一起雷擊引起的35 kV變壓器運行故障分析

陳 杰

(國網四川省電力公司瀘州市瀘川供電分公司，四川 瀘州 646000)

0 引言

變壓器是電力系統中最重要的設備之一，擔負著電能轉換和傳輸的重要作用。變壓器的正常運行是電力系統安全、可靠運行的重要保證，因此必須最大限度地防止和減少變壓器故障的發生。變壓器工作異常大多是絕緣系統故障造成的。在影響變壓器絕緣性能的諸多因素中，雷電過電壓的影響最大。雷電過電壓由于波頭陡，易引起縱絕緣上電壓分布很不均勻，可能在絕緣上留下放電痕跡，從而使固體絕緣受到破壞。因此，針對一起雷擊引起35 kV變壓器比率差動保護、本體重瓦斯保護跳閘故障，結合繼電保護動作、化學、高壓試驗和返廠吊心檢查，分析故障原因。

1 故障概況

某35 kV變電站35 kV母線為單母線分段接線方式，每段母線上有一回35 kV進線，共2段母線，均為電纜線路。35 kV母線上有2臺35 kV變壓器，分別連接在2段母線上。

故障前，該站由35 kV Ⅱ母35 kV線路供電，35 kV母分開關在合閘位置，2臺35 kV變壓器并列運行，2臺主變壓器位于1檔，其運行方式如圖1所示。

圖1 某35 kV變電站運行方式

該站35 kV 1號主變壓器型號為S9-10000/35，2004年4月出廠。2019-07-20T06：42，1號主變比率差動保護動作，非電量保護本體重瓦斯動作，跳開1號主變高壓側301斷路器、低壓側901斷路器，同時主變本體輕瓦斯也發出跳閘信號。

2 現場檢查及試驗情況

故障發生后，對故障變壓器及其保護裝置開展繼保、檢修、化學等檢查及診斷試驗。

2.1 保護裝置及監控系統信息

結合差動保護裝置DF3333E、后臺監控系統等裝置報告，得到1號主變壓器比率差動保護定值單(見表1)。

表1 1號主變比率差動保護定值單

根據保護定值單，繪制變壓器比率差動保護動作特性曲線，如圖2所示。

圖2 變壓器比率差動保護動作特性曲線

根據上述變壓器比率差動保護動作特征曲線分析，動作時B相差動電流4.912 A，B相制動電流4.206 A，該點位于動作區段內(AB線條上方)，動作正確；C相動作情況類似，動作正確。故判定B，C相繞組故障。

2.2 主變本體檢查

主變本體上瓦斯繼電器中油位只有1 cm高，說明變壓器內部產生了大量氣體。由于未安裝采氣盒，故對本體瓦斯繼電器氣塞進行排氣，氣體有臭味。主變壓器其余各處均無放電痕跡，外觀無異常。故判斷本次主變兩側斷路器動作不是誤動，懷疑變壓器內部存在故障。

2.3 診斷試驗

2.3.1 變壓器油色譜分析

從主變壓器下部抽樣活門處取兩支油樣進行色譜分析。根據油樣分析，油中H2含量316.63 μL/L，C2H2含量161.58 μL/L，總烴476.67 μL/L，超過DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中H2不大于150 μL/L，C2H2不大于5 μL/L，總烴不大于150 μL/L的要求，其他氣體含量也有明顯增長。初步判斷變壓器內部存在電弧放電。

2.3.2 高壓試驗

對變壓器進行繞組直流電阻試驗、絕緣電阻及吸收比測試，試驗結果見表2～4。

表2 高壓繞組直流電阻試驗結果

表3 低壓繞組直流電阻試驗結果

表4 繞組絕緣電阻

根據國網Q/GDW 168—2008《輸變電設備狀態檢修試驗規程》，變壓器處于1檔，高、低壓繞組直流電阻試驗結果合格，繞組電阻相間互差不大于2 %。與出廠數據相比，同一溫度下阻值相差不大。高、低壓繞組絕緣電阻值和上次試驗值相比無顯著下降，但高壓繞組對低壓繞組及地吸收比顯著下降，初步懷疑高壓繞組內部存在故障。

