蘇永強(qiáng) 陳 影

（中國電建集團(tuán)福建工程有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

隨著國內(nèi)用電需求的激增，我國電力系統(tǒng)逐漸向高壓、大容量、自動(dòng)化和智能化進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性的需求也日益突出[1-3]。電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)的核心，是供電可靠性的基礎(chǔ)，也是用電安全的重要保障。變壓器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，要完成系統(tǒng)的升壓、降壓功能，是系統(tǒng)中故障發(fā)生頻率較高的設(shè)備，其工作穩(wěn)定性和可靠性是輸配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。變壓器一旦出現(xiàn)故障，輕則引起局部地區(qū)停電，重則導(dǎo)致大面積電力癱瘓，甚至威脅到國民的人身財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。在變壓器故障中，短路故障是代表性故障之一。探討準(zhǔn)確、及時(shí)且有效的故障診斷方法來診斷出變壓器潛在故障，保證變壓器的健康、穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是亟待解決的問題。35 kV電網(wǎng)承擔(dān)著直接向工業(yè)用戶供電的重任，因工業(yè)用戶生產(chǎn)情況復(fù)雜，系統(tǒng)中SVG變壓器短路的故障現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[6]。為此，該文以某公司35kV SVG變壓器短路故障為分析對(duì)象，基于短路故障現(xiàn)象，通過梳理故障發(fā)展過程，分析引起故障的根本原因，進(jìn)而提出治理措施。

1 故障現(xiàn)象

某風(fēng)電場(chǎng)升壓站#1 SVG變壓器型號(hào)為SC10-5000/35，其額定工作電壓為（35±2×2.5%）/10 kV，于2012年出廠，2012年投運(yùn)，設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)備銘牌

2021年初，因高壓側(cè)A相外絕緣損壞，該變壓器返廠大修。#1 SVG變壓器在2022年2月25日下午監(jiān)控后臺(tái)顯示過流速斷保護(hù)動(dòng)作，跳開高壓側(cè)開關(guān)。操作人員發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象后立即趕到現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)# 1SVG變壓器室存在以下問題：1）在# 1SVG變壓器靠近B相低壓側(cè)附近有只燒焦的老鼠，變壓器B相低壓側(cè)繞組頭尾引出線外絕緣嚴(yán)重?zé)龤В儔浩鞲邏簜?cè)繞組A相及B相外表面存在過熱痕跡現(xiàn)象，如圖1所示。2）變壓器A相、B相高壓側(cè)繞組無載調(diào)壓抽頭位置及附近有明顯的電弧灼黑痕跡，變壓器A相、B相高壓側(cè)繞組引出線金屬連接位置有熔化現(xiàn)象，如圖2所示。3）變壓器高壓側(cè)35 kV電力電纜A相及B相銅屏蔽線有被嚴(yán)重灼傷現(xiàn)象，如圖3所示。4）變壓器高壓側(cè)A相電纜頭附近外表面有明顯放電及熏黑的痕跡，如圖4所示。

圖1 低壓側(cè)繞組引線絕緣燒毀及A相、B相高壓繞組外表面過熱

圖2 高壓繞組抽頭位置及高壓繞組引出線位置

圖4 高壓側(cè)A相電纜頭外表面的放電痕跡

2 故障分析

2.1 短路電流計(jì)算

由于SVG變壓器室密封不良，老鼠跑進(jìn)變壓器室并爬到變壓器低壓側(cè)B相繞組上，進(jìn)而導(dǎo)致B相低壓側(cè)繞組頭尾引線出現(xiàn)短路，繼而引起低壓側(cè)繞組和高壓側(cè)繞組都產(chǎn)生了很大的短路電流。

2.1.1 變壓器低壓側(cè)短路電流計(jì)算

變壓器阻抗ZT（單位為Ω）如公式（1）所示。

式中：U?k為變壓器的阻抗電壓的百分比；U2為低壓側(cè)系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓，單位為kV；ST為變壓器的容量，單位為kVA。

變壓器低壓側(cè)三相短路穩(wěn)態(tài)電流的有效值Ik（單位為A）如公式（2）所示。

對(duì)SC10-5000/35型SVG變壓器有ST=5000kVA，U?k=0.1189，U2=10kV，可得ZT=2.3780Ω，Ik=2549.28A。

2.1.2 變壓器高壓側(cè)短路電流計(jì)算

變壓器高壓側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)值Id（單位為A）如公式（3）所示。

式中：IN為變壓器高壓繞組的額定電流，單位為A。

根據(jù)《三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算》[7]，可得瞬態(tài)最高短路電流峰值Idm（單位為A）如公式（4）所示。

