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        一起換流變線端交流耐壓試驗(yàn)失敗的原因探析

        2021-07-05 07:06:48馬明元
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年7期
        關(guān)鍵詞:變壓器

        馬明元

        (1.保定天威保變電氣股份有限公司,河北 保定 071056;2.河北省輸變電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河北 保定 071056)

        1 產(chǎn)品信息

        某臺±200 kV直流換流變壓器產(chǎn)品信息如下。1)產(chǎn)品型號。ZZDFPZ-4150000/500-200。2)名稱。單相、雙繞組、強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻、有載調(diào)壓、±200 kV直流換流變壓器。3)容量為415MVA。4)額定電壓:

        5)冷卻方式為ODAF(強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷)。6)網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)接地方式為直接接地。7)調(diào)壓方式為網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)有載調(diào)壓。8)絕緣水平。換流變壓絕緣水平見表1,網(wǎng)側(cè)繞組為500 kV電壓等級,閥側(cè)繞組為±200 kV級。9)接線原理圖。接線原理圖如圖1所示,換流變壓器采用兩柱并聯(lián)強(qiáng)制分流結(jié)構(gòu),采用中性點(diǎn)調(diào)壓,其中1.1(A)為網(wǎng)側(cè)首端,1.2(X)為高壓末端,2.1(a)、2.2(x)分別為閥側(cè)首、末端,采用正反調(diào)壓方式,1~15,21、22為調(diào)壓出頭。

        圖1 接線原理圖

        表1 繞組絕緣水平

        2 問題描述

        該±200 kV直流換流變壓器在制造廠內(nèi)完成總成后,按照既定的試驗(yàn)大綱進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。如表1所示,網(wǎng)側(cè)繞組為500 kV級,線端交流短時(shí)感應(yīng)耐受電壓為680 kV。當(dāng)該產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)時(shí),在網(wǎng)側(cè)1.1端子電壓升至600 kV,持續(xù)時(shí)間約3 s時(shí),變壓器內(nèi)部出現(xiàn)異常聲響,同時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)視的局部放電量超出標(biāo)準(zhǔn);隨后進(jìn)行油色譜分析,發(fā)現(xiàn)含有乙炔,最終判定該產(chǎn)品絕緣試驗(yàn)不合格[1]。

        3 試驗(yàn)過程

        3.1 試驗(yàn)情況

        按計(jì)劃網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)是第12項(xiàng),之前11項(xiàng)試驗(yàn),如溫升試驗(yàn)、閥側(cè)雷電沖擊試驗(yàn)、閥側(cè)外施操作沖擊試驗(yàn)以及網(wǎng)側(cè)雷電沖擊試驗(yàn)等都已完成,結(jié)果為合格,見表2。

        表2 試驗(yàn)項(xiàng)目

        網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)出現(xiàn)異常聲響,局放儀表檢測的放電量超過6 000 PC。

        取油樣化驗(yàn),油色譜試驗(yàn)結(jié)果見表3,其中乙炔含量為419 μL/L,初步判斷為紙絕緣擊穿故障。

        表3 油色譜試驗(yàn)結(jié)果

        3.2 進(jìn)一步驗(yàn)證

        為了進(jìn)一步分析產(chǎn)品故障原因,隨后對產(chǎn)品進(jìn)行了以下試驗(yàn)項(xiàng)目:1)測量各分接變比,結(jié)果無異常。2)測量繞組電容和介損,結(jié)果無異常。3)測量網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組的直阻,網(wǎng)側(cè)繞組直阻無異常;閥側(cè)繞組直阻較前期數(shù)值增大了約2.8%。根據(jù)以上測試結(jié)果,初步判定閥側(cè)繞組出現(xiàn)了絕緣問題。

        4 解體檢查

        為了確定故障點(diǎn)位置和性質(zhì),需要對器身進(jìn)行解體。拔出線圈后,逐層拆除閥側(cè)線圈外部圍裹的紙板,發(fā)現(xiàn)閥側(cè)線圈外表有明顯的故障點(diǎn),如圖2(a)所示。共查出2處故障點(diǎn),分別為閥側(cè)線圈第77餅(圖2(b))、78餅(圖2(c))的屏蔽線懸頭位置。故障位置導(dǎo)線絕緣已發(fā)生碳化,工作線及屏蔽線懸頭熔斷。

        圖2 故障點(diǎn)及具體位置

        閥側(cè)線圈采用內(nèi)屏蔽連續(xù)式結(jié)構(gòu),滿匝為5匝。檢查中發(fā)現(xiàn)閥側(cè)線圈第77餅屏蔽線懸頭位置錯(cuò)誤,屏蔽線少繞一匝,如圖3所示。改變線圈端部的附加電容,尤其是入波端的串聯(lián)電容,可以改善整個(gè)線圈的沖擊電壓分布特性。連續(xù)式線圈靠提高相鄰線匝間的電壓而增大匝間儲存的電場能量。也就是說,匝間電場能量的增大意味著連續(xù)單元的等值電容及線圈串聯(lián)電容增大,內(nèi)屏蔽串聯(lián)電容是屏蔽線與工作線間儲存的電場能量。而屏蔽線的長度(也即插入深度)決定了附加電容的大小,而附件電容直接影響了雷電沖擊下繞組的電位分布特性,事關(guān)繞組耐受雷電沖擊電壓的絕緣性能[2]。該臺產(chǎn)品的閥側(cè)線圈屏蔽線少繞一匝可能是引起故障的直接原因。為了分析該原因,有必要利用有限元分析軟件,建立繞組波過程計(jì)算模型,進(jìn)行繞組內(nèi)暫態(tài)電壓計(jì)算,得出結(jié)論,并提出修復(fù)措施。

