110 kV變壓器繞組故障分析及對策

陳曉宏

供用電

110 kV變壓器繞組故障分析及對策

陳曉宏

（攀鋼集團西昌鋼釩有限公司能源動力中心，四川西昌615032）

分析了兩臺110 kV變壓器發生繞組變形故障的原因，采取了提高變壓器承受短路能力的技術措施，并提出了防范變壓器繞組變形故障的對策。

變壓器；繞組變形；分析；對策

1 引言

攀鋼西昌鋼釩公司110 kV煉鋼變電站設置有4臺110 kV主變壓器，其中3#、4#主變壓器（型號SF11-50000/110，110/36.75 kV）主要為煉鋼LF爐供電。3#、4#主變壓器為同一廠家產品，分別于2011年11月、2011年12月投運。

2012年10月10日，煉鋼變電站4#主變壓器運行中重瓦斯、差動保護動作跳閘。變壓器返廠檢修發現，三相低壓繞組嚴重變形，其中A、C相低壓繞組匝間、層間短路，鐵芯不同程度燒損。4#主變壓器A、C相低壓繞組變形情況如圖1所示。

圖1 4#主變壓器A、C相低壓繞組變形情況

在4#主變壓器發生故障后，我們加強了3#主變壓器的運行監控，通過變壓器油色譜分析，發現氫氣含量增長明顯，2014年3月，氫氣含量達到了1782 μL/L，于是對3#變壓器進行了脫氣處理。2014年9月，為防止變壓器發生嚴重故障，我們對3#主變壓器進行了大修，解體發現變壓器三相低壓繞組變形，其中A、B相低壓繞組變形較嚴重。3#主變壓器A、B相低壓繞組變形情況如圖2所示。

針對兩臺110 kV變壓器出現的繞組變形故障，有必要對故障原因進行分析，并提出相應的預防措施。

圖2 3#主變壓器A、B相低壓繞組變形情況

2 變壓器繞組故障分析

2.1 變壓器運行情況

煉鋼變電站3#、4#主變壓器所帶負荷為1#、2#精煉變電站，分別對應1臺LF爐變壓器。LF爐變壓器操作頻繁且為沖擊負荷，負荷最大約為28 MVA，低于主變壓器額定容量50 MVA。

在變壓器繞組損壞的原因中，其出口發生短路故障是主要誘因。根據主變壓器的運行記錄，3#主變壓器所帶的LF爐變壓器受電開關分別于2012年2月、2012年5月發生過短路故障，速斷保護動作跳閘；4#主變壓器所帶的35 kV系統在2012年10月前未發生過短路故障。

2.2 變壓器承受的故障電流分析

2012年10月10日，4#主變壓器發生故障時，現場2#LF爐變壓器發生短路，速斷保護動作跳閘，根據微機保護裝置記錄，三相動作電流值為：A相31.2 A，B相29.8 A，C相28.7 A，電流互感器變比為1250/5，A相動作電流一次值為7.8 kA。速斷保護動作時限設置為0 s，考慮微機保護裝置和斷路器的固有動作時間，電流切除時間＜0.1 s。

根據GB1094.5-2003《電力變壓器承受短路的能力》規定，變壓器應具有承受短路的能力，變壓器可承受的對稱短路電流：

式中，Ij——基準短路電流，35 kV系統為1.56 kA；

Zs*——系統短路阻抗標幺值；Zl*——變壓器短路阻抗標幺值。

根據GB1094.5-2003規定，110 kV系統的短路視在容量取9000 MVA，系統短路容量基準值為100 MVA，則Zl*＝100/9000=0.0111；變壓器Xd%=8，S=50 MVA，則Zl*=Xd%/S=8/50=0.16。因此，變壓器可承受的對稱短路電流值：

由此可見，4#主變發生故障時，現場保護裝置記錄的短路動作電流7.8 kA＜9.12 kA（而且在系統最大運行方式下，驗算變壓器35 kV側出口三相短路電流也小于9.12 kA），短路電流持續時間＜0.1 s，在變壓器可承受的短路能力范圍之內，因此判斷變壓器故障是由制造方面的問題所誘發。

2.3 變壓器繞組故障原因分析

（1）變壓器未進行短路試驗，變壓器承受短路的能力存在不確定性。

變壓器制造廠家為第一次設計短路阻抗為8%的該型式的變壓器，變壓器承受短路的動穩定能力采用的是計算和設計驗證。因變壓器結構的復雜性,加上電磁計算模型不夠完善,各廠家的計算差異較大,往往造成理論計算值與實際電動力不符,難以正確反映變壓器承受短路的動穩定能力。

（2）變壓器抗短路動穩定能力不足是繞組變形的根本原因。

當變壓器繞組中流過電流時，將會在繞組周圍產生漏磁場，繞組中的電流與漏磁場相互作用的結果，在繞組內產生電動力。軸向漏磁場產生輻向力，而輻向漏磁場產生軸向力。輻向力使高壓繞組沿徑向向四周延伸，將低壓繞組沿徑向向內壓縮。

從兩臺變壓器的解體情況看，變壓器低壓繞組在設計及制造工藝上存在欠缺，造成變壓器抗短路動穩定能力不足，如：撐條數量不足，寬度偏小，低壓繞組無外鎖緊輔助撐條；低壓繞組采用厚度為1 mm和3 mm的兩張紙筒作為內襯，抗輻向力的強度不夠；為降低變壓器負載損耗，低壓繞組采用多股小截面積的導線，導線屈服強度偏小等。變壓器長期帶沖擊負荷運行，當下一級變電站出現短路故障時，短路故障電流產生的電動力使變壓器低壓繞組發生輻向變形，其中4#主變壓器低壓繞組局部絕緣受損，匝間、層間短路，內襯紙筒受力破損，繞組對鐵芯發生電擊穿。

