變壓器本體及套管色譜異常分析及處理

姬海宏,李元斌

(華電電力科學研究院有限公司， 杭州 310030)

0 引 言

電力工業經過數年來的高速發展，電氣設備種類和數量越來越多，隨著運行時間的積累，設備故障情況復雜多變。變壓器作為發電企業向外送電的關鍵設備，其內部故障未能早期發現及處理，特別是突發油中氣體組分含量異常，通常易造成災難性后果。套管是將變壓器內部的高、低壓引線引到油箱外部的出線裝置，如變壓器套管存在缺陷或發生故障，將直接危及變壓器的安全運行及其發電或供電的可靠性[1-3]。

變壓器油中氣體組分含量分析技術(簡稱色譜分析技術)是建立在油中所含溶解氣體類別與充油電氣設備內部存在故障之間的對應關系的故障診斷方法，油色譜分析技術能靈敏地分析出充油電氣設備存在的潛伏性故障，判斷其發展趨勢及危害程度。不同性質故障產生的氣體組分和含量不同，同類性質的故障產生的氣體量隨故障的嚴重程度不同，油中氣體組分含量在一定程度上能反映出變壓器故障的性質，如絕緣老化或故障程度，即可作為變壓器異常的特征量來診斷變壓器的性質、嚴重程度，甚至故障部位[4-5]。

該文結合歷年來系統內幾個電廠的主變及套管色譜異常事件，從發現異常到故障處理整個過程，通過色譜故障分析法、電氣試驗及設備解體檢查進行深入分析，為后續相關設備的安全運行提供借鑒。

1 幾起變壓器及套管色譜異常事件

1.1 事件1：主變套管變壓器油中乙炔含量異常

2007年5月某電廠2號主變在投運后第一年的預防性試驗時發現，220 kV B相套管變壓器油中乙炔含量為1 300 μL/L,超標嚴重，相關色譜數據詳見表1。該套管生產廠家為撫順傳奇套管有限公司，2005年出廠，出廠序號OT 606-01146。

B相套管在解體分析之前，對該套管做了介損、電容量、局放及油樣測試。局放量在218 kV(出廠局放試驗電壓應為291 kV)時已達到30 pC，額定電壓下的介損、局放試驗均不合格。通過初步分析認為該套管存在內部電容屏擊穿現象，返廠解體發現，在套管芯子距導管下端面400 mm處，有一燒焦的洞，從導電銅管起向外到約第22層鋁箔(總共有53層鋁箔)處，絕緣紙燒黑碳化最大處直徑為15 mm，面積約2.0 cm2，其余部位未發現異常(見圖1)。

圖1 2號主變套管解體現場照片Fig.1 Site photo of bushing disassembly of No.2 main transformer

1.2 事件2：主變變壓器油總烴異常

某廠220 kV 2號主變(型號為SFPSZ10-180000/220)系西安變壓器有限公司的產品，2010年8月投入運行。2014年7月發現變壓器油中總烴超標，并有少量乙炔，且總烴含量隨負荷的增長而增加，色譜數據詳見表2。實施限負荷運行，于2014年11月返廠檢修。吊罩后進行變比、直流電阻、絕緣電阻測量均試驗正常，經引線、鐵芯以及相關表面部分檢查沒有發現能夠引起色譜異常的原因，器身解體發現C相低壓繞組內側有2個S彎換位處絕緣炭化、導線表面燒損。此外，C相低壓鐵芯紙筒下沿附有炭化物。A、B相低壓繞組及其他繞組未發現異常(見圖2)。

圖2 2號主變器身解體現場照片Fig.2 Site photo of body disassembly of No.2 main transformer

表2 2號主變色譜試驗數據Table 2 Chromatographic test data of No.2 main transformer μL/L

1.3 事件3：主變跳閘故障

2018年9月6日下午，南方某廠出現強雷雨天氣，13∶48 1號主變差動保護動作出中跳三側開關，該主變系常州變壓器廠生產的型號為SFSZ8-31500/110，2005年12月30日投入運行。事故發生后，對主變外觀檢查無異常，本體瓦斯繼電器未見有明顯的氣體聚集。取主變油樣進行色譜分析，發現油中含有乙炔(98.59×10-6),氫氣、總烴等氣體含量明顯上升，初步判斷為本體內部有電弧放電，色譜數據見表3。高壓試驗發現A相變比試驗數據異常，繞組變形試驗因無歷史數據，僅從相間進行橫向比較，發現高壓繞組正常，中、低壓曲線一致性較差，從而判斷中、低繞組發生了變形，其他的試驗項目測試結果正常。近5年來該主變因長期處于重、滿載運行，而該廠地處小山頭，且為雷區，投運13年來，35 kV、10 kV饋線近區短路事故時有發生(見圖3)。

