張 云 李少逸 黃曉波

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516003）

電力變壓器是電網(wǎng)中的主要一次設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到供電可靠性。隨著電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，短路電流不斷增大，老舊大型變壓器因外部短路電流誘發(fā)的內(nèi)部突發(fā)短路故障時(shí)有發(fā)生[1-7]，而變壓器電壓等級(jí)和容量的越大，后果越嚴(yán)重。老舊大型變壓器因設(shè)計(jì)、制造、材料所限，抗短路能力較為薄弱，在突發(fā)外部短路沖擊時(shí)，線圈流過(guò)超過(guò)額定值十倍以上的短路電流，常造成繞組變形和絕緣損壞情況。

本文介紹了近期發(fā)生的一起220kV變壓器突發(fā)短路過(guò)程，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)返廠解體情況進(jìn)行了說(shuō)明，根據(jù)解體情況，得出了故障原因，并提出了老舊大型變壓器提高抗短路能力的建議措施。

1 故障后檢查情況

1.1 繼電保護(hù)動(dòng)作情況

2016年 8月13日 19∶26，某220kV變電站#1主變本體差動(dòng)保護(hù)及重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，跳開#1主變變高2201開關(guān)、變中1101開關(guān)、變低501開關(guān)，10kV母聯(lián)備自投動(dòng)作，合上10kV分段500開關(guān)，10kV 1M母線負(fù)荷由#2主變供，無(wú)負(fù)荷損失。

該主變型號(hào)為 SFSZ7-150000/220，1994年 11月出廠，聯(lián)結(jié)組別為YNyn0D11，額定電流：高壓/中壓/低壓為393.6A/715.7A/3936.5A，阻抗電壓：高壓-中壓為 13.8%，高壓-低壓為 24%，中壓-低壓為7.53%，預(yù)試、定檢、檢修及日常巡視等均按期進(jìn)行，未發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)不合格情況，未發(fā)生過(guò)任何故障，故障前主變沒(méi)有未消缺記錄。

故障前變電站現(xiàn)場(chǎng)為雷雨天氣，無(wú)倒閘操作，跳閘前#1主變負(fù)荷：78.7MVA，變高電流 280A；上層油溫：46℃；跳閘前后繼電保護(hù)動(dòng)作情況：

1）2016年 8 月 13 日 19∶26∶31∶59，該站 110kV某球甲線接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護(hù)跳閘，重合成功。

2）2016年 8月 13日 19∶26∶31∶163，#1主變差動(dòng)保護(hù)第一次啟動(dòng)，差動(dòng)電流0.47Ie。

3）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶193，#1主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作出口。

4）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶221，#1主變差動(dòng)保護(hù)第二次啟動(dòng)，差動(dòng)電流0.45Ie。

5）2016年 8月 13日 19∶26∶41∶232，#1主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳開。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)動(dòng)作及雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析，主變發(fā)生故障前：2016年8月13日19∶26∶31該站110kV某線路接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合成功，B相故障，測(cè)距2.78km，故障時(shí)刻二次零序電流14.44A，一次電流8.2kA，#1主變變中B相一次電流6.864kA。跳閘線路前后1min1km范圍內(nèi)落雷 3個(gè)，最大雷電?8.4kA，落雷點(diǎn)位于N13—N14之間。

對(duì)#1主變本體及相關(guān)附件檢查，發(fā)現(xiàn)主變本體瓦斯繼電器存在氣體。

1.2 主變?cè)囼?yàn)檢查情況

對(duì)#1主變本體取油樣，對(duì)本體瓦斯取氣體化驗(yàn)。

檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 1。第二行為絕緣油測(cè)試結(jié)果，第三行為瓦斯其他測(cè)試結(jié)果。

表1 絕緣油色譜測(cè)試結(jié)果

主變故障后油樣及瓦斯氣體分析結(jié)果氫氣、乙炔、總烴均超注意值，乙炔達(dá)33.4μL/L，瓦斯氣體分析中氫氣、乙炔、總烴也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)注意值，特別是乙炔達(dá)457.18μL/L，三比值故障代碼為1, 2, 0判斷主變內(nèi)部存在電弧放電兼過(guò)熱。

電氣試驗(yàn)結(jié)果顯示，主變?nèi)齻?cè)絕緣電阻比出廠、交接及上一次預(yù)試值有明顯下降；變低繞組直流電阻測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2，不平衡率超過(guò)規(guī)程要求值，繞組變形頻響法圖譜如圖1至圖3所示，主變繞組變形顯示變低B相存在較嚴(yán)重變形，變中繞組存在一定變形。

