程冠錤

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州 510000）

變壓器運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部過(guò)熱故障。過(guò)熱程度有輕度過(guò)熱（低于150℃）、低溫過(guò)熱（150～300℃）、中溫過(guò)熱（300～700℃）和高溫過(guò)熱（高于700℃）。當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)熱故障時(shí)，雖然短期內(nèi)不會(huì)馬上影響到變壓器的安全運(yùn)行，但長(zhǎng)期發(fā)展下去，特別是對(duì)于過(guò)熱初始狀態(tài)較高，增長(zhǎng)又較快的故障，如果不加以控制和解決，就極有可能出現(xiàn)大問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){到變壓器的安全運(yùn)行[1-2]。

過(guò)熱故障一般劃分為電路過(guò)熱故障、磁路過(guò)熱故障和油路過(guò)熱故障三大類。其中，磁路部分的過(guò)熱故障大部分又源自于鐵心、夾件多點(diǎn)接地和接地不可靠，如：鐵心對(duì)地、夾件對(duì)地以及鐵心對(duì)夾件之間多點(diǎn)接地，或鐵心、夾件接地不可靠等。當(dāng)鐵心、夾件出現(xiàn)多點(diǎn)接地后，就會(huì)在短路環(huán)中產(chǎn)生環(huán)流，造成過(guò)熱故障。而當(dāng)鐵心、夾件出現(xiàn)接地不可靠后，其各金屬結(jié)構(gòu)件會(huì)存在懸浮電位，而不同電位間就會(huì)出現(xiàn)懸浮放電，形成局部環(huán)流，也會(huì)造成過(guò)熱故障。因此，當(dāng)發(fā)生因鐵心、夾件多點(diǎn)接地和接地不可靠而引起的變壓器內(nèi)部過(guò)熱故障時(shí)，如何消除鐵心、夾件多點(diǎn)接地問(wèn)題及提高鐵心、夾件接地可靠性，對(duì)于變壓器生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行及維護(hù)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 故障描述

±500kV 寶安換流站是南方電網(wǎng)貴州至廣東第二回直流輸電工程受端站，站內(nèi)35kV 站用變選用了SZ9-5000/35 型三相雙繞組無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓油浸式電力變壓器，于2007年投入運(yùn)行。2012年5月17日，對(duì)該變壓器進(jìn)行油色譜分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其總烴值達(dá)192.3μl/L，超過(guò)GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》規(guī)定的注意值150μl/L[3]。2012年 5月 23日重新取樣化驗(yàn)，復(fù)測(cè)結(jié)果為184.18μl/L。隨后每月均對(duì)其進(jìn)行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)總烴發(fā)展趨勢(shì)穩(wěn)中有升，最高值達(dá)239.49μl/L。

2 絕緣油色譜分析

2.1 根據(jù)氣體含量分析

該變壓器歷次絕緣油色譜分析數(shù)據(jù)如表1所示，而總烴發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。

變壓器內(nèi)部故障主要分為過(guò)熱性故障和放電性故障。其中，過(guò)熱性故障的產(chǎn)氣特征為總烴中烷烴和烯烴過(guò)量而炔烴很少或無(wú)；放電性故障產(chǎn)氣特征為炔烴含量較高，當(dāng)局部放電能量較低時(shí)，則以H2和CH4為主。從表1數(shù)據(jù)得知，歷次測(cè)試數(shù)據(jù)中總烴主要以CH4、C2H6兩者為主，C2H4為次，C2H2含量很少甚至無(wú)，且H2含量較低。同時(shí)，CH4、C2H6含量的快速增長(zhǎng)是由于油或固體絕緣發(fā)生熱分解、放電而導(dǎo)致。由此可判斷，該變壓器內(nèi)部存在過(guò)熱 性故障。另一方面，由于C2H4含量不高，所占比例在10%以下，且無(wú)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，而C2H4通常在500℃或以上的高溫下才大量生成，故可進(jìn)一步判斷該變壓器存在低于500℃的過(guò)熱故障。

