一起220 kV變壓器繞組變形故障分析

華德峰，卞超，甘強(qiáng)，吉亞民

（江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

故障診斷與檢修策略

一起220 kV變壓器繞組變形故障分析

華德峰，卞超，甘強(qiáng)，吉亞民

（江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

繞組變形是變壓器發(fā)生近區(qū)短路時(shí)損壞的主要原因。江蘇電網(wǎng)220 kV變壓器多采用自耦結(jié)構(gòu)，早期的變壓器阻抗值選擇較低，抗短路能力較差，在近區(qū)短路時(shí)容易發(fā)生繞組變形故障，造成變壓器突發(fā)故障。文中對(duì)一起220 kV自耦變壓器繞組變形故障進(jìn)行分析，提出變壓器發(fā)生繞組變形的判據(jù)；通過(guò)解體分析驗(yàn)證了低電壓短路阻抗測(cè)試、電容量及介損等測(cè)試方法對(duì)于判斷變壓器繞組變形判斷的有效性；對(duì)發(fā)生近區(qū)短路后的變壓器提出診斷的方法，確保變壓器安全運(yùn)行。

自耦變壓器；近區(qū)短路；繞組變形

截止2014年7月，江蘇電網(wǎng)正在運(yùn)行的220 kV變壓器830臺(tái)，其中自耦變壓器696臺(tái)，占總數(shù)的83.9%。2013至2014年期間，江蘇電網(wǎng)共發(fā)生變壓器損壞案例8起，其中繞組變形3起，自耦變壓器6臺(tái)。因自耦變壓器自身結(jié)構(gòu)的特殊性，在發(fā)生近區(qū)短路時(shí)損害的幾率較三繞組變壓器高，因此研究自耦變壓器發(fā)生繞組變形的判據(jù)對(duì)于確保江蘇電網(wǎng)正在運(yùn)行的變壓器安全具有現(xiàn)實(shí)的意義。相關(guān)工程實(shí)踐表明，采用低電壓短路阻抗測(cè)試結(jié)合變壓器電容量測(cè)試等試驗(yàn)方法可以有效地對(duì)變壓器的繞組變形情況進(jìn)行評(píng)估。

1　變壓器故障簡(jiǎn)述

2014年5月10日05：56時(shí)，某220 kV變電站110 kV出線零序Ⅰ段、距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)開(kāi)關(guān)，重合不成。保護(hù)裝置顯示C相故障，故障電流7.83 kA，故障測(cè)距1.6 km。隨后，2號(hào)主變“輕瓦斯動(dòng)作”告警。

變壓器主要參數(shù)為：產(chǎn)品型號(hào)OSFPS7-180000/220，電壓組合220±2×2.5%/121/38.5 kV，連接組別YNa0yn0+d，生產(chǎn)日期1993年5月31日。

對(duì)2號(hào)主變及故障線路二次回路進(jìn)行檢查未見(jiàn)異常，檢查2號(hào)主變瓦斯繼電器內(nèi)發(fā)現(xiàn)有氣體。對(duì)2號(hào)主變進(jìn)行油色譜分析，發(fā)現(xiàn)油中乙炔含量從0增長(zhǎng)至32 μL/L，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。該變壓器于2014年4月例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　故障變壓器絕緣油色譜分析數(shù)據(jù)μL/L

表2　故障變壓器絕緣油色譜上次例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)μL/L

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)，初步判斷變壓器內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷；為防止變壓器缺陷進(jìn)一步發(fā)展，向調(diào)度申請(qǐng)緊急停用該變壓器。

2　電氣試驗(yàn)檢查情況

2.1低電壓短路阻抗測(cè)試情況

因變壓器投運(yùn)時(shí)間較早，未開(kāi)展頻率響應(yīng)法繞組變形測(cè)試，因此采用單相低電壓短路法進(jìn)行繞組變形測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　故障變壓器單相低電壓阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

取歷次例行試驗(yàn)值為縱向比較初值，高—中短路阻抗C相與歷史數(shù)據(jù)比較差值為6.61%，高—低短路阻抗C相與歷史數(shù)據(jù)比較差值為-9.79%，中—低短路阻抗C相與歷史數(shù)據(jù)比較差值為-21.13%，均超過(guò)規(guī)程要求。對(duì)變壓器三相之間進(jìn)行橫向比較，高—中短路阻抗三相互差8.20%，高—低短路阻抗三相互差8.15%，中—低短路三相互差阻抗-16.32%。

2.2繞組連同套管電容量測(cè)試情況

故障變壓器的電容量及介損試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。其試驗(yàn)方法均為反接法，取歷次例行試驗(yàn)值為縱向比較初值。

