一起220 kV變壓器匝間短路故障診斷與分析

梁弘毅1，廖文龍，劉 睿

(1. 中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，電力用戶對供電可靠性的要求越來越高。大型電力變壓器作為電網(wǎng)的核心設(shè)備，一旦故障，將可能引起大面積停電，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，造成重大損失。因此，開展變壓器故障診斷與分析，及時發(fā)現(xiàn)并防范各類變壓器典型故障，對于提高變壓器管理水平和供電可靠性具有重要意義。

據(jù)文獻[1]，變壓器匝間故障占電網(wǎng)大型變壓器故障的70%～80%，是變壓器內(nèi)部故障的主要形式。針對此故障已有較多研究，如：文獻[2]對一起110 kV變壓器調(diào)壓線圈的匝間短路故障進行了診斷分析；文獻[3—4]對兩起穿纜式套管頂部進水引起變壓器匝間短路故障進行了診斷分析；文獻[5]對一起220 kV主變壓器高壓繞組匝間短路故障進行分析，通過電路仿真，發(fā)現(xiàn)高壓繞組單相匝間短路匝數(shù)較多時電氣特征與低壓繞組相間短路相似，即兩相電流相位接近、另一相電流反相，并對此現(xiàn)象進行了仿真驗證；文獻[6—7]對變壓器繞組匝間短路故障進行有限元仿真，提出了匝間短路故障的電、熱、力特征，為匝間短路故障保護提供支撐；文獻[8—10]從差動電流、中性點電流、阻抗、電熱特性融合等角度出發(fā)，提出了變壓器匝間短路的識別和保護方法。

變壓器繞組匝間短路的特征及危害與發(fā)生短路的匝數(shù)相關(guān)：短路匝數(shù)較多時，故障電氣特征及物理特征明顯，易于診斷；當(dāng)短路匝數(shù)較少時，其故障特征和診斷難度也相對更大。下面對一起220 kV變壓器匝間短路故障進行分析，從保護動作、診斷試驗以及解體檢查3個維度，對變壓器典型匝間短路的故障特征及診斷過程進行了詳細(xì)介紹。

1 故障概述

220 kV某變電站2號主變壓器雙套保護差動動作，主變壓器三側(cè)斷路器三相跳閘。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：2號主變壓器本體瓦斯觀察窗有大量氣體；現(xiàn)場二次回路檢查及保護定值檢查無異常；報告動作相別為A相，差流折算至高壓側(cè)一次電流約130 A。

故障主變壓器型號為SFPSZ9-120000/220，額定容量為120 000/120 000/60 000 kVA，額定電壓為230/121/10.5 kV，聯(lián)接組標(biāo)號為YN,yn0,d11，該變壓器故障跳閘時已運行18年。

2 保護動作分析

2.1 2號主變壓器1號保護(PCS-978)

28 ms時縱差工頻變化量差動保護動作，動作相別為A相；縱差電流ΔId最大值為0.39Ie(Ie為主變壓器高壓側(cè)額定電流1.2 A)即0.468 A，大于0.2Ie(即工頻變化量啟動值Idh)且大于0.6ΔIr(ΔIr為制動電流)即0.383 A，故2號主變壓器1號保護裝置正確動作。動作方程如式(1)所示，動作特性如圖1所示。

(1)

式中：ΔIdt為浮動門檻電流；Idth為固定門檻電流；ΔIr為各側(cè)總差動電流；ΔImφ為第m側(cè)φ相差動電流；ΔIm為第m側(cè)差動電流。

圖1 主變壓器縱差工頻變化量差動保護動作特性

2.2 2號主變壓器2號保護(WBH-801)

23 ms時增量差動保護動作，動作相別為A相。差動電流Iop=0.435 A，制動電流Ires=0.468 A，Iop大于0.2Ie(即增量差動啟動值)且大于0.65ΔIres即0.304 A。A相滿足動作條件，2號保護動作正確。動作方程如式(2)所示，動作特性如圖2所示，圖中K為比率制動系數(shù)。

(2)

圖2 主變壓器增量變化量差動動作特性

2.3 2號主變壓器非電量保護(WBH-802)

2號主變壓器非電量保護發(fā)出本體輕瓦斯動作信號，該信號只作用于發(fā)告警信號，不涉及跳閘。從保護原理可知，2號主變壓器工頻變化量差動及增量差動保護主要解決主變壓器內(nèi)部輕微匝間故障或高阻接地故障，具有很高的靈敏度。結(jié)合現(xiàn)場保護動作信號及波形圖，2號主變壓器的1號、2號保護裝置正確動作，故障為A相，差流折算至高壓側(cè)一次電流約為130 A，結(jié)合主變壓器1號保護工頻變化量差動原理及主變壓器2號增量差動保護原理，初步判斷為主變壓器繞組內(nèi)部A相有輕微匝間故障或高阻接地故障。

3 診斷試驗

3.1 油色譜檢測

主變壓器跳閘后，對主變壓器中部油樣、下部油樣、瓦斯內(nèi)氣體、瓦斯內(nèi)油樣進行了色譜分析。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 跳閘后主變壓器油色譜檢測結(jié)果單位：uL/L

