電阻是檢驗(yàn)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(yàn)時(shí)，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(wú)法及時(shí)消散，導(dǎo)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(biāo)。當(dāng)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(kāi)連接線測(cè)量時(shí)，測(cè)量的直流電阻為線電阻。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷時(shí)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(cè)量結(jié)果，其中，通過(guò)線相變換公示計(jì)算，表中高壓繞組直流電阻的測(cè)量結(jié)果均已經(jīng)換算為相電阻。

表2 高壓繞組直流電阻測(cè)量結(jié)果（第3分接）

表3 低壓繞組直流電阻測(cè)試結(jié)果

由表2可知，對(duì)比出廠時(shí)該變壓器三相直流電阻測(cè)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(yuǎn)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(cè)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(shí)該變壓器各相直流電阻測(cè)量數(shù)據(jù)與故障后各相直流電阻測(cè)量數(shù)據(jù)，低壓側(cè)a相直流電阻明顯減小，與初值誤差為2.21%。由此推測(cè)a相線圈發(fā)生了形變，且繞組局部存在匝間或?qū)娱g短路故障，從而導(dǎo)致直流電阻超標(biāo)。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(yàn)

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

表4 變比測(cè)量數(shù)據(jù)

由表4可知，變比誤差已越限，遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的1%警示值。由變比誤差測(cè)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(cè)。對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論，結(jié)合吊罩時(shí)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(guò)對(duì)比分析各項(xiàng)出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)與故障后測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該配電變壓器A相繞組各項(xiàng)數(shù)據(jù)明顯變化，超出規(guī)程規(guī)定的警示范圍；通過(guò)絕緣試驗(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)A相高壓側(cè)直流電阻增大，由此推測(cè)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(yuǎn)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(jìn)一步分析表明，該配電變壓器因多次遭受低壓側(cè)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(wú)法及時(shí)消散，導(dǎo)致繞組溫度急劇上升，熱穩(wěn)定性下降；同時(shí)，短路電流流過(guò)電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁應(yīng)力，短路電動(dòng)力為變壓器正常運(yùn)行時(shí)繞組所受機(jī)械力的數(shù)百倍，使得繞組機(jī)械強(qiáng)度下降。由于高壓繞組與低壓繞組的電流方向相反，短路應(yīng)力使油箱內(nèi)外層的高壓繞組受到拉伸力向外擴(kuò)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(dǎo)致設(shè)備絕緣強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性下降，進(jìn)而發(fā)生匝間短路、繞組斷線、鐵芯燒損等故障。短路電流對(duì)變壓器的累積效應(yīng)使繞組變形程度不斷加劇、絕緣損壞范圍擴(kuò)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(shè)備長(zhǎng)期處于故障運(yùn)行狀態(tài)，短路電流累積效應(yīng)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(shí)，在短路應(yīng)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(jìn)、導(dǎo)線斷裂。最終導(dǎo)致配電變壓器損毀，引起供電中斷。

3 防范措施

通過(guò)對(duì)1臺(tái)400 kVA配電變壓器出口短路故障及發(fā)生原因進(jìn)行初步判斷，結(jié)合吊罩檢查、直流電阻試驗(yàn)、變比試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)對(duì)故障進(jìn)行診斷，分析影響配電變壓器出口短路的原因，提出相應(yīng)的針對(duì)性防范措施。

1）因低壓負(fù)荷側(cè)連接線眾多，使用場(chǎng)景復(fù)雜，在常規(guī)運(yùn)行環(huán)境下，配電變壓器時(shí)常會(huì)受到各種運(yùn)行條件下突發(fā)性短路電流的考驗(yàn)，容易發(fā)生短路故障。因此，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)針對(duì)性措施降低故障發(fā)生可能性。在設(shè)備組裝過(guò)程中注意配電變壓器鐵芯、繞組及分接開(kāi)關(guān)等的細(xì)節(jié)加工，提高產(chǎn)品制造工藝水平，防止因螺栓松動(dòng)、引線斷裂、鐵芯變形等問(wèn)題引起的漏磁增加，使變壓器油箱內(nèi)部過(guò)熱、絕緣強(qiáng)度降低；盡量選用耐熱性強(qiáng)和機(jī)械強(qiáng)度較高的絕緣材料，優(yōu)化產(chǎn)品性能，從而提高設(shè)備抗短路能力。

2）對(duì)于頻繁受到短路電流沖擊的配電變壓器，即使設(shè)備仍能正常運(yùn)行，也可能會(huì)因微小變形導(dǎo)致配電變壓器繞組機(jī)械失穩(wěn)或喪失絕緣能力。因此，應(yīng)重視配電變壓器的日常維護(hù)管理工作，積極開(kāi)展各項(xiàng)檢修計(jì)劃，跟蹤做好相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，建立設(shè)備運(yùn)行的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；對(duì)在惡劣運(yùn)行環(huán)境下運(yùn)行的配電變壓器應(yīng)盡量縮短檢修周期，及時(shí)判別繞組健康狀態(tài)，避免因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障而形成的安全隱患，造成設(shè)備運(yùn)行中的供電中斷。

3）對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行故障原因分析時(shí)，不能僅通過(guò)一個(gè)狀態(tài)量來(lái)判斷故障類型，應(yīng)對(duì)包括直流電阻、絕緣電阻、變比、介質(zhì)損失值等試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行全面分析，再結(jié)合配電變壓器自身負(fù)荷情況及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷，相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)較以往數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，即使該數(shù)據(jù)仍處于正常范圍內(nèi)，也應(yīng)進(jìn)行特別關(guān)注。如有必要，應(yīng)進(jìn)行吊罩檢查，充分考慮累積效應(yīng)對(duì)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(shè)備的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(jìn)行分析，通過(guò)吊罩檢查，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性的具體措施，為今后設(shè)備的安全運(yùn)行積累數(shù)據(jù)與故障判斷經(jīng)驗(yàn)。