        圖3 屏蔽懸頭位置示意圖

        5 波過程計(jì)算

        按照要求,±200 kV換流變壓器閥側(cè)繞組側(cè)雷電沖擊電壓為1 175 kV,見表1。

        5.1 計(jì)算原理

        換流變壓器線圏在沖擊電壓的作用下,可等效為電感、電容和電阻都是分布參數(shù)的分布參數(shù)電路。但是為了方便計(jì)算和分析換流變壓器繞組的波過程,經(jīng)常不再使用分布參數(shù),而使用具有換流變壓器繞組的等值電路式鏈型網(wǎng)絡(luò)的集中參數(shù)。

        基本原理:換流變壓器的各個(gè)繞組是通過若干計(jì)算單元進(jìn)行劃分的,每個(gè)單元由一個(gè)軸向電容、一個(gè)對地電容、相鄰繞組間的電容以及一個(gè)自感構(gòu)成,線餅間的磁合通過互感表示。原理即每個(gè)繞組為一個(gè)單位,各單元組成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),在每個(gè)繞組的等值網(wǎng)絡(luò)中加入相應(yīng)繞組的電容及互感,進(jìn)而構(gòu)成多繞組等值網(wǎng)絡(luò)。

        分布參數(shù)的計(jì)算是在雷電波的作用下,線圈的起始電壓分布或者沖擊電皮分布的情況。在沖擊波開始作用的瞬時(shí),變壓器線圈相當(dāng)于承受了極高頻率的電壓波作用,因線圏電阻與感抗和容抗比值較小,可忽略不計(jì),所以線圈波過程可簡化為由電感及電容組成的網(wǎng)絡(luò)。

        在波過程計(jì)算過程中, 變壓器單個(gè)線圈的等效電路如圖4所示。

        圖4 等效電路

        5.2 屏蔽位置正確時(shí)波過程計(jì)算

        建立屏蔽線正確時(shí)的波過程計(jì)算模型后,計(jì)算得出閥側(cè)線圈首端5個(gè)線餅梯度,見表4。

        表4 雷電全波下梯度(正確結(jié)構(gòu))表

        正確結(jié)構(gòu)時(shí)雷電全波沖擊計(jì)算結(jié)果見表5,最小裕度為1.16,滿足設(shè)計(jì)安全要求。

        表5 裕度結(jié)果

        5.3 屏蔽位置錯(cuò)誤時(shí)波過程計(jì)算

        建立屏蔽線少一匝時(shí)的波過程計(jì)算模型后,計(jì)算得出閥側(cè)線圈首端5個(gè)線餅梯度,見表6。

        表6 雷電全波下梯度(錯(cuò)誤結(jié)構(gòu))表

        當(dāng)屏蔽線為少1匝的結(jié)構(gòu)時(shí),雷電全波沖擊計(jì)算結(jié)果見表7,最小裕度為0.96,不滿足設(shè)計(jì)安全要求。

        表7 裕度結(jié)果

        6 原因分析

        根據(jù)解體檢查情況和有限元波過程分析計(jì)算結(jié)果,最終確定造成該產(chǎn)品故障的主要原因是閥側(cè)線圈第77段屏蔽線少繞1匝。由于屏蔽線少繞1匝,導(dǎo)致閥側(cè)線圈在雷電沖擊試驗(yàn)時(shí),77餅和78餅縱絕緣裕度降低到0.96,提高了發(fā)生絕緣擊穿的概率。事實(shí)證明,該產(chǎn)品雖然通過了前11項(xiàng)試驗(yàn),尤其在結(jié)構(gòu)有缺陷的情況下僥幸通過了雷電沖擊試驗(yàn),但是實(shí)際上已經(jīng)引起閥側(cè)線圈的縱絕緣性能下降,甚至絕緣損傷。當(dāng)后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)時(shí),閥側(cè)線圈中絕緣已受損的77餅和78餅絕緣進(jìn)一步劣化,最終發(fā)生絕緣故障,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

        7 結(jié)論

        通過計(jì)算分析找到真正原因,并按照正確結(jié)構(gòu)修復(fù)了閥側(cè)線圈,恢復(fù)到原有繞組的絕緣性能。修復(fù)后產(chǎn)品再次進(jìn)行所有絕緣試驗(yàn),全部一次通過,最終產(chǎn)品試驗(yàn)合格。通過該事件,工廠對后續(xù)及在制品提出了更高質(zhì)量管控措施。針對屏蔽懸頭的制作,在原有自、互檢要求的基礎(chǔ)上,提出了質(zhì)量控制要求如下:1)屏蔽懸頭制作時(shí),在電磁線上表面中斷點(diǎn)對應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記,并將中斷點(diǎn)標(biāo)記延伸至線餅外徑側(cè),并注明斷點(diǎn)所處匝數(shù)(由外向內(nèi))、撐條間隔。2)屏蔽線的制作需要拍照留底,并由班組長進(jìn)行確認(rèn)。3)質(zhì)檢人員對中斷點(diǎn)的制作進(jìn)行巡檢,并對所有屏蔽懸頭標(biāo)記內(nèi)容進(jìn)行檢查。

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