3 變壓器修復方案

兩臺變壓器在修復時，為提高變壓器抗短路動穩定能力，我們采取了以下技術措施：

（1）低壓繞組采用內外鎖緊撐條(原無外鎖緊撐條)，并適當增加撐條數量，輔助撐條寬度由14 mm改為20 mm，加強低壓繞組與鐵芯柱之間的支撐。

（2）低壓繞組采用4 mm整張高密度硬紙筒作為內襯，提高低壓繞組的幅向動穩定性能。

（3）為提高低壓繞組導線的屈服強度，低壓繞組導線厚度由原來1.8 mm增加到2.8 mm，由原來6根導線（規格為ZBC1-0.45，1.8×12.5）改為4根導線（規格為ZBC2-0.45，2.8×12.5）。改進后，導線屈服強度δ0.2由原來的180 MPa提高到220 MPa。由于導線規格改變，變壓器負載損耗增加約10%。

（4）對4#主變壓器燒毀鐵芯做局部修理（鐵芯重新疊裝，更換燒毀鐵芯），對高壓線圈做全面檢查處理。

（5）變壓器修復后按國標對新產品做全項目出廠試驗。

4 防止變壓器繞組變形故障的對策

4.1 合理選取變壓器短路阻抗值

變壓器的短路阻抗應與電壓等級、容量相匹配，在滿足用電設備要求的情況下，適當提高短路阻抗有利于限制變壓器出口短路電流，從而降低作用于變壓器繞組上的電動力。在變壓器選型訂貨時，短路阻抗可根據GB/T6451-2008《油浸式電力變壓器技術參數及要求》選擇，如40 MVA～63 MVA雙繞組電力變壓器短路阻抗應不小于10.5%。

4.2 提高變壓器自身的抗短路能力

制造廠要從設計及制造工藝上提高變壓器抗短路能力：電磁計算方面要反映繞組的實際受力狀態，并留有足夠的安全裕度；低壓繞組應采用半硬銅導線和自粘式換位導線，適當加大單根導線的輻向厚度；低壓繞組內襯采用高強度整張硬紙筒，并適當增加撐條數量，加強低壓繞組與鐵芯之間的支撐；改善工藝，所有絕緣墊塊應進行預密化處理，繞組的制作要密實牢固，線圈采取整體套裝工藝等。

4.3 開展變壓器短路試驗

受試驗條件的限制，變壓器的短路試驗屬于特殊試驗。根據GB1094.5-2003《電力變壓器承受短路的能力》要求，變壓器承受短路的動穩定能力可通過試驗驗證或者計算、設計驗證，由用戶和制造廠協商確定。由于計算、設計驗證存在不確定性，因此，用戶在設備訂貨時，應要求制造廠提供類似變壓器的短路試驗報告，否則應要求制造廠進行變壓器短路試驗。

4.4 加強變壓器預防性試驗工作

開展變壓器狀態檢修，定期進行變壓器預防性試驗、變壓器油色譜分析和繞組變形測試，發現異常時應縮短檢測周期。變壓器受到短路沖擊后，應及時對變壓器進行相關試驗，通過對繞組電容值、短路阻抗值、油色譜分析數據、繞組變形測試頻響曲線等進行綜合分析，判斷變壓器繞組是否存在變形故障，必要時進行吊罩檢查和大修，避免重大事故的發生。4.5改善變壓器運行條件

通過改善變壓器運行條件,可減少外部短路對變壓器的沖擊，如：加強變壓器出口側絕緣防護，母排采用絕緣熱縮材料包封，外絕緣采取防污措施，防止污閃事故和小動物危害的發生；加強繼電保護裝置的維護，在保證保護動作正確性和選擇性前提下，盡可能縮短保護動作整定時間；對于新建、改建項目，在10 kV、35 kV系統可采用小電阻接地方式，系統發生單相接地故障時，零序電流保護迅速動作跳閘，避免發展成相間短路故障，減少對變壓器的沖擊。

5 結束語

通過對兩臺110 kV變壓器低壓繞組故障的分析，變壓器抗短路能力不足是造成繞組變形故障的主要原因。制造廠要從設計和制造工藝上提高變壓器抗短路能力，并開展變壓器短路試驗。用戶單位要把住設備選型關，改善變壓器運行條件，定期開展預防性試驗、變壓器油色譜分析和繞組變形測試，確保變壓器安全穩定運行。

[1]GB1094.5-2003，電力變壓器承受短路的能力[S].

[2]GB/T6451-2008，油浸式電力變壓器技術參數及要求[S].

[3]施廣宇，蔣良勝.電力變壓器短路損壞分析[J].福建電力與電工，2006，26（1）：3-6.

[4]吉亞民，張霽.變壓器承受短路能力核算和繞組變形測試[J].變壓器，2008，45（3）：56-58.

Analysis and Countermeasures for Faults in 110 kV Transformer Winding

CHEN Xiaohong
(Energy and Power Center of Xichang Steel and Vanadium Co.,Ltd.,Pangang Group,Xichang,Sichuan 615032,China)

The causes of winding deformation of the two 110 kV transformers at Xichang Steel were analyzed,technical measures to improve the ability of the transformers to withstand short circuit were taken and countermeasures for preventing deformation of the windings in transformer were put forward.

transformer;winding deformation;analysis;countermeasure

TM41

B

1006-6764(2015)09-0001-02

2015－04－20

陳曉宏(1970－)，男，大學本科學歷，高級工程師，現從事電氣運行管理研究工作。