一起主變壓器高壓繞組損壞事故檢測(cè)與分析

羅 楊，楊紅權(quán)，劉彥琴，劉 鑫，李 波，周 波，高 峻，姜飛宇

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也日趨增大，各電壓等級(jí)的短路電流以及系統(tǒng)短路故障對(duì)設(shè)備的沖擊損害越來越大。變壓器作為電網(wǎng)系統(tǒng)的心臟，其健康狀態(tài)直接影響整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。變壓器抗短路能力是衡量變壓器性能優(yōu)良的重要參數(shù)，如繞組抗短路能力不足，則極易在短路電流沖擊作用下發(fā)生變壓器繞組變形或損壞[1-3]。下面以一起35 kV線路短路故障導(dǎo)致110 kV主變壓器高壓繞組損傷為例，通過試驗(yàn)手段分析了主變壓器高壓繞組損毀的抗短路能力的重要性。

1 事故前運(yùn)行方式

事故前，變電站運(yùn)行方式如圖1所示，全站電源由152線路主供，151線路作為備用電源，其斷路器處于分位。1、2號(hào)主變壓器并列運(yùn)行(130斷路器處于合位)，35 kV側(cè)合環(huán)運(yùn)行(330斷路器處于合位)，10 kV側(cè)分列運(yùn)行(930斷路器處于分位)，322斷路器處于合位運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 某站故障前的一次接線

事故主變壓器型號(hào)為SFSZ10-50000/110，于2008年3月生產(chǎn)，聯(lián)結(jié)組別為YN/Yn0/d11，其有載開關(guān)型號(hào)為CMIII-600Y/63C-10193W。

2 事故分析

2.1 保護(hù)動(dòng)作情況

2020年8月22日20：10：35：822，該變電站35 kV 322線路發(fā)生B相接地故障；310 ms后，B相故障發(fā)展為三相故障(錄波文件顯示故障電流約3800 A)，線路保護(hù)裝置啟動(dòng)，但322斷路器未跳開；2.483 s后低電壓Ⅰ、Ⅱ段動(dòng)作，322斷路器跳開。

20：10：36：145，2號(hào)主變壓器差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，437 ms后比率差動(dòng)動(dòng)作，跳開152斷路器、110 kV分段130斷路器、35 kV 302斷路器與10 kV 902斷路器。844 ms后2號(hào)主變壓器本體重瓦斯動(dòng)作；4.925 s后，2號(hào)主變壓器本體輕瓦斯發(fā)出信號(hào)。

2.2 主變壓器設(shè)備檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查主變壓器外觀無異常，本體瓦斯繼電器內(nèi)部有少量氣體，主變壓器各處均無放電及滲漏油痕跡且油位正常。

2.3 油化試驗(yàn)

故障發(fā)生后，分別于8月22日和8月23日對(duì)主變壓器中部及底部取樣口取樣，油化分析油中溶解氣體濃度見表1。故障特征氣體經(jīng)過24 h擴(kuò)散，23日油樣特征氣體含量明顯比22日高，三比值編碼為102，為電弧放電故障特征，即線圈匝間、層間短路、相間閃絡(luò)、分接頭引線間油隙閃絡(luò)、引起對(duì)箱殼放電、線圈熔斷、分接開關(guān)飛弧、因環(huán)路電流引起電弧、引線對(duì)其他接地體放電等[4]。同時(shí)，表1中數(shù)據(jù)還顯示兩次取樣試驗(yàn)結(jié)果均發(fā)現(xiàn)主變壓器底部油樣特征氣體含量遠(yuǎn)大于中部，由于故障特征氣體在絕緣油中存在擴(kuò)散現(xiàn)象，氣體總是從高濃度部位向低濃度部位擴(kuò)散，而且離故障點(diǎn)越近特征氣體濃度越高，因此初步推斷該主變壓器內(nèi)部發(fā)生過放電，且放電位置靠近變壓器底部。

表1 主變壓器油化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 高壓電氣試驗(yàn)

2.4.1 低電壓短路阻抗測(cè)試

表2 主變壓器低電壓短路阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4.2 頻率響應(yīng)測(cè)試

