變壓器一次合閘送電不成功分析與處理

康曉義，李 剛，陳昌山，李 欣，郭克敏

(河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

0 引言

某蓄能電站裝備4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 200 MW，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，4臺500 kV變壓器分兩個單元以角形接線形式通過一回線路接入電網(wǎng)。該電站變壓器在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

該電站在一次主變檢修后發(fā)生了一起變壓器一次送電不成功事件。從勵磁涌流的形成和特性展開論述，闡述了變壓器剩磁對變壓器合閘送電的影響，進而鎖定故障原因。

1 變壓器勵磁涌流的形成與特點

1.1 變壓器勵磁涌流的形成

變壓器內(nèi)部的繞組和鐵芯是儲存磁場能量的元件，因此變壓器在空載合閘瞬間，電流從零開始到建立起正常空載電流，即變壓器磁能從零開始到具有正常的磁能，使能量發(fā)生了變化。由于電路的能量不能突變，因此需要經(jīng)歷過渡過程，然后才能到穩(wěn)定空載運行狀態(tài)。變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)過程中，特別是在電壓為零時刻合閘時，伴隨著變壓器磁通變化的過渡過程，由于鐵芯飽和而產(chǎn)生很大的空載合閘電流，這個過渡過程中的電流就稱為勵磁涌流。勵磁涌流值可達正常空載電流的50～80倍，可達額定電流的5～8倍。

1.2 勵磁涌流特性分析

設(shè)變壓器剩磁通為Φs。在穩(wěn)態(tài)工作情況下，鐵芯中的磁通滯后于外加電壓90°。如果空載合閘時，正好在電壓瞬時值U=0時接通電路，則鐵芯中應(yīng)該具有磁通-Φm，但是由于鐵芯中磁通不能突變，因此將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為+Φm。這樣在經(jīng)過半個周波以后，鐵芯中的磁通就達到2 Φm+Φs。此時變壓器的鐵芯嚴重飽和，勵磁電流將急劇增大，勵磁涌流中包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。綜上分析，關(guān)于勵磁涌流的特性分析，得出以下幾個結(jié)論。

(1) 影響勵磁涌流大小的因素主要為變壓器合閘時的相位(合閘角)和鐵芯的剩磁兩個方面。剩磁有可能增大勵磁涌流。

(2) 勵磁涌流會逐漸衰減，根據(jù)有關(guān)資料研究，由于繞組電阻r1的存在，合閘電流將逐漸衰減，一般是小容量變壓器衰減快。對于一般的中小型變壓器，勵磁涌流經(jīng)過0.5～l s后其值不超過額定電流的0.25～0.5倍；大型電力變壓器勵磁涌流的衰減速度較慢，衰減到上述值時約需2～3 s。這就是說，變壓器容量越大衰減越慢，完全衰減需經(jīng)過幾十秒的時間。

(3) 根據(jù)勵磁涌流波形分析其具備的特點：包含有很大的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸一側(cè)(第一象限或第四象限)；包含大量的高次諧波分量，而以二次諧波為主。

此外需要特別注意三相變壓器合閘時的勵磁涌流。在三相變壓器中，由于三相電壓彼此互差120°，因此合閘時總有一相電壓的初相角接近于零，所以總有一相的合閘電流較大。

2 故障經(jīng)過及分析處理

某電站在完成3，4號主變檢修后開展送電操作過程中，執(zhí)行至合5013開關(guān)時，5013開關(guān)合閘后立即跳開，現(xiàn)地操作人員反饋在3，4號主變觀察主變送電時，合閘瞬間4號主變有較3號主變發(fā)出較大的異常聲響，監(jiān)控報警信息顯示，4號主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV動作。

2.1 問題初步排查

現(xiàn)地檢查開關(guān)站500 kV設(shè)備保護動作情況：500 kV線路保護、5011/5012/5013開關(guān)保護均未動作，5013開關(guān)分相操作箱跳5013開關(guān)三相指示燈亮，5013開關(guān)三相均在分位。

地下廠房3，4號主變保護動作情況：3主變保護裝置未動作，4號主變保護裝置未動作，3主變非電氣量保護繼電器001XV未動作，4號主變非電氣量保護繼電器001XV動作。

隨后對4號主變非電氣量保護繼電器001XV各回路開展排查，以下任一條件滿足均可導(dǎo)致主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV動作。

(1) 主變保護裝置看門狗故障。

(2) 勵磁變溫度跳閘。

(3) 主變消防動作。

(4) 主變高壓側(cè)刀閘位置不一致。

(5) 跳閘繼電器001XV誤動。

(6) 主變重瓦斯保護動作。

根據(jù)圖紙，專業(yè)人員對回路的絕緣性能、端子情況、寄生回路情況逐一進行排查，同時對各裝置部件整定情況、變壓器外觀、變壓器油色譜情況、瓦斯繼電器情況、勵磁變情況等進行檢查，過程中除了發(fā)現(xiàn)4號主變重瓦斯保護上送監(jiān)控報警回路端子松動外，未發(fā)現(xiàn)其他任何異常；考慮到電氣保護均無動作，且瓦斯繼電器內(nèi)無氣體集聚，初步推斷故障原因為變壓器重瓦斯保護誤動所致。