另外，從表1數(shù)據(jù)可知，歷次測(cè)試數(shù)據(jù)中CO2/CO 的比值小于3，且CO 含量遠(yuǎn)超300μl/L，故初步懷疑該變壓器內(nèi)部可能存在固體絕緣材料過(guò)熱故障[4]。

圖1 總烴發(fā)展趨勢(shì)圖

表1 油色譜分析數(shù)據(jù)（單位：μl/L）

2.2 利用“三比值”法分析

根據(jù)GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中“三比值”法則，從表1數(shù)據(jù)得“C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6”的比值編碼為“0，2，0”。由此判斷該變壓器存在低溫過(guò)熱故障（150～300℃），另外，根據(jù)該變壓器歷次絕緣油微水測(cè)試結(jié)果，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微水超標(biāo)現(xiàn)象，故可排除了絕緣受潮的可能性。因此，初步分析認(rèn)為，變壓器內(nèi)部可能存在的故障有：

1）電磁屏蔽不良，導(dǎo)致漏磁集中。

2）鐵心局部短路、鐵心及夾件多點(diǎn)接地，形成環(huán)流。

3）導(dǎo)線過(guò)電流。

4）磁通集中引起的鐵心局部過(guò)熱。

5）由于渦流損耗引起的銅連接件過(guò)熱，接頭接觸不良（形成碳黑）。

6）分接開(kāi)關(guān)接觸不良。

7）引線夾件螺栓松動(dòng)或接頭焊接不良。

2.3 色譜綜合分析

熱故障的可能部位為引線、繞組或鐵心夾件。如果故障部位在引線或繞組，其故障發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)很快，因?yàn)槔@組長(zhǎng)期過(guò)熱將會(huì)造成絕緣老化直至擊穿，如果是引線焊接不良引起的長(zhǎng)期過(guò)熱，其結(jié)果必然是引線燒斷。無(wú)論是繞組長(zhǎng)期過(guò)熱造成絕緣老化而擊穿，還是引線焊接不良引起的長(zhǎng)期過(guò)熱而擊穿絕緣或燒斷引線，都必然產(chǎn)生電弧放電，油中將產(chǎn)生大量的C2H2。而從表1數(shù)據(jù)得知，歷次測(cè)試數(shù)據(jù)中C2H2含量很少甚至無(wú)，由此，可以否定存在這兩種故障的可能性。其故障部位只能在鐵心夾件。

因此，結(jié)合上述分析，可得知該變壓器內(nèi)部可能存在的故障為上述故障項(xiàng)2 或4。

3 返廠吊芯檢查

3.1 吊芯檢查

為進(jìn)一步查找故障根源，徹底消除故障，2012年11月，對(duì)該變壓器進(jìn)行了返廠吊芯檢查。吊芯前，檢查發(fā)現(xiàn)該變壓器箱蓋和箱體間無(wú)專用的接地點(diǎn)，導(dǎo)致箱蓋和箱體間存在接地不可靠現(xiàn)象。吊芯后，檢查發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)壁底部承托鐵心下夾件墊腳的接觸面處絕緣油漆大部分脫落，且有放電產(chǎn)生的碳黑痕跡（如圖2所示）。而檢查鐵心下夾件墊腳時(shí)，發(fā)現(xiàn)墊腳邊緣也存在絕緣漆脫落現(xiàn)象（如圖3所示），且墊腳未額外添加絕緣體使其與箱體底部隔離。

圖2 油箱內(nèi)壁底部

另外，檢查夾件各處螺桿及連接螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間連接螺栓四周也有放電產(chǎn)生的碳黑痕跡（如圖4所示）。與此同時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)上夾件與油箱箱蓋間無(wú)專用接地點(diǎn)，且上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間絕緣油漆未打磨，夾件與變壓器箱體間存在連接不可靠現(xiàn)象。

