一起變壓器繞組變形故障的檢測及分析

李 林,謝 茜

(1.國網四川省電力公司德陽供電公司,四川 德陽 618000;2.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器是電力系統中重要的電氣設備,對電網安全穩定運行起著重大的作用。變壓器在運行過程中,遭受到近區短路故障時,繞組內會流過很大的短路電流,在最嚴重時通過的短路電流可達額定數值的15～20倍[1]。由于繞組承受的電動力與電流平方成正比,如果繞組自身強度不高、壓緊結構不良、繞制工藝不佳,則可能造成變壓器繞組發生機械變形甚至損壞。因此,對變壓器繞組狀態進行評價具有重要意義。繞組變形診斷檢測通常是在出廠前或現場安裝后對繞組進行檢測,運行期間也會進行一系列常規檢測,通過對相關特征量的測量分析判斷繞組是否有變形、位移等異常現象發生。

目前,診斷變壓器繞組變形比較成熟的檢測方法有短路阻抗法、電容量法和頻響法。在實際工作中需要結合這3種方法進行綜合分析。下面介紹了一起110 kV主變壓器繞組變形的故障案例,通過電氣試驗綜合分析、繞組材質檢測以及解體檢查,分析了造成事故的原因,提出了相應的整改措施。

1 故障簡述

2019年7月,某110 kV變電站10 kV母聯斷路器開關柜內相間絕緣擋板放電,發生相間短路,因10 kV母線分列運行,1.30 s后過流Ⅱ段保護動作,切斷故障電流,試驗診斷為主變壓器繞組變形。之后該主變壓器返廠檢修,發現中低壓B、C相繞組變形。按照原設計方案重新繞制中低壓B、C相繞組,經出廠試驗后重新投入運行。

2021年3月,該主變壓器停電進行例行試驗,發現主變壓器中壓側A相試驗數據異常。該變電站負荷較輕,最大負載率為50%,無沖擊性負荷。在2020年11月,由于35 kV用戶變電站進線柜穿柜套管故障,導致該站35 kV供用戶變電站的出線跳閘,故障電流為423 A,該主變壓器遭受短路電流沖擊后色譜試驗仍正常。該變壓器型號為SSZ11-50000/110,于2011年5月出廠,于2012年8月首次投入運行。

2 檢測情況

對該變壓器進行電氣試驗和油色譜試驗,其中主變壓器電容量、短路阻抗、繞組頻響曲線均異常,其余試驗正常。

2.1 電容量測試

設高壓繞組對中、低壓繞組及地的電容為CX1,中壓繞組對高、低壓繞組及地的電容為CX2,低壓繞組對高、中壓繞組及地的電容為CX3,高、中、低壓繞組對地的電容為CX4,高、中壓繞組對低壓繞組及地的電容為CX5。2019年主變壓器返廠大修后電容量交接試驗值、2021年主變壓器例行試驗的電容量測試值如表1所示。

表1 電容量測試值

使用集中參數建模的方法對變壓器各部分電容量進行簡化計算:令高壓繞組對地電容為C1,中壓繞組對地電容為C2,低壓繞組對地(鐵芯)電容為C3,高壓繞組與中壓繞組間電容為C12,中壓繞組與低壓繞組間電容為C23,高壓繞組與低壓繞組間電容為C13。由于C13數值較小,常被忽略。

通過電容量實測值的5組數據簡化建模,計算得到的電容量如表2所示。

表2 電容量計算值

從表1可以看出,兩次測量值發生明顯變化,偏差最大達到25.536%,遠遠超過了《輸變電設備狀態檢修試驗規程》中3%的警示值[2]。

從表2可以看出,中壓繞組與低壓繞組之間的電容量,增加了37.104%,高壓繞組與中壓繞組之間電容量減小了5.382%,中壓繞組對地的電容量增加了2.110%。分析認為中壓繞組在電動力作用下向鐵芯收縮,導致中壓繞組與低壓繞組間的距離大幅度減小,高、中壓繞組之間的距離小幅度增大,導致電容量測試值出現明顯異常。