對(duì)SC10-5000/35型SVG變壓器有IN=82.5A，進(jìn)而可得Id=693.86A，Idm=1769.34A。短路電流與短路阻抗成反比，短路阻抗越小，短路電流愈大。

2.2 變壓器故障原因分析

結(jié)合以上變壓器現(xiàn)場(chǎng)故障圖片及變壓器低壓側(cè)繞組、高壓側(cè)繞組的短路電流計(jì)算結(jié)果，得出變壓器低壓側(cè)B相繞組頭尾引出線由于小動(dòng)物引起短路后短路電流很高，在短路點(diǎn)出現(xiàn)電弧，電弧能量很大，溫度較高，并且由于變壓器低壓側(cè)B相繞組引線與A相低壓側(cè)繞組引線之間的距離比較近，因此A相及B相低壓側(cè)繞組引出線之間出現(xiàn)了弧光短路。

低壓側(cè)繞組A相及B相低壓側(cè)短路后，引起變壓器高壓側(cè)A相及B相繞組產(chǎn)生很大電流，強(qiáng)大電流使變壓器繞組熱量迅速產(chǎn)生并大量積累，大電流通過變壓器高壓繞組時(shí)造成變壓器繞組及固體絕緣過熱，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的A相高壓側(cè)繞組及B相高壓側(cè)繞組外表面絕緣存在過熱痕跡現(xiàn)象。由于高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭及高壓繞組引出線位置暴露在空氣中，因此在高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭位置及高壓繞組引出線位置出現(xiàn)了很大的電弧，電弧沿著高壓側(cè)繞組固體絕緣表面放電，造成變壓器A相、B相高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭位置及附近有明顯的電弧灼黑痕跡，并導(dǎo)致變壓器A相、B相高壓側(cè)繞組引出線金屬連接位置出現(xiàn)嚴(yán)重熔化的現(xiàn)象。

2.3 變壓器高壓側(cè)電纜故障原因分析

當(dāng)變壓器高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭位置及高壓繞組引出線位置出現(xiàn)電弧時(shí)，由于高壓側(cè)35 kV電力電纜A相及B相的銅屏蔽線安裝時(shí)比較靠近B相無載調(diào)壓繞組抽頭位置，因此引起電弧對(duì)銅屏蔽線直接放電，導(dǎo)致A相及B相電纜的銅屏蔽線嚴(yán)重?zé)齻?。且A相高壓側(cè)電纜頭位置比較靠近A相高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭位置附近，導(dǎo)致了A相高壓側(cè)無載調(diào)壓繞組抽頭直接對(duì)電纜頭外表面發(fā)生電弧放電，進(jìn)而造成A相高壓側(cè)電纜頭位置附近有被放電及熏黑的痕跡。

3 故障處理

3.1 電氣試驗(yàn)

故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)業(yè)主單位技術(shù)負(fù)責(zé)人立即通知施工單位試驗(yàn)人員對(duì)變壓器及電纜進(jìn)行了相關(guān)的電氣試驗(yàn)。變壓器電氣試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果如下。

3.1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2022年3月7日在“#1 SVG降壓變”場(chǎng)地進(jìn)行，環(huán)境溫度為18 ℃，相對(duì)濕度為70%，采用診斷性試驗(yàn)。

3.1.2 繞組直流電阻測(cè)量

采用型號(hào)為BZC391A的變壓器直流電阻測(cè)試儀分別對(duì)高壓側(cè)、低壓側(cè)直流電阻進(jìn)行測(cè)量，高壓側(cè)繞組直流電阻測(cè)量結(jié)果見表2，低壓側(cè)繞組直流電阻測(cè)量結(jié)果見表3。

表2 高壓側(cè)繞組直流電阻

表3 低壓側(cè)繞組直流電阻

3.1.3 繞組變比和接線組別檢定

采用型號(hào)為JD2932B的變壓器變比測(cè)試儀對(duì)繞組變比和接線組別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 繞組變比和接線組別檢定結(jié)果

3.1.4 絕緣電阻測(cè)量

采用型號(hào)為KD50A的數(shù)字高壓兆歐表對(duì)絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表5。

表5 絕緣電阻測(cè)量結(jié)果

3.1.5 交流耐壓試驗(yàn)

采用型號(hào)為YDBJ-5KVA的試驗(yàn)變壓器進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果

3.1.6 低電壓短路阻抗法繞組變形試驗(yàn)

采用型號(hào)為DS2000D的低電壓短路阻抗測(cè)試儀進(jìn)行低電壓短路阻抗法繞組變形試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 低電壓短路阻抗法繞組變形試驗(yàn)結(jié)果

