一起500kV主變壓器非典型故障跳閘的原因分析及整改

高 明

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，佛山,528000）

0 引言

變壓器作為電力系統的核心電氣設備，特別是500kV大型變壓器對電力系統安全運行中起著至關

重要的作用，任何類型的變壓器故障跳閘都將給系統安全穩定運行造成很大威脅，同時也可能造成巨大的經濟損失。所以變壓器故障跳閘時必須進行全面細致的分析，準確找出故障原因，排除一切安全隱患，及時落實整改措施，確保變壓器及系統的安全穩定運行。

2013年8月3 日20時03分50秒，廣東某500kV變電站#1主變壓器B相差動保護動作，跳開#1主變三側開關，同時B相主變壓器起火。該臺變壓器是日本三菱公司2003年出廠的單相殼式自耦變壓器，單相額定容量為334/334/100MVA。故障發生后對變壓器內外部及相關一二次設備進行檢查，排除了變壓器外部接地短路、二次回路故障等問題。根據對B相變壓器返廠內部檢查，確認高壓側套管的套管屏蔽（均壓罩）下部有三處放電孔，高壓套管升高座處有放電痕跡。

1 套管升高座內部的放電痕跡分析

放電痕跡如圖1所示，共有5處，其中4處在套管升高座（箱壁），1處在均壓環。箱壁其中一處（圖2中的第4號）放電有較大范圍的痕跡，由高電壓側油中均壓罩放電損傷程度來推斷，第4號放電是接地側主要電流通過產生的痕跡。通過放大鏡對放電痕跡進行觀察，油箱表面有燒熔的跡象。

對油中均壓罩的放電痕跡進行再次確認，由于箱壁的放電痕跡存在散開的現象，分析認為是從油中均壓罩（放電的始發點）向箱壁（接地側）放電的。

圖 1 上部油箱內壁放電痕跡

圖 2 放電痕跡 擴大照片

2 套管升高座（上部油箱安裝側）以外的放電痕跡分析

在套管升高座（上部油箱安裝側）以外地方沒有發現放電痕跡，詳細如下：

（1）套管、套管升高座，有些已經燒損、有些沾著灰燼，都沒有發現放電痕跡。剝開高壓BCT被燒黑的棉帶、絕緣紙，也沒有發現放電痕跡。

（2）發現高壓套管的氣側膨脹室的瓷片側有壓痕，經確認并非燒熔痕跡。在所有引線位置處都沒有發現放電痕跡。殘渣和瓷片散亂在繞組線圈上部，但線圈和DTC都沒有大的損傷，也沒發現放電痕跡。由于起火燃燒導致油管的內壁的噴漆都剝落了，但也沒有發現放電痕跡。

3 變壓器鐵心解體和繞組解體

3.1 鐵心解體

(1) 在鐵心外觀有發現生銹，但是表面沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。生銹是由于事故時滅火水而發生的。

(2) 在鐵心解體中的鐵心外觀沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。

(3) 在箱部的電磁屏蔽，鋼材，楔等沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。

(4) 確認到下節油箱法蘭部分的涂裝剝落。

與外部火災損傷大的部位幾乎一致，認為是由于由于火災高溫造成剝落的。下節油箱底部和油箱電磁屏蔽沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。

3.2 相繞組解體

(1) 在低壓繞組群沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。(2) 在高壓、中壓繞組群也沒有發現放電痕跡和過熱痕跡等異常。