表4中，分析電容量及介損測(cè)試結(jié)果：平衡繞組對(duì)其他繞組及地的電容量未見(jiàn)明顯變化；高壓—中壓繞組對(duì)其他繞組及地電容量與歷史值比較相差1620 pF；低壓繞組對(duì)其他繞組及地電容量與歷史值比較相差1694 pF；2者變化絕對(duì)值基本相等，可以判斷為電容量的變化主要是由于2個(gè)繞組之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，而繞組對(duì)鐵心及上下軛鐵之間的位置沒(méi)有明顯變化。故障變壓器直流電阻和絕緣電阻測(cè)試均無(wú)異常。

表4　故障變壓器的電容量及介損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　故障變壓器繞組變形分析

變壓器短路強(qiáng)度問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)、外變壓器制造業(yè)十分關(guān)注的科研課題。變壓器在短路狀態(tài)下，將產(chǎn)生強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)與短路沖擊電流的相互作用，使繞組受到很大的沖擊電動(dòng)力。軸向沖擊電動(dòng)力使繞組產(chǎn)生軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和彎曲；輻向沖擊電動(dòng)力使外繞組受到沿徑向的張力，而內(nèi)繞組受到沿徑向的壓力。大量短路事故分析表明，大容量變壓器發(fā)生繞組變形時(shí)，內(nèi)繞組輻向失穩(wěn)問(wèn)題最為嚴(yán)重［1，2］。

變壓器同心布置的每2個(gè)繞組之間都存在一定的漏電感Lk，分別與這2個(gè)繞組相對(duì)距離ΔR和這2個(gè)繞組的高度的算術(shù)平均值H有關(guān)，Lk與ΔR是增函數(shù)；Lk與H近似成反比。顯然，這對(duì)繞組中任何一個(gè)繞組的變形、位移必定會(huì)引起Lk的變化。變壓器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，三相的參數(shù)基本平衡，其中一相繞組出現(xiàn)變形，將導(dǎo)致三相之間出現(xiàn)偏差；變壓器一旦制造成型，固有參數(shù)Lk不會(huì)發(fā)生變化，一旦某一繞組出現(xiàn)變形，將會(huì)導(dǎo)致與歷史測(cè)試值出現(xiàn)偏差［3，4］。漏磁通回路中非鐵磁性材料（油、紙、銅等）占磁路長(zhǎng)度的多半以上，其磁導(dǎo)率僅為硅片的萬(wàn)分之五左右，且磁阻是線性的，因此磁壓的99.9%以上降在非磁性材料上。因此可以認(rèn)為L(zhǎng)k在電流從0到短路電流的范圍內(nèi)都可以認(rèn)為是線性的。采用低電壓短路阻抗測(cè)試與短路電流測(cè)試的結(jié)果是等效的。

故障變壓器鐵心結(jié)構(gòu)為三相三柱式，繞組由內(nèi)及外排列順序?yàn)槠胶饫@組—低壓繞組—中壓繞組—高壓繞組。根據(jù)電容量測(cè)試的結(jié)果分析：中壓繞組與低壓繞組之間幾何尺寸發(fā)生改變；低壓繞組和平衡繞組之間幾何尺寸未發(fā)生改變；平衡繞組與低壓繞組和鐵心之間幾何尺寸未發(fā)生改變。初步判斷變壓器低壓繞組及平衡繞組未發(fā)生明顯繞組變形，中壓繞組發(fā)生繞組變形，高壓繞組是否發(fā)生變形有待進(jìn)一步確認(rèn)。

低電壓短路阻抗的測(cè)試結(jié)果表明，A相、B相3種繞組對(duì)組合形成的阻抗對(duì)無(wú)明顯差異；C相3種繞組對(duì)組合形成的阻抗均存在明顯差異。由此判斷，繞組變形發(fā)生在C相，A相、B相無(wú)明顯變形。三組繞組對(duì)組合中，C相中壓—低壓阻抗變化最為明顯為負(fù)偏差，表明C相中壓線圈與低壓線圈之間的幾何距離減小；C相高壓—中壓阻抗變化為增大，表明C相高壓線圈和中壓線圈之間的距離增大；由于變壓器結(jié)構(gòu)為自耦變，高壓繞組與中壓繞組之間不但有磁的聯(lián)系，同時(shí)也存在電的聯(lián)系，C相高壓—低壓阻抗變化為負(fù)偏差，也反映了C相中壓線圈與低壓線圈之間的幾何距離增大。C相繞組直流電阻測(cè)試無(wú)異常，表明C相繞組未發(fā)生明顯匝間短路、線圈斷股脫焊等故障。

絕緣油色譜分析，特征氣體中包含乙炔，表明變壓器內(nèi)部出現(xiàn)電弧性放電，CO，CO2含量與歷次試驗(yàn)無(wú)明顯差異，表明電弧放電對(duì)紙絕緣的損傷不重。介質(zhì)損耗角測(cè)試數(shù)值和絕緣電阻測(cè)試數(shù)值與歷史數(shù)值無(wú)明顯差異，表明變壓器中發(fā)生的電弧放電未導(dǎo)致絕緣油整體裂化，放電未在油中產(chǎn)生大量游離碳。