圖3 鐵心下夾件墊腳

圖4 上夾件與頂蓋連接處碳黑痕跡

3.2 故障原因分析

從上述吊芯檢查結(jié)果看來(lái)，該變壓器內(nèi)夾件不僅未經(jīng)過(guò)油箱可靠一點(diǎn)接地，同時(shí)，鐵心下夾件墊腳處以及與其接觸的油箱內(nèi)壁底部支撐面均存在絕緣漆脫落現(xiàn)象，且兩者間無(wú)額外絕緣體，使鐵心下夾件與變壓器箱體間直接接觸，從而導(dǎo)致夾件存在多點(diǎn)接地故障。由于變壓器正常運(yùn)行期間，鐵心及夾件處于帶電繞組及其引線與油箱之間構(gòu)成的不均勻電場(chǎng)中，當(dāng)夾件有兩點(diǎn)及以上接地點(diǎn)時(shí)，接地點(diǎn)之間可能會(huì)形成閉合的回路，主磁通穿過(guò)此閉合回路，就會(huì)產(chǎn)生循環(huán)電流，造成過(guò)熱事故。

另一方面，因夾件與變壓器箱體間連接不可靠，導(dǎo)致夾件存在接地不可靠故障。由于變壓器正常運(yùn)行時(shí)，高壓繞組、低壓繞組、鐵心夾件、變壓器油箱（大地）間存在寄生電容，當(dāng)夾件接地不可靠時(shí)，帶電繞組便通過(guò)電容的藕合作用使夾件各金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生懸浮電位，當(dāng)兩點(diǎn)之間的電位差達(dá)到能夠擊穿其間的絕緣時(shí)，便產(chǎn)生火花放電，形成局部環(huán)流，也會(huì)造成局部過(guò)熱事故[6-12]。另外，不同電位的金屬構(gòu)件間發(fā)生火花放電時(shí)，會(huì)在放電點(diǎn)處積累碳化物。

經(jīng)上述分析診斷，認(rèn)為夾件多點(diǎn)接地和接地不可靠是該變壓器發(fā)生低溫過(guò)熱故障的根本原因。而該分析結(jié)論也與絕緣油色譜分析得出的可能故障項(xiàng)2 相符。

4 故障處理

4.1 改進(jìn)措施

為有效消除該變壓器夾件多點(diǎn)接地和接地不可靠故障，對(duì)夾件采取以下改進(jìn)措施。

1）提高夾件的接地可靠性。在與上夾件連接的油箱頂蓋拉板處焊接一顆接地螺母，并將其相鄰的上夾件拉桿安裝孔四周絕緣漆進(jìn)行打磨清除，隨后將接地銅片安裝在上夾件拉桿與接地螺母間，使夾件通過(guò)接地螺母可靠接地。改進(jìn)效果如圖5所示。

圖5 夾件接地改進(jìn)效果圖

2）提高上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間的絕緣強(qiáng)度。在其連接螺栓的螺栓頭和上夾件拉板間、上夾件拉板與油箱頂蓋拉板間分別加裝5.0mm、2.0mm厚絕緣紙板，以及在穿入拉板內(nèi)的螺桿表面加套φ31×φ37 酚醛絕緣套管（長(zhǎng)68mm），防止上夾件通過(guò)拉板及連接螺栓和油箱頂蓋間形成導(dǎo)通，造成夾件發(fā)生多點(diǎn)接地故障。改進(jìn)效果如圖6所示。

圖6 上夾件與油箱頂蓋間絕緣改進(jìn)效果圖

3）提高鐵心下夾件墊腳與油箱內(nèi)壁底部間絕緣強(qiáng)度。在鐵心下夾件墊腳和油箱內(nèi)壁底部墊腳接觸處分別加裝2.0mm 厚絕緣紙板，防止鐵心下夾件墊腳與油箱內(nèi)壁底部直接接觸，造成夾件發(fā)生多點(diǎn)接地故障。改進(jìn)效果如圖7所示。