圖3 1號主變器身解體現場照片Fig.3 Site photo of body disassembly of No.1 main transformer

表3 1號主變色譜試驗數據Table 3 Chromatographic test data of No. 1 main variable μL/L

2 事故原因分析及措施

2.1 事件1分析及處理

常規電氣試驗(包括介損、電容量及絕緣電阻)對于發現套管內部放電性缺陷不靈敏，而油中溶解氣體分析對于發現套管內部缺陷十分有效[6]。結合表1數據，根據DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規定，變壓器套管變壓器油中乙炔含量應小于2 μL/L，氫氣含量應小于500 μL/L，總烴應小于150 μL/L。而該套管油色譜分析數據均超過該注意值，特征氣體比值為C2H2/C2H4=2.55、CH4/H2=0.12、C2H4/C2H6=8.23，按照三比值編碼為102，初步判斷故障性質為電弧放電。

通過解體檢查分析，該套管電容芯子在卷繞過程中帶進異物，帶電后該部位電場畸變，在運行電壓的長期作用下，產生局部放電導致絕緣逐漸劣化，將絕緣紙逐層擊穿，同時故障逐漸由異物處徑向擴展，向內到達導電銅管。若此次預防性試驗未能及時進行，故障點繼續擴展，到達一定程度后將會發生貫穿性放電，引起套管爆炸，主變事故。針對上述分析排查結果采取相應措施：對于乙炔嚴重超標的B相套管，現場進行更換；對于其余4只油中含有0.2～0.5 μL/L乙炔的套管，通過分析判斷認為這4只套管的乙炔含量為痕量級，不影響套管的使用。通過對這些套管加強跟蹤，每半年應取油樣進行色譜分析，如乙炔含量有增長的趨勢，必須進行更換；其次，為防止同批套管發生故障損壞，系統內發電企業如有使用撫順傳奇套管有限公司(原名為撫順雷諾爾套管有限公司)生產的套管，應進行一次油色譜檢測，若氣體含量異常，應及時與制造廠聯系，確認故障原因，及時更換等處理。

2.2 事件2分析及處理

結合運行例行變壓器油試驗發現油色譜數據超標，從表2數據可知，該變壓器油中總烴超注意值，且含有少量乙炔，按照三比值編碼為120，初步判斷故障性質為電弧放電兼過熱，疑似設備內部相圈匝間、層間放電故障。通過解體檢查結合色譜分析推斷C相低壓繞組在制造過程中，個別S彎換位處導線絕緣存在不易被發現的輕微破損，此缺陷在運行中逐漸惡化，最終導致并聯導線線間短路。由此提出更換三相低壓繞組，且導線采用半硬銅材料(σ0.2>120 N/mm2)，在S彎換位處加強絕緣保護措施，并采用新型絕緣材料，增加墊條，減小S彎換位“刀口”使其過渡平緩等有效措施。

2.3 事件3原因分析

主變雷擊跳閘后，油中色譜數據異常，從表3數據可知，該變壓器油中總烴超標，且乙炔含量較高，按照三比值編碼為102，初步判斷故障性質為電弧放電，疑似設備內部相圈匝間、層間放電故障。

通過設計圖紙發現該三繞組變壓器中壓繞組設有調壓開關時，其調壓繞組不是獨立的，而是與中壓繞組放置在一起，調壓開關引出線在中、低壓繞組之間穿出后引到無載分接開關。該結構容易引起中壓繞組在受到雷電沖擊時電壓分布不均衡，從而導致變壓器雷擊損壞。此外，該結構也容易引起安匝不平衡，導致抗短路能力不足。在投運后的13年期間，發生了多次中、低壓側的短路沖擊，繞組不斷發生變形，由于累積效應，中壓繞組變形越來越嚴重，其后果是繞組匝間中部凸輪狀變形，墊塊脫落，導線松垮下垂，局部區域匝間的絕緣距離越來越小，甚至緊挨在一起，最后在雷擊引起外部短路的沖擊下，絕緣破損，匝間絕緣擊穿放電，保護動作。因此，該事故的根本原因是變壓器抗短路能力差，在頻繁的短路沖擊下發生了繞組變形，誘發因素是雷擊引起的外部短路。

3 結 語

1)應重視油色譜分析對于變壓器及套管前期故障預警作用，針對設備出廠存在的質量缺陷、設計缺陷及高負荷運行狀況，加強油色譜分析檢測非常重要。分析的幾起事件是通過色譜數據異常發現設備缺陷或事故原因。

2)應重視主設備出廠監造，對生產過程的制造工藝、設計方案、出廠試驗方案進行嚴格審查和監督，以免該設備質量帶來安全隱患。任何工藝程序的放松都可能造成產品質量缺陷。