故障前，油色譜檢測正常。故障后，本體油色譜中乙炔檢測值超過注意值，三比值編碼為111，故障類型為電弧放電。分析可能的原因有線圈匝間或?qū)娱g短路、相間閃絡(luò)、線圈熔斷、引線對其他接地體放電等。

3.2 頻率響應(yīng)測試

進一步開展電氣診斷試驗。繞組頻率響應(yīng)測試顯示，中壓、低壓各相繞組橫向一致性較好，未發(fā)現(xiàn)異常，如圖3所示。但A相高壓繞組在低頻段與B、C相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)0.5，如表2所示。根據(jù)DL/T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》判斷A相高壓繞組存在異常。與交接試驗的頻率響應(yīng)曲線相比(如圖4所示)，發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組在低頻段與交接試驗時的曲線相關(guān)性較差，其余各相繞組頻率響應(yīng)曲線與交接試驗時相比均無異常。由于A相高壓繞組頻率響應(yīng)異常區(qū)段為低頻段，對應(yīng)于繞組電感異常，推斷A相存在匝間短路故障。

圖3 主變壓器高壓側(cè)繞組頻率響應(yīng)曲線

表2 高壓三相繞組間頻率響應(yīng)相關(guān)系數(shù)

圖4 A相高壓繞組頻率響應(yīng)曲線與交接曲線

3.3 低電壓空載試驗

對于匝間短路缺陷，低電壓空載電流測試比繞組直流電阻、變壓比、短路阻抗等診斷方法具有更高的靈敏度。低電壓空載電流測試結(jié)果如表3所示。試驗發(fā)現(xiàn)，a-bc與c-ab相繞組空載電流嚴(yán)重異常，而b-ca相繞組空載電流正常，故判斷A相磁路及磁路相關(guān)繞組存在故障。

表3 低電壓空載電流試驗結(jié)果

3.4 繞組直流電阻測量

對主變壓器各繞組進行直流電阻測量，依據(jù)Q/GDW 1168—2013 《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》：“1.6 MVA以上變壓器，各項繞組電阻相間的差別不應(yīng)大于三相平均值的2%，無中性點引出的繞組，線間差別不應(yīng)大于三相平均值的1%；同相初值差不超過±2%”，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

3.5 變壓比測量

變壓比測量發(fā)現(xiàn)A相高壓繞組對低壓繞組的部分擋位的測量結(jié)果不合格：額定擋誤差超過0.5%；有2個擋位與初值差超過1%，最大為1.45%。B、C相變壓比誤差測量結(jié)果均符合規(guī)程Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》的要求。

測量中壓繞組對低壓繞組變壓比時，試驗儀器報“接線錯誤”，無法進行測試。反復(fù)排查后確認(rèn)試驗接線無問題。經(jīng)分析認(rèn)為，在變壓器一個繞組存在匝間短路時，由于匝間短路產(chǎn)生短路電流的去磁效應(yīng)會引起鐵芯磁通減少：當(dāng)使用故障繞組作為原邊、正常繞組作為副邊進行試驗時，電壓比變化不明顯，特別是短路匝數(shù)較少時，甚至?xí)?dǎo)致電壓比測量值接近正常值；而使用正常繞組作為原邊測試時，故障繞組匝間短路產(chǎn)生的短路電流需由原邊提供，導(dǎo)致試驗設(shè)備因過流報“接線錯誤”。因此該主變壓器的變壓比測量，雖然能夠完成高壓繞組對中壓繞組的測量，但測量數(shù)據(jù)已失去參考意義；測量中壓繞組對低壓繞組變壓比時報“接線錯誤”，說明匝間短路位于高壓繞組。

3.6 絕緣電阻及電容介損測試

絕緣電阻、電容及介質(zhì)損耗測試數(shù)據(jù)均無明顯異常。

綜合以上診斷性試驗結(jié)果，初步判斷2號主變壓器高壓側(cè)A相差動保護跳閘，是由A相高壓繞組匝間短路故障引起，且短路的匝數(shù)較少。

4 解體檢查

將該變壓器返廠后，對其進行了拔圈檢查，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)A相高壓線圈確實存在繞組匝間短路故障，其余繞組無異常。短路放電燒蝕部位位于高壓線圈上端部，涉及短路匝數(shù)較少，放電燒蝕程度整體較輕。解體檢查結(jié)果與診斷分析結(jié)論一致。

圖5 A相高壓繞組匝間短路

5 結(jié) 論

上面對一起220 kV變壓器匝間短路故障進行了分析，從保護動作、診斷試驗以及解體檢查3個維度，對變壓器典型匝間短路的故障特征及診斷過程進行了介紹，形成以下結(jié)論：

1)縱聯(lián)差動及增量差動保護方法，對于變壓器匝間短路故障保護，具有較好的靈敏度，所述故障案例中2套差動保護均正確動作；

2)電氣診斷試驗方法中，低電壓空載電流測試相比其余試驗項目，在輕微匝間短路診斷上，具有更好的靈敏度；

3)電壓比測量時，匝間短路繞組作為電流短路繞組時，會導(dǎo)致試驗設(shè)備過流并提示“接線錯誤”，診斷試驗中應(yīng)引起重視。