圖2為高壓繞組的頻率響應(yīng)曲線，從圖中可知高壓繞組低頻段與C相有關(guān)的相關(guān)系數(shù)均接近極限值0.6(見表3)，屬嚴(yán)重變形，說明繞組的電感改變，即線圈可能存在匝間或餅間短路故障，結(jié)合短路阻抗試驗(yàn)，再次驗(yàn)證了高壓C相繞組存在高阻部位。圖3為中壓繞組的頻率響應(yīng)曲線，其低頻段相關(guān)系數(shù)為2.0>RLF≥1.0，中頻段相關(guān)系數(shù)位于0.6≤RMF<1.0區(qū)間，屬于輕度變形。低壓繞組頻率響應(yīng)曲線三相基本一致，且與原始記錄無明顯差異，即繞組頻響曲線的各個(gè)波峰、波谷點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的幅值及頻率基本一致，低壓側(cè)繞組沒有變形。中壓繞組頻率響應(yīng)相關(guān)系數(shù)見表4。

表4 中壓繞組頻率響應(yīng)相關(guān)系數(shù)

圖3 中壓繞組頻域響應(yīng)曲線(5擋)

表3 高壓繞組頻率響應(yīng)相關(guān)系數(shù)

圖2 高壓繞組頻域響應(yīng)曲線(1擋)

2.4.3 空載試驗(yàn)

表5為空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從高壓繞組加20 kV空載試驗(yàn)電壓時(shí)，兩個(gè)邊相AB和BC鐵芯空載電流和空載損耗差異均不超過10%；從中壓側(cè)加4.5 kV時(shí)，空載試驗(yàn)不合格，兩個(gè)邊相AmBm和BmCm空載電流差異超過10%；但是當(dāng)中壓側(cè)加12.5 kV空載試驗(yàn)電壓時(shí)，空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，兩個(gè)邊相AmBm和Bm

表5 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Cm空載電流差異不超過10%。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因主要有以下幾個(gè)：1)在低電壓短路阻抗試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)提到，雖然高壓C相繞組存在高阻態(tài)結(jié)構(gòu)，但當(dāng)試驗(yàn)電壓升高時(shí)，高阻態(tài)會(huì)被逐漸電擊穿，因此高壓側(cè)加20 kV空載試驗(yàn)電壓時(shí)，高阻態(tài)被導(dǎo)通，空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格；2)中壓側(cè)繞組在低電壓(4.5 kV)時(shí)空載試驗(yàn)不合格，但是在提高試驗(yàn)電壓(約12.5 kV)后，空載數(shù)據(jù)合格。同樣說明低電壓下的不穩(wěn)定高阻態(tài)隨著電壓升高逐步形成放電通道而呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，電流大小亦由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)；3)高試驗(yàn)電壓下空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，說明鐵芯沒有局部短路或多點(diǎn)接地故障(鐵芯絕緣電阻測(cè)試顯示其絕緣電阻為3000 MΩ)。

2.4.4 變比測(cè)試

對(duì)該主變壓器開展高壓對(duì)中壓、高壓對(duì)低壓變比測(cè)試，在所有擋位均無法測(cè)出結(jié)果，而中壓對(duì)低壓數(shù)據(jù)合格，間接說明高壓側(cè)主繞組區(qū)段存在缺陷。

2.4.5 直流電阻測(cè)試

該主變壓器高、中、低繞組直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表6至表8所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)該主變壓器中、低壓側(cè)繞組直阻數(shù)據(jù)正常，但是高壓側(cè)CO繞組在各個(gè)擋位均無法通流(測(cè)試儀器：變壓器直流電阻測(cè)試儀)，無法測(cè)出其直流電阻值，改用萬用表測(cè)試CO繞組直阻為12.85 kΩ。之后給CO繞組升高電壓至約700 V，當(dāng)CO相電流指針偏轉(zhuǎn)劇烈后逐漸降壓至0，再用萬用表測(cè)試CO電阻，其數(shù)據(jù)明顯降低(在0.4～300 Ω范圍內(nèi))，但一段時(shí)間后CO繞組電阻又恢復(fù)至10 kΩ以上(測(cè)試儀器：萬用表測(cè)試)。由于各個(gè)擋位的現(xiàn)象一致，說明CO相高阻故障位于主繞組上；同時(shí)，鑒于油化試驗(yàn)中變壓器底部油中故障特征氣體濃度明顯比中部油中濃度高，因此推測(cè)故障點(diǎn)位于C相主繞組上，并靠近箱體底部，如圖4所示。