35 kV電力電纜試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果如下：1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)于2022年3月7日在“#1 SVG降壓變本體-#1 SVG降壓變305開關(guān)柜”進(jìn)行，環(huán)境溫度為18 ℃，相對(duì)濕度為70%，采用檢修性試驗(yàn)。2）絕緣電阻測(cè)量。采用型號(hào)為2 500 V/20 000 MΩ的兆歐表進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見表8。3）交流耐壓試驗(yàn)。采用型號(hào)為FYQ-500/0.00075的變頻串聯(lián)諧振高壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表8 絕緣電阻測(cè)量結(jié)果

表9 交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果

從綜合變壓器及電纜的電氣試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果可以看出，變壓器本體及A相高壓側(cè)電纜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是正常的，特別是變壓器直流電阻測(cè)量、變比測(cè)量及低電壓短路阻抗測(cè)量與歷史數(shù)據(jù)比較均沒有明顯的差別。

3.2 處理措施

該文基于上述變壓器及電纜試驗(yàn)報(bào)告，從節(jié)省成本的角度出發(fā)，提出的變壓器及電纜故障的處理措施如下：1）由于檢查變壓器A相及B相外絕緣表面沒有存在裂紋，只是被灼黑，因此只用酒精布擦洗干凈，然后在外表面重新噴涂PRTV絕緣涂料。2）對(duì)變壓器B相低壓側(cè)繞組頭尾引線出頭絕緣破損，采用玻璃纖維絕緣帶重新綁扎后再涂上PRTV絕緣涂料。3）變壓器A相及B相高壓側(cè)繞組引出線金屬連接位置出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，由于拆除困難，只能把熔化部份金屬表面打磨光滑并用酒精擦洗干凈。4）變壓器高壓側(cè)A相及B相電纜銅屏蔽線燒損則是采用直管銅鼻子對(duì)接后用壓接鉗壓接好，并用絕緣膠帶重新綁扎好。5）針對(duì)高壓側(cè)A相電纜頭附近外表面有明顯放電的痕跡，絕緣表面沒有破損，因此只是用酒精棉擦洗干凈。

故障處理后的變壓器整體效果如圖5所示。當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，作用在繞組上的電動(dòng)力比較小，但是當(dāng)變壓器發(fā)生短路時(shí)，最大的短路電流將達(dá)到額定電流的幾十倍，所以變壓器短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，可能使變壓器繞組等損壞。干式變壓器短路后，由于其繞組線圈是被固化的，可以抵抗很大的電動(dòng)力，因此過電流能力比油浸式變壓器強(qiáng)。該次的這臺(tái)SVG變壓器故障檢修處理完后，當(dāng)天就投入運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間的帶電監(jiān)測(cè)跟蹤，變壓器的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 變壓器故障處理效果

4 結(jié)語

變壓器發(fā)生短路故障后，主要損壞的是繞組線圈，因?yàn)殡娏髟龃蠛?，受到電?dòng)力的影響，繞組線圈會(huì)變短變粗，所以會(huì)造成變壓器繞組變形，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成繞組線圈固體絕緣損壞，引起內(nèi)部繞組線圈短路。由于是干式變壓器，繞組線圈及環(huán)氧樹脂絕緣都是被固化的，因此變壓器發(fā)生短路后，看不出來線圈內(nèi)部變形情況。可能當(dāng)時(shí)也沒什么影響，但是短路次數(shù)多了以后，繞組線圈變形會(huì)越來越嚴(yán)重。為了今后更好地進(jìn)行室內(nèi)變壓器的運(yùn)行及維護(hù)，防止干式變壓器損壞，該文特提出以下建議：1）要做好SVG變壓器室內(nèi)的密封，防止小動(dòng)物誤入SVG變壓器室內(nèi)，導(dǎo)致變壓器發(fā)生短路故障。2）變壓器出廠設(shè)計(jì)時(shí)建議廠家增加高壓繞組引出線位置接觸面積，提高載流能力。3）高壓側(cè)電纜安裝時(shí)，要按規(guī)定控制好電纜頭與高壓繞組引出線、銅屏蔽線與變壓器繞組無載調(diào)壓抽頭之間的距離，銅屏蔽線接地安裝時(shí)要靠在電纜外側(cè)（即變壓器圍欄側(cè)）。4）運(yùn)行中對(duì)SVG變壓器要加強(qiáng)帶電監(jiān)測(cè)跟蹤，包括紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。5）定期加強(qiáng)停電試驗(yàn)及變壓器檢修，檢修時(shí)要對(duì)變壓側(cè)各繞組引線的接觸面認(rèn)真檢查，防止螺栓在運(yùn)行中因振動(dòng)而產(chǎn)生松動(dòng)，引起繞組引線接觸不良。