2.2 故障錄波數(shù)據(jù)分析

調(diào)取故障錄波裝置中4號主變高壓側(cè)電流波形，可以看出其電流波形具備以下幾個特點：

(1) 5013開關(guān)跳閘后4號主變高壓側(cè)A相電流最大，二次電流值0.621 A，電流互感器變比為1 250/1，折算到一次側(cè)電流為776.25 A (4號變壓器高壓側(cè)額定電流為396 A，空載電流為0.07 %)。根據(jù)計算結(jié)果，此次5013開關(guān)合閘4號主變產(chǎn)生了1.96倍額定電流，形成了較大的沖擊電流。

(2) 4號主變合閘后高壓側(cè)電流波形中直流分量較大，其中基波分量約為0.616 A，直流分量約為0.628 A，直流分量為基波分量的1.02倍，電流波形包含了很大的非周期分量。

(3) 變壓器A相電流波形偏于時間軸第一象限，B/C相電流波形偏于時間軸第四象限。

(4) 高次諧波分量中以二次諧波為主。

2.3 故障原因確認和處理

2.3.1 故障原因確認

根據(jù)跳閘過程變壓器高壓側(cè)電流波形分析，比對1.2節(jié)論述中勵磁涌流的特性，該次變壓器送電合閘失敗的原因應(yīng)是4號主變壓器合閘瞬間形成的勵磁涌流過大導(dǎo)致?；谝陨戏治觯M一步了解發(fā)現(xiàn)該電站在完成了變壓器預(yù)防性試驗后開展了送電操作，最后試驗項目為變壓器直流電阻測試，在試驗過程中由于試驗人員為趕時間，將試驗電流由5 A，調(diào)整為20 A，由于選取電流較大，測試時間比較長，雖然測試裝置具有消磁功能，但僅為一次操作且不是專用消磁儀，還是造成了變壓器繞組中出現(xiàn)大量剩磁，導(dǎo)致變壓器充電時在剩磁作用下主變鐵芯飽和從而產(chǎn)生較大的勵磁涌流和較大的電動力，引起主變線圈、器身振動形成油流涌動，致使變壓器內(nèi)部的油液面波動增大，最終導(dǎo)致4號主變重瓦斯保護動作引起主變一次送電失敗。

所以變壓器合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流導(dǎo)致該次主變一次送電不成功的直接原因，而變壓器修后直流電阻試驗的不規(guī)范操作是導(dǎo)致故障的根本原因。

2.3.2 故障處理

基于原因分析，該電站對主變進行重新消磁處理，查詢有關(guān)資料采取消除剩磁的措施有以下幾個。

(1) 在變壓器高壓繞組兩端正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵芯的磁滯回環(huán)，達到消除剩磁的目的。

(2) 提高鐵芯的環(huán)境溫度，加速鐵芯材料的分子熱運動，使有序排列的磁極重新紊亂，達到消磁的目的。

(3) 發(fā)變組零起升壓方式消磁。

(4) 降低電壓等級的外加交流消磁。即用一個低于變壓器額定電壓的交流電源給變壓器空載充電，這種方式適合于普通的變電所變壓器。

綜合現(xiàn)場條件情況，該電站最終選擇在主變低壓側(cè)使用“TD-6910變壓器消磁及驗證裝置”分別對ab，bc，ca三相進行消磁，該裝置采用先進的電源控制及測量技術(shù)，不僅快速對電力變壓器進行消磁，還具有消磁驗證的功能，對保護電力變壓器免受勵磁涌流沖擊和安全投運有重要作用。該次消磁過程中施加220 V AC電壓、1 A電流，直至消磁進度達到100 %，消磁完成。重新對變壓器開展送電操作，變壓器一次送電成功，該次故障消除。

3 結(jié)論

該次故障暴露了以下兩個問題。

(1) 檢修中對重瓦斯繼電器報警回路檢查不仔細，導(dǎo)致重瓦斯動作后監(jiān)控?zé)o報警信息，對故障分析處理造成了困難。

(2) 運維及試驗人員對試驗可能導(dǎo)致的變壓器剩磁認識不足，試驗操作不夠規(guī)范。

為避免類似情況發(fā)生，應(yīng)做好以下幾點。

(1) 細化變壓器非電氣量保護檢修作業(yè)項目，進一步規(guī)范作業(yè)驗收流程，確保各跳閘及報警回路正常。

(2) 進一步規(guī)范變壓器試驗工序，對可能造成變壓器鐵芯剩磁的試驗應(yīng)專門消除剩磁。

(3) 針對變壓器剩磁和勵磁涌流問題，對運維人員開展專項理論和實踐技能培訓(xùn)，以提升運維人員素質(zhì)。