表2 變低繞組直流電阻測(cè)試結(jié)果

圖1 變高繞組變形測(cè)試圖譜

圖2 變中繞組變形測(cè)試圖譜

圖3 變低繞組變形測(cè)試圖譜

綜合繼電保護(hù)動(dòng)作、油氣試驗(yàn)及高壓試驗(yàn)信息，初步判斷該站#1主變故障因主變中壓側(cè)因線路發(fā)生近區(qū)短路，線圈流過(guò)短路穿越電流，引發(fā)線圈變形和絕緣擊穿放電引起主變跳閘故障。

2 返廠吊罩檢查情況

將該變壓器運(yùn)回變壓器制造廠，分別吊出三相調(diào)壓、高壓和低壓線圈進(jìn)行解體檢查。調(diào)壓線圈、A、C相線圈未見(jiàn)異常。外觀檢查B相調(diào)壓線圈、高壓線圈，無(wú)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱、放電和絕緣損壞等現(xiàn)象。

B相對(duì)應(yīng)鐵心上鐵軛存在大量燒蝕的紙屑，B相壓板表面遺留有銅珠、紙屑，如圖4所示。拆除上夾件時(shí)，發(fā)現(xiàn)B相上部夾件存在過(guò)熱燒融痕跡，線圈壓緊力情況：線圈壓緊方式為壓釘型，在拆解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)線圈壓板壓緊力小導(dǎo)致線圈軸向壓緊力不夠。如圖4所示。

圖4 B相壓板表面痕跡

拆除三相繞組端部絕緣，發(fā)現(xiàn)B相低壓線圈的導(dǎo)線嚴(yán)重?zé)g，端部大部分絕緣破損，導(dǎo)線扭曲變形嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 B相線圈端部情況

檢查發(fā)現(xiàn)B相中壓線圈下部第40餅嚴(yán)重變形，上部起第9餅導(dǎo)線亦存在輕微變形，確定不可修復(fù)。中、高壓間其中2層軟直筒對(duì)應(yīng)中壓線圈線餅變形處發(fā)生開裂現(xiàn)象，線圈墊塊發(fā)生位移。如圖6、圖7所示。

檢查發(fā)現(xiàn)低壓線圈外紙筒局部發(fā)黑，低壓線圈靠A相側(cè)存在與鐵心兩點(diǎn)放電電弧痕跡，低壓線圈上部約8餅線嚴(yán)重過(guò)熱燒蝕，部分導(dǎo)線出現(xiàn)斷股現(xiàn)象，低壓線圈中下部（對(duì)應(yīng)中壓線圈變形位置）局部呈現(xiàn)塌陷變形。低壓線圈下部的托板亦受到污染，如圖8、圖9所示。

圖6 中壓線圈變形情況

圖7 中壓線圈墊塊移位情況

圖8 B相低壓線圈變形情況

測(cè)量鐵心對(duì)夾件之間的絕緣電阻良好，區(qū)間絕緣電阻合格，檢查鐵心與夾件之間、鐵心與拉板之間的絕緣，無(wú)破損、過(guò)熱等異?，F(xiàn)象。

檢查所有鐵心表面，B相心柱上部靠A相側(cè)有電弧放電痕跡，其他無(wú)過(guò)熱、變色及放電燒傷痕跡等異常情況。

圖9 B相低壓線圈塌陷情況

3 變壓器故障原因分析

3.1 運(yùn)行原因分析

根據(jù)主變返廠解體檢查情況分析，主變?cè)谶\(yùn)行中受外部短路穿越電流的沖擊作用，本次短路電流（6.864kA）為變中線圈額定電流（0.7157kA）的9.59倍，主變B相變中、變低線圈在電動(dòng)力影響下變形，變低線圈絕緣破裂出現(xiàn)匝間短路，導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，是本次事故的直接原因。

3.2 變壓器結(jié)構(gòu)原因

該主變低壓線圈采用單螺旋結(jié)構(gòu)，軸向彈性大，短路時(shí)容易產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)[8-9]，極易造成絕緣破損。此外該主變中低壓繞組采用軟紙筒結(jié)構(gòu)，紙筒沒(méi)有內(nèi)撐條，機(jī)械強(qiáng)度低，抗短路沖擊能力弱，使低壓線圈和中壓線圈存在虛位，在短路電流作用下，線圈容易產(chǎn)生幅向失穩(wěn)，幅向電動(dòng)力使中壓繞組部分線餅同時(shí)向內(nèi)凹陷，同時(shí)造成低壓線圈凹陷。軸向線圈壓緊力不強(qiáng)，在軸向電動(dòng)力作用下，中壓線圈墊塊出現(xiàn)位移變形。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是影響抗短路能力的首要因素[10]。根據(jù)研究，低壓線圈幅向應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在撐條與線餅的接觸面，而最大應(yīng)變位于線餅外圓[11]。這與解體發(fā)現(xiàn)的變形情況相符。

