一起變壓器雷擊故障損壞的原因分析

摘要：針對某電廠主變壓器遭雷擊后機組被迫停運事件，通過分析繼電保護動作、變壓器本體外觀、避雷器動作情況，結合變壓器解體檢查、油色譜分析、故障后變壓器直流電阻、絕緣電阻、高壓避雷器測試以及主變高壓預防性試驗、出廠耐壓試驗等試驗報告，初步得出主變在雷電波侵入時高壓側繞組絕緣被擊穿，造成主變故障損壞，最后提出了相應的防范措施，為類似雷擊事件的預防及分析提供參考。

關鍵詞：變壓器;雷擊;絕緣;防范措施

0.引言

主變作為發電廠重要的電氣設備，能否可靠運行直接影響著機組的安全穩定。雷擊時，變壓器遭受的沖擊大小與它的中性點接地方式、繞組絕緣水平高低、避雷設施的配置、運行工況以及外界自然條件等諸多因素有關。若變壓器為不接地方式運行，雷擊時，變壓器遭受雷電過電壓的時間較長，形成了近似直角波侵入，超過變壓器的耐受能力，從而導致故障發生，以下對此次故障進行了分析。

1.故障情況

某電廠2號主變，型號為SFP10-430000/220，三相雙繞組升壓變壓器，冷卻方式為強迫油導向循環風冷，調壓方式為無勵磁調壓，額定電壓為242±2×2.5%/20kV，接線組別YNd11。2015年投運以來一直運行正常，主變清掃檢查及預防性試驗未見異常。

故障前，2號機組負荷160MW，220kV I、II母線并列運行，母聯開關在合閘位，1號主變、01號啟備變中性點采取直接接地方式，2號主變中性點不接地方式運行。故障時，雷電現象頻發，據當地氣象部門提供資料顯示，5點41分至6點11分，共監測到落雷3次，最大雷電流95.4KA。6點11分，2號機組跳閘，首出信號為發電機電氣柜保護動作，2號發變組保護A、B屏均發主變差動速斷保護動作信號，發變組保護C屏發跳閘報警信號，熱工保護動作報警、主變本體重瓦斯動作信號、本體壓力釋放報警、失磁聯跳報警、主變輕瓦斯報警。

2.檢查分析

2.1 2號主變本體檢查情況

現場檢查發現，2號主變壓力釋放閥動作，標志桿升高，釋放閥導向管有噴油痕跡，事故放油池鵝卵石表面及圍堰內有大量油跡，主變中性點保護間隙有放電灼傷痕跡，高壓側A、B、C三相套管均出現損傷。

2.2 避雷器動作次數檢查情況

故障后，對全廠避雷器進行了檢查。其中，1、2號主變高壓側C相，啟備變高壓側C相，220kV I、II母線C相共7組避雷器各動作1次。

2.3 變壓器內部檢查情況

2號主變壓器排油時發現絕緣油碳化嚴重（圖1），高壓側A、B相圍屏無明顯異常，C相圍屏損壞開裂，有放射性裂紋。

變壓器低壓側部位底部散落大量黑色絕緣紙碎片（圖2），判斷為高壓側C相繞組絕緣紙燒焦散落，部分碎紙片為繞組匝間絕緣材料，靠近C相出線套管下部圍屏有散開和損傷痕跡。

2.4 變壓器油色譜分析

對2號主變進行油樣色譜分析，數據顯示，乙炔值達到909.1uL/L，總烴值達到2103.3uL/L，與最近一次油色譜分析乙炔值為0uL/L、總烴值28.107uL/L，由此可見，變壓器內部發生了嚴重的電弧放電故障。變壓器故障前、后油質分析報告如表1所示。

2.5變壓器電氣試驗

故障后，先后進行變壓器直流電阻測試、絕緣電阻測試、高壓避雷器測試。

主變高壓側直流電阻分別為：A相119.41mΩ、B相119.41mΩ、C相96.59mΩ，直流電阻互差達到20.41%，表明C相高壓繞組可能存在匝層間短路現象。主變低壓側相間直流電阻分別為：AB相1.8053mΩ、BC相2.07mΩ、CA相1.7863mΩ，相間電阻偏差15.03%，不滿足規程要求。