表6 高壓繞組直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 中壓繞組直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 低壓繞組直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 高壓C相繞組故障部位

2.4.6 絕緣試驗(yàn)

對(duì)故障主變壓器開展主變壓器連同套管的電容量和介損試驗(yàn)，結(jié)果無異常；測(cè)試?yán)@組絕緣及鐵芯絕緣，也與歷史值無明顯差異，說明鐵芯及繞組未故障接地，佐證了空載試驗(yàn)結(jié)論。

3 事故分析及吊罩驗(yàn)證

3.1 事故原因分析

20：10：35：822，322出線間隔中壓側(cè)Bm相發(fā)生單相接地事故，310 ms后繼而發(fā)生三相短路故障，但此時(shí)322斷路器未跳開;直到760 ms后比率差動(dòng)動(dòng)作跳開2號(hào)主變壓器各側(cè)斷路器，322線路故障才被切除。顯然，這是一起因?yàn)閿嗦菲骶軇?dòng)而導(dǎo)致越級(jí)跳閘引起的事故。該故障持續(xù)時(shí)間為760 ms，電、熱應(yīng)力在此時(shí)間段內(nèi)作用于主變壓器高壓側(cè)繞組，導(dǎo)致繞組燒損熔融斷裂；但其斷口間繞組并沒有徹底脫開，而是在四周油紙的共同作用下，熔化脫落的繞組金屬熔化物與絕緣油紙粘結(jié)在一起，最終形成“虛接”狀態(tài)的高阻結(jié)構(gòu)。電弧高溫使得絕緣油分解，產(chǎn)生大量故障氣體，導(dǎo)致該主變壓器本體重瓦斯動(dòng)作、輕瓦斯報(bào)警。另外，頻響法顯示高壓C相繞組低頻段明顯變化，存在電感量變化，也是由于高壓C相繞組被大電流熔融燒損，匝間存在故障，繞組電感被改變。

3.2 吊罩檢查

2020年10月，該主變壓器返廠吊罩檢查，發(fā)現(xiàn)中壓繞組、低壓繞組、調(diào)壓繞組以及高壓側(cè)A、B、C三相繞組線圈均完好無明顯變形，但其高壓側(cè)C相繞組存在明顯放電及燒蝕痕跡，如圖5所示。在靠主變壓器底側(cè)第26、27線餅(從下往上數(shù))處存在明顯的放電燒蝕部位，兩餅線匝燒蝕嚴(yán)重，第27餅線匝直接被熔融燒斷，周圍聚集大量炭黑、銅粒等粉末物質(zhì)；同時(shí)，整個(gè)高壓C相繞組線圈污染嚴(yán)重，表面分布有大量黑色物質(zhì)。這可能是由于在該部位存在不連續(xù)區(qū)域(或弱點(diǎn))，在短路電流作用下，不連續(xù)區(qū)域(或弱點(diǎn))嚴(yán)重發(fā)熱，熱量導(dǎo)致附近絕緣損壞，進(jìn)一步導(dǎo)致繞組匝間擊穿，產(chǎn)生電弧，高溫導(dǎo)致金屬銅繞組熔融、絕緣紙和絕緣油分解。

圖5 高壓C相繞組故障點(diǎn)位置

4 結(jié) 論

該案例變壓器故障前曾遭受數(shù)次短路電流，可能導(dǎo)致其線圈產(chǎn)生薄弱點(diǎn)，當(dāng)再一次遭受短路電流時(shí)薄弱點(diǎn)過熱并導(dǎo)致匝間放電。變壓器作為電力傳輸、轉(zhuǎn)換、分配的重要設(shè)備，對(duì)穩(wěn)定電網(wǎng)供電質(zhì)量起著重要作用。因此，在日常運(yùn)行維護(hù)中，需加強(qiáng)設(shè)備技術(shù)監(jiān)督管理，強(qiáng)化電網(wǎng)和設(shè)備穩(wěn)定、安全。