4 非故障的A、C相絕緣油中的異物分析

對A、C相的絕緣油(約500cc)用過濾網(4.5μm)過濾，對過濾回收物進行表面分析。檢出的成分盡是碳和氧，沒有檢測出鐵、鋁等金屬物。

變壓器使用的壓合板(絕緣件)、木材、棉布的纖維成分也僅是碳和氧，認為檢測出的是這些纖維。

只存在著非常細微的纖維狀物質和不能過濾回收的非常細微（未滿4.5μm）的金屬異物，沒有與事故相關的異物。

5 故障B相均壓球的檢查結果

用酒精擦拭表面的黑煙，對事故沒有造成損傷的部位進行以下的試驗、觀察。

(1) 涂裝粘附的試驗(基盤眼測試/2mm間隔) :結果良好，涂裝粘附性沒有問題。

(2) 用數碼顯微鏡進行表面觀察的結果、良好。涂裝沒有針孔等缺陷。

故均壓球沒有發現缺陷及長期老化的一切跡象。

6 電場分部圖分析

通過對FT圖進行分析，我們發現：

(1)油中均壓罩的表面電場強度比套管升高座的表面電場強度高。

(2)油中均壓罩的放電痕跡集中在比較狹小的范圍內的3個位置并擊穿形成了3個孔。

(3)套管升高座的放電痕跡分散在比較寬廣的范圍內。

上述原因導致高壓側油中均壓罩向套管升高座發生放電現象。

圖3 變壓器發生事故時的套管升高座內的電場分布

7 事故原因的推斷

事故發生時在運行電壓下油中均壓罩的最大電場強度如圖3所示為2.4kV/mm。這個數值比廠家油中均壓罩的電場強度設計標準值（AC5.4kV/mm）低許多。另外，該變壓器均通過了工廠的出廠試驗（運行電壓的2.2倍）以及現場試驗。并且在投運后的10年里應該經歷過雷電沖擊和操作沖擊，都沒有出現問題。而這次事故是在正常的運行電壓、低電場強度狀態下發生的。據此我們推斷可能的事故原因如下：

(1)可能油中混有幾百μm以上金屬異物，微小金屬異物（長度在幾百μm以上）和油中纖維粘附在一起。（以下稱混合異物）。

(2)混合異物借助上油流到達均壓球附近。

(3)由于浮力以及靜電力，混合異物吸附在均壓球附近。

(4)由于同樣的過程，混合異物積聚在均壓球附近。

(5)積聚到一定的量時，以至發生絕緣擊穿。

關于異物產生的放電，參考圖4和表1，分析得出：如沒有一定尺寸的金屬異物，是不會導致放電的。如果存在6mm左右長度的金屬異物，就有可能在常規電壓（電場強度2.4kV/mm）下導致放電。另外，數毫米大小的小金屬異物被電場吸附集中連成6mm左右長度的話，也有可能導致放電。

圖 4 試驗形態圖

表1.金屬異物的種類

圖 5 實施對策后的油中均壓罩

8 整改反措建議

（1）通過以上述試驗及推斷，筆者認為存在那樣大的和數量的金屬異物，而且與纖維異物纏繞，到達均壓球附近而導致異物放電，是極其罕見的。但是作為更一步提高可靠性的手段，為均壓罩加裝絕緣屏蔽是有效的。以往的套管屏蔽，只要不存在異物，就有充分絕緣耐力。但是加裝一層屏蔽，可使絕緣屏蔽表面電場減低到1.8kV/mm(-25%)。假定直徑0.1mm, 長1mm的鋁合金異物，在運行電場1.8kV/mm，向異物作用力為12.1μG，重力為14.3μG，所以異物不可能停留在套管屏蔽附近，放電的概率明顯地減少。一層絕緣屏蔽的措施是足夠的，建議作為恒久的對策。

此外，作為選擇對策，建議可用壓合板模鑄覆蓋兩層絕緣屏蔽且套管屏蔽表面。兩層絕緣屏蔽的構造時，兩層屏蔽表面電場降低到1.5 kV/mm。另外壓合板模鑄表面為2.3kV/mm。假定直徑0.1mm,長1mm的鋁合金異物，在運行電場1.5kV/mm，向異物作用力為8.8μG、重力為14.3μG，所以異物不可能停留在套管屏蔽附近。

（2）為確保變壓器內部不產生異物，建議實施上述對策的同時，為盡量降低變壓器內部的油中顆粒，在更換油中均壓罩后，應采用新的3μm的濾芯進行濾油處理。這樣的話，盡可能地減少油中顆粒，實現更為安全的變壓器運行。