綜合以上分析，故障變壓器C相發(fā)生繞組變形，C相低壓線圈未發(fā)生明顯變形；C相中壓線圈發(fā)生輻向變形，線圈向內(nèi)緊縮，導(dǎo)致中低壓線圈之間距離縮小，高中壓線圈之間距離增大。

4　故障變壓器解體分析

對(duì)故障變壓器進(jìn)行返廠解體分析，吊罩檢查，變壓器整體外觀良好，C相線圈底部綁扎帶在連接處松脫。如圖1所示。

圖1　故障變壓器C相線圈底部綁扎帶脫落

在C相線圈上部的上鐵軛處，有一段間等電位連接片燒斷，相應(yīng)的上鐵軛表面受到了電弧灼傷。如圖2所示。

圖2　故障變壓器上鐵軛表明電弧灼傷

拔出高壓線圈后，看到C相中壓線圈在對(duì)應(yīng)高壓線圈分接引出線位置，從上到下出現(xiàn)寬15 cm的鼓出變形，其外部圍屏受力撐裂。如圖3所示。

圖3　故障變壓器C相中壓線圈變形情況

C相中壓線圈的另一側(cè)有一處輕微凹陷，線圈內(nèi)側(cè)嚴(yán)重變形。如圖4所示。

圖4　故障變壓器C相中壓線圈變形情況

C相低壓線圈在變形對(duì)應(yīng)處有明顯受擠壓痕跡，該處墊塊受壓后與低壓繞組表面平齊，低壓繞組表面有輕微內(nèi)凹痕跡。如圖5所示。

圖5　故障變壓器C相低壓線圈輕微變形

綜合解體分析情況，變壓器內(nèi)部解體分析結(jié)果與電氣試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，故障變壓器高壓線圈、低壓線圈未見(jiàn)明顯變形；中壓線圈輻向變形嚴(yán)重，匝間未形成明顯短路；絕緣油中出現(xiàn)乙炔的原因?yàn)椋儔浩靼l(fā)生短路時(shí)，漏磁嚴(yán)重，鐵心片、段之間出現(xiàn)電位差，等電位連片中通過(guò)電流，導(dǎo)致連接片燒毀，高溫引發(fā)油中出現(xiàn)乙炔等特征氣體。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）變壓器在安裝完成后，應(yīng)開(kāi)展低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)法繞組變形測(cè)試，為變壓器運(yùn)行中是否發(fā)生繞組變形提供“指紋”。

（2）變壓器低電壓短路阻抗測(cè)試能夠有效地判別變壓器是否出現(xiàn)繞組變形，測(cè)試方法的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合絕緣油色譜分析、電容量及介損測(cè)試、直流電阻測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、頻率響應(yīng)法繞組變形測(cè)試開(kāi)展，對(duì)變壓器的狀況進(jìn)行綜合判斷。

［1］孟慶民，陳玉紅，珞君婷，等.大容量變壓器內(nèi)繞組輻向失穩(wěn)特性的模擬研究［J］.變壓器，2010，47（4）：32-39.

［2］辛朝輝，鐘俊濤，傅鐵軍，等.大容量變壓器內(nèi)繞組短路強(qiáng)度研究［J］.變壓器，2009，46（8）：39-42.

［3］中華人民共和國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).DL/T 1093—2008電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則［S］.北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2008：4-5.

［4］王峰，王春寧.基于辨識(shí)模型的變壓器故障診斷方法研究［J］.江蘇電機(jī)工程，2010，33（1）：26-29.

Analysis of 220 kV Transformer Winding Deformation

HUA Defeng，BIAN Chao，GAN Qiang，JI Yamin
（Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company，Nanjing211102，China）

Winding deformation is the main reason of transformer short circuit which results in damage.In Jiangsu province，the 220 kV auto-transformers are commonly used in the 220 kV power grid.The low impedance value and poor anti-short circuit ability of earlier transformers may result in winding deformation fault and unexpected accident.This paper analyzes a fault of 220 kV autotransformer winding deformation and thus proposes a criterion for judging transformer winding deformation.The disintegration analysis of transformer winding proves that the comprehensive analysis method that combing the low-voltage short-circuit impedance test and the capacity and dielectric loss test is effective.A new way to diagnose transformer winding deformation is proposed to ensure safe and stable operation of transformers.

autotransformer；short circuit of district nearby；winding deformation

TM407

B

1009-0665（2015）02-00015-03

2014-10-28；

2014-12-06

華德峰（1976），男，江蘇無(wú)錫人，工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)研究工作；

卞超（1978），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)研究工作；

甘強(qiáng)（1978），男，重慶人，高級(jí)工程師，從事電氣試驗(yàn)及高電壓與絕緣技術(shù)研究工作；

吉亞民（1972），男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)研究工作。