3.3 變壓器制造工藝原因

早期產(chǎn)品在工藝控制方面不夠完善，如線圈干燥時(shí)未作恒壓干燥，繞組撐條布置不合理等。在變壓器短路條件下，由于繞組與撐條間存在間隙，試驗(yàn)證明半數(shù)支撐有效計(jì)算的應(yīng)力與實(shí)際失效應(yīng)力接近，因此應(yīng)考慮 1/2有效內(nèi)支撐計(jì)算強(qiáng)制翹曲極限應(yīng)力。根據(jù)變壓器繞組翹曲計(jì)算公式，增大導(dǎo)線尺寸和保證撐條有效支撐都能提高繞組輻向穩(wěn)定性，增大導(dǎo)線輻向厚度對(duì)改善繞組輻向穩(wěn)定性效果最明顯。對(duì)于內(nèi)繞組而言，增大單根導(dǎo)線厚度、減小擋間距及增大導(dǎo)線應(yīng)力都能有效提高繞組輻向臨界應(yīng)力。對(duì)自粘組合或自粘換位導(dǎo)線，其輻向臨界應(yīng)力系數(shù)與國(guó)標(biāo)平均環(huán)形壓縮應(yīng)力系數(shù)接近；對(duì)常規(guī)和組合導(dǎo)線，其輻向臨界應(yīng)力系數(shù)比國(guó)標(biāo)平均環(huán)形壓縮應(yīng)力系數(shù)大。

3.4 變壓器材料原因

該主變低壓線圈材質(zhì)為普通的銅質(zhì)導(dǎo)線，沒(méi)有采用半硬銅質(zhì)導(dǎo)線，使得線圈抗拉許用應(yīng)力值減少，一旦平均拉伸應(yīng)力超過(guò)抗拉許用應(yīng)力值，線圈極易發(fā)生變形[12-13]。根據(jù)變壓器繞組強(qiáng)度計(jì)算可知，平均環(huán)形壓縮應(yīng)力是保證繞組輻向不失穩(wěn)的最基礎(chǔ)、最重要的應(yīng)力，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)此應(yīng)力和國(guó)標(biāo)要求來(lái)選擇導(dǎo)線屈服強(qiáng)度Rp0.2。對(duì)于220kV變壓器，若低壓或中壓繞組半容量，其短路機(jī)械強(qiáng)度要重點(diǎn)考慮，最好使用換位導(dǎo)線[3]。

4 建議措施

1）加強(qiáng)對(duì)老舊變壓器抗短路能力的校核，對(duì)發(fā)現(xiàn)抗短路能力不足的產(chǎn)品，采取加裝限流電抗器或大修加固的方式，進(jìn)行強(qiáng)化。

2）在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，適當(dāng)提高主變抗短路能力設(shè)計(jì)裕度，是最有效因素，優(yōu)先選擇經(jīng)受短路電流型式試驗(yàn)合格的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，確保主變抗短路能力。

3）保證變壓器的制造工藝水平，包括線圈繞緊、套裝撐緊、器身壓緊等，能有效保證抗短路設(shè)計(jì)裕度在制造階段的落實(shí)[14-16]。

4）合理設(shè)置變壓器重合閘保護(hù)配置，避免老舊變壓器長(zhǎng)時(shí)間承受短路電流或遭受二次沖擊，由于累計(jì)效應(yīng)造成損壞。

5）根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及反措要求，老舊變壓器的內(nèi)線圈應(yīng)改為半硬銅自粘性換位導(dǎo)線，從而提高內(nèi)線圈的抗短路能力。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一起220kV老舊變壓器在突發(fā)外部短路電流的沖擊下發(fā)生線圈變形和短路的故障，對(duì)原因進(jìn)行了分析，提出了建議措施。

老舊變壓器抗短路能力隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而下降，因此改善其運(yùn)行環(huán)境，降低安裝地點(diǎn)的短路電流，或大修進(jìn)行強(qiáng)化，具有重大意義，而日常預(yù)試中加強(qiáng)繞組變形測(cè)試圖譜的比較分析，對(duì)發(fā)現(xiàn)老舊主變線圈變形過(guò)程也具有積極意義。

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