圖7 鐵心下夾件墊腳絕緣改進(jìn)效果圖

4）提高上夾件和旁螺桿的接觸可靠性。將上夾件其中一側(cè)旁螺桿安裝孔四周絕緣漆進(jìn)行打磨清除，使兩者可靠接觸。同時(shí)，為了避免上下螺桿形成環(huán)路，造成漏磁及形成環(huán)流，在上夾件另一側(cè)旁螺桿安裝孔處加裝螺桿絕緣套。改進(jìn)效果如圖8所示。

圖8 旁螺桿改進(jìn)效果圖

5）加強(qiáng)油箱頂蓋接地可靠性。在油箱頂蓋和油箱間加裝接地銅片，并將接地銅片對(duì)應(yīng)的油箱頂蓋、油箱沿邊接觸面油漆進(jìn)行打磨清除，提高接觸可靠性。改進(jìn)效果如圖9所示。

圖9 油箱頂蓋加裝接地銅片

經(jīng)上述5 項(xiàng)改進(jìn)措施實(shí)施后，夾件經(jīng)油箱頂蓋拉板處接地螺母可靠一點(diǎn)接地，且?jiàn)A件與油箱頂蓋、油箱內(nèi)部底部間的絕緣強(qiáng)度大大增強(qiáng)，從而有效消除了夾件多點(diǎn)接地故障。同時(shí)，夾件的接地可靠性以及夾件各金屬結(jié)構(gòu)件間的連接可靠性也得到了大幅度提升。

4.2 改造后試驗(yàn)

器身回爐干燥后，斷開(kāi)油箱頂蓋拉板處接地螺母的接地銅片，復(fù)測(cè)鐵心、夾件的絕緣電阻，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，鐵心、夾件對(duì)地絕緣性能良好，且鐵心與夾件間絕緣性能良好，側(cè)面反映了夾件多點(diǎn)接地故障已有效根除。而該變壓器投運(yùn)后，對(duì)其進(jìn)行絕緣油色譜跟蹤分析，色譜分析結(jié)果均正常，該變壓器運(yùn)行狀況良好。

表2 鐵心夾件絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

對(duì)于夾件未采用經(jīng)小套管引致油箱下部一點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)的變壓器，當(dāng)其發(fā)生夾件多點(diǎn)接地及接地不可靠故障時(shí)，將無(wú)法用對(duì)地絕緣電阻、接地電流等常規(guī)檢測(cè)手段來(lái)進(jìn)行故障診斷分析及定位。因此，針對(duì)該類型變壓器，本文提出了以下幾點(diǎn)日常維護(hù)檢修建議及預(yù)防性建議。

1）日常運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)加強(qiáng)絕緣油色譜跟蹤分析力度，縮短采樣分析周期，應(yīng)由規(guī)定的1年1 次采樣分析周期縮短為每6 個(gè)月1 次。

2）開(kāi)展預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)加入低電壓空載電流及空載損耗測(cè)試項(xiàng)目，并結(jié)合絕緣電阻測(cè)試結(jié)果，綜合診斷變壓器鐵心夾件等磁回路相關(guān)元器件的運(yùn)行狀態(tài)。

3）對(duì)于已存在故障的變壓器，在運(yùn)行工況允許的情況下，應(yīng)通過(guò)吊芯檢查等手段，盡快排查消除內(nèi)部缺陷。

4）設(shè)備采購(gòu)過(guò)程中，審核供應(yīng)商提供的變壓器技術(shù)規(guī)范書(shū)時(shí)，應(yīng)明確其規(guī)范書(shū)內(nèi)需加入“鐵心與夾件接地引線分別通過(guò)油箱接地小套管引至油箱外接地”的技術(shù)條款，并在設(shè)備交貨驗(yàn)收時(shí)，重點(diǎn)查看其提供的設(shè)備是否滿足該條款要求。以便后續(xù)通過(guò)監(jiān)測(cè)鐵心、夾件的接地電流及對(duì)地絕緣電阻，準(zhǔn)確預(yù)判鐵心、夾件是否存在多點(diǎn)接地故障。

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