2.3.3 返廠吊心檢查

為驗證分析結論，將1號主變壓器返回變壓器廠進行吊心檢查。吊芯后發現無勵磁分接開關有放電燒毀現象，B，C相引線有放電擊穿現象，B，C相線圈有變形移位現象，部分線圈匝間距離變小、變形，鐵心接地銅片變色等現象。綜合吊心檢查結果分析認為，B，C相引線放電擊穿，通過外殼發生接地短路，與差動保護裝置動作情況吻合，同時與變壓器油色譜分析結果吻合，故判斷變壓器內部為電弧放電，導致差動保護和重瓦斯保護動作，主變兩側斷路器跳閘。

3 故障原因分析

結合上述檢查結果及當天的雷雨天氣分析，認為本次主變壓器故障是由于雷擊導致變壓器電弧放電。變壓器電弧放電是高能量放電，放電能量密度大，產氣急劇，能使絕緣紙穿孔、燒焦或炭化，使金屬材料變形或融化燒毀，導致繞組層間絕緣擊穿造成引線斷裂或對地閃絡、分接開關飛弧等故障，嚴重時會造成設備燒損，甚至發生爆炸故障。這種故障一般事先難以預測，也無明顯預兆，常以突發的形式暴露出來。本次故障就是因雷電擊中變壓器高壓端頭，瞬間產生高電壓、強電流至分接開關導致放電，同時引起B，C相線圈引線處線圈擊穿短路，放電電弧使部分變壓器油分解，產生大量氣體，同時由于溫度急劇升高，導致鐵心接地銅片變色；大電流使變壓器繞組部分變形。

根據GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》，10～35 kV配電系統中配電變壓器的高壓側應靠近變壓器裝設金屬氧化物避雷器，低壓側宜裝設一組金屬氧化物避雷器，以防止反變換波和低壓側雷擊侵入波擊穿絕緣。現場低壓側按要求裝設了一組金屬氧化物避雷器，而高壓側金屬氧化物避雷器并未裝設在靠近變壓器高壓側的位置，僅僅在室內的35 kV母線上有一組金屬氧化物避雷器，這是造成本次故障的主要原因。

4 變壓器防雷措施

近年來，35 kV變壓器雷害故障多發，甚至在一臺變壓器上重復發生。為防止35 kV級變壓器運行狀況日趨惡化以及避免變壓器繞組過電壓時被擊穿，主要采用以下措施提高過電壓保護能力。

(1) 改進變壓制造環節。一是加強絕緣，主要是加厚線的絕緣層；二是改善匝間電容，在線端端部加裝靜電板或靜電圈，增加附加電容，改善電壓分布；三是選用復合型分接開關，采用中部調壓。

(2) 加強變電站防雷保護。一是在變電站理論最佳位置安裝避雷針，使變壓器等設備都處于避雷針保護范圍內，避雷針宜設獨立的接地裝置并定期開挖檢查和測試，對不符合規定的接地裝置及時整治；二是在變壓器的所有繞組出線上裝設金屬氧化物避雷器，雷電侵入時避雷器動作，變壓器絕緣層只需承受避雷器的殘壓作用；三是避雷器的接地引下線盡量短，避雷器與被保護的變壓器之間電氣距離應符合GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》不大于5 m的要求。

5 結束語

對于35 kV變電站，運維單位一般通過加強變電站防雷措施提高變電站設備防雷能力，如加強變電站獨立避雷針接地電阻檢測，接地電阻應不大于10 Ω；定期(時間間隔不宜超過5年)通過開挖檢查等手段確定接地裝置的腐蝕情況，如發現接地裝置腐蝕較為嚴重，應及時處理；在變電站進出線間隔入口處及變壓器各進、出線側加裝金屬氧化物避雷器等措施。因此，該變電站結合現場情況，在靠近變壓器高壓側增設了一組金屬氧化物避雷器。