2.6變壓器絕緣電阻測試

高、低壓繞組對地及高、低壓繞組之間絕緣電阻值為16-66kΩ，表明高、低壓繞組均存在接地現象。

2.7繼電保護動作分析

現場檢查發現，2號發變組A、B套保護均在06：11：43：685時刻啟動，28ms后主變差動速斷保護動作并出口，動作值為11.75倍額定電流（整定值為4倍額定電流）。2號發變組C保護屏主變輕瓦斯報警、主變重瓦斯動作、主變壓力釋放報警、失磁聯跳報警、熱工保護動作報警。

差動保護為絕對選擇性保護，結合非電量保護動作情況可以判斷為變壓器故障。根據差動速斷保護動作且比率差動保護未動作可以確定為變壓器內部嚴重故障。

由圖3可見，在保護動作時，主變高壓側C相電流10.5kA，電壓3.67kV，約3/4個周波后，主變高壓側B相電流11.68kA，電壓3.15kV，發電機最大相電流34.68kA。

根據短路電流計算，當主變低壓側發生三相、相間短路故障時，發電機提供電流分別為66.0kA、57.3kA，當主變高壓側發生三相、相間接地短路，發電機提供的電流均為37kA左右。考慮過渡電阻影響，結合圖3、4錄波圖，可以判斷為主變高壓側發生C相接地短路故障，約3/4個周波后，發生BC相間接地短路。

3 故障結論及預防性措施

3.1 故障結論

根據故障錄波記錄，#2主變遭受雷電過電壓的時間較長，達250us以上，遠超標準雷電波時間，故障時受避雷器的電壓限制作用，2號主變相當于近似遭受了較長時間的直角波侵入。由于2號主變中性點采用不接地方式運行，當雷電波侵入至變壓器中性點時，侵入波發生反射，在中性點形成最大幅值為1倍反射波，入射波和反射波振蕩疊加，產生最高達1130kV的過電壓，遠超變壓器的雷擊全波過電壓能力950kV和雷擊截波過電壓能力1050kV，造成2號主變在雷電波侵入時絕緣被擊穿，結合繼電保護動作分析，2號主變發生內部故障，其高壓側C相、B相先后發生接地短路。

3.2? 預防性措施

發電廠變壓器的防雷措施多種多樣，變壓器安裝、運維等實際情況又各不相同，需因地制宜，合理地選擇防雷保護措施，并重視和加強變壓器的運維管理，才能達到提高變壓器防雷保護的效果。

1）在變壓器高壓側裝設避雷器。變壓器的高壓側一般應采用避雷器保護，避雷器的接地線和變壓器低壓側的中性點以及變壓器的金屬外殼三點應連接在一起接地[1]。

2）在變壓器低壓側加裝普通閥型避雷器或金屬氧化物避雷器。

3）高、低壓側接地分開的保護方式。這種保護方式的接線為高壓側避雷器單獨接地，低壓側不裝避雷器，低壓側中性點及變壓器金屬外殼連接在一起，并與高壓側接地分開接地。另有在變壓器鐵心上加裝平衡繞組抑制正逆變換過電壓; 在配電變壓器內部安裝金屬氧化物避雷器等[2]。

4）消除配電變壓器本身的絕緣薄弱點。結合機組大小修，對配電變壓器引出線、套管以及端部繞組的層間絕緣適當予以加強。在運行中應加強對變壓器絕緣油的色譜檢測和分析以及變壓器的沖擊試驗和匝間試驗，發現油質劣化或存在絕緣弱點，及時安排檢修處理。

5）可考慮在變壓器與閥型避雷器之間，加裝電感線圈，以限制雷電侵入波的陡度，從而降低變壓器繞組層間絕緣上的過電壓。

參考文獻

[1] DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[2] 林淑紅.配電變壓器防雷保護措施分析[J].科技資訊，2015，11：1-3.

作者簡介：

賈存良（1984），男，漢族，碩士研究生，工程師，長期從事電力行業生產運行工作中。