2.2 短路阻抗測試

2019年主變壓器返廠大修后短路阻抗交接試驗值、2021年主變壓器例行試驗的短路阻抗測試值如表3所示。兩次均采用三相法進行測量。

表3 主變壓器短路阻抗值

從表3可以看出:1)2021年的測試值與2019年的測試值最大偏差達到5.486%,不滿足《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》相對變化不超過±2% 的要求[3];2)高壓繞組對低壓繞組短路阻抗值的偏差很小;3)高壓繞組對中壓繞組短路阻抗值增加了約3%,認為高壓對中壓的漏電抗增加了,即高壓與中壓的漏磁通增加,高、中壓繞組之間的距離增大;4)中壓繞組對低壓繞組短路阻抗值減小了5.486%,認為中壓對低壓的漏電抗減小了,即中壓與低壓的漏磁通減小,中低壓繞組之間的距離減小。

之后,對主變壓器采用單相法進行短路阻抗值測量,得到的結果如表4所示。

表4 短路阻抗單相測試值

從表4可以看出,中壓繞組對低壓繞組短路阻抗值相間偏差最大,其中A相的短路阻抗值與其余兩相偏差最大,分析認為A相繞組可能發生了嚴重變形。

2.3 頻響法繞組變形測試

利用頻響法對變壓器進行測試,發現高壓、低壓繞組三相頻響曲線相似度較高,中壓繞組三相頻響曲線差異較大,其頻響曲線如圖1所示。黃色曲線為A相,綠色曲線為B相,紅色曲線為C相。相關系數分析結果如表5所示,表中R21表示A、B兩相的相關系數,R31表示A、C兩相的相關系數,R32表示B、C兩相的相關系數。

圖1 中壓繞組頻響曲線

表5 中壓繞組相關系數分析結果

根據《電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法》中相關系數與變壓器繞組變形程度的關系,低頻段相關系數RLF<0.6,為嚴重變形;低頻段相關系數0.6≤RLF<1.0或中頻段相關系數RMF<0.6,為明顯變形;低頻段相關系數1.0≤RLF<2.0或中頻段相關系數0.6≤RMF<1.0,為輕度變形。從圖1和表5可以看出,在低頻段(1～100 kHz)3條曲線重合性較好,相關系數1.0≤RLF<2.0;在中頻段(100～600 kHz)3條曲線一致性很差,峰值和頻率變化較大,A相曲線的諧振峰值點向低頻方向偏移,相關系數R21<0.6,R31<0.6,R32≥1.0;在高頻段(600～1000 kHz)3條曲線的走向基本一致,三相曲線間的相關系數RHF≥0.6。分析認為變壓器A相繞組的分布電感、電容發生變化導致繞組發生局部變形現象。

電容量和短路阻抗分析的結果一致性較高,認為中、低壓繞組之間的電氣距離縮小了。從頻響曲線和短路阻抗測試分析認為A相繞組變形可能性極大。綜合電容量、短路阻抗、頻響曲線測試結果,認為變壓器中壓A相繞組在電動力作用下向鐵芯收縮,發生嚴重變形。

3 解體檢查及電磁線材質檢測

該主變壓器再次返廠后進行解體檢查,發現:主變壓器中壓A相繞組向鐵芯收縮嚴重變形;低壓繞組受擠壓無法吊出;中壓B相繞組其中一匝稍微變形凹陷。各繞組解體檢查情況如圖2所示。

圖2 主變壓器解體檢查情況

隨機截取了變壓器中、低壓側A、B、C三相若干段繞組進行屈服強度檢測,檢測結果見表6。中壓側三相繞組屈服強度檢測值均小于設計值180～200 MPa,低壓側三相繞組屈服強度檢測值均小于設計值220～240 MPa。根據測試結果,判定中、低壓線圈電磁線為軟態銅。

表6 中低壓繞組屈服強度檢測結果

4 結 論

綜上所述,變壓器發生繞組變形故障的主要原因是變壓器承受短路沖擊后繞組變形。返廠大修重繞繞組后,在遭受較小的短路電流的情況下,由于變壓器電磁線屈服強度不滿足要求而再次發生變形。

為了保證變壓器安全運行,提出以下措施:1)在變壓器生產階段,嚴格按照取樣要求對繞組線進行抽檢;2)實時監測變壓器遭受近區短路情況,當短路次數超過標準要求后,對變壓器停電進行診斷性試驗;3)通過在主變壓器中、低壓側增加快速保護,減少短路沖擊時間,同時完善主變壓器中低壓側絕緣化改造,做好防近區短路措施。