某220 kV變壓器短路損壞的原因分析

滑 勉，盧洪寶，李新星

（國網山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

電網容量日漸增大，近區短路故障產生的后果越來越嚴重，特別是低壓側近區短路會導致抗短路能力不足引起的變壓器燒損。當前生產的變壓器低壓繞組多采用半硬自粘換位導線來提高抗短路能力，但由于設計、材質、工藝等問題，事故仍然時有發生，且損壞部位多為S彎處[1-3]。

1 事故簡介

某站220 kV主變2011年出廠，型號SSZ11-180000/220，接線組別YNynOd11，電壓比220±8×1.25%/115/37。短路阻抗，高壓—中壓14.13%，高壓—低壓24.74%，中壓對低壓8.04%。鐵芯為三相五柱式，低壓側采用自粘換位導線。高壓、中壓、低壓線圈均采用硬紙筒，線圈的撐條為32等分。

35 kVⅡ段母線近區短路后，43.840 s主變保護CSC-326B差動保護動作，比率差動C相出口；43.861 s比率差動B相出口；43.870 s2號主變三側202、102、402斷路器跳閘（故障電流15.21 kA（一次））、位置由合到分；44.000 s，“壓力突變跳閘”、“本體重瓦斯跳閘”、“非電量跳閘”。

2 現場試驗

2.1 絕緣油色譜分析

采集主變油樣，進行絕緣油色譜試驗，三比值法分析數據1∶0∶2，判斷為內部電弧放電，數據見表1。

表1 絕緣油色譜試驗結果 μL·L-1

表2 低壓側直流電阻試驗結果

2.2 電氣試驗分析

主變保護動作跳閘后，依次進行直流電阻、變比、繞組變形、低電壓短路阻抗試驗，因下雨未進行絕緣項目。

2.2.1 直流電阻試驗

高壓、中壓側直流電阻合格，三相互差最大0.5%。低壓側直流電阻三相互差超過Q/GDW1168—2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》中的線間1%（注意值）、相間2%（警示值）的規定，數據見表2。

2.2.2 變比試驗

根據Q/GDW1168—2013，初值差不超過±0.5%（額定分接位置）；±1%（其他） （警示值）。高壓/中壓、中壓/低壓的變比均不合格。使用保定奧科8900變比測試儀，其對“錯誤”的說明：高低壓測試線接反、短路、相序接錯等過電流保護。更換其他廠家的儀器后，變比測試值基本相同。

表3 變比試驗結果

2.2.3 繞組變形試驗

高壓、中壓三相波形基本吻合，波峰、波谷的位置和數量一致性較好，判斷無明顯變形，但波形有毛刺，如圖1所示。

低壓三相波形有明顯偏差，判斷可能存在明顯變形。波形有毛刺，如圖2所示。

圖1 高壓繞組頻響變形圖譜

圖2 低壓繞組頻響變形圖譜

2.2.4 低電壓短路阻抗試驗

高壓—低壓短路阻抗初值差為-0.61，合格。高壓—中壓、中壓—低壓短路阻抗初值差分別為-1.70%、5.35%，不滿足Q/GDW1168—2013中“容量100 MVA以上或電壓等級220 kV以上的變壓器，初值差不超過±1.65%”的規定。

綜合分析，判斷低壓c相繞組電弧放電、明顯變形，并聯導線中部分已燒斷。

3 解體檢查

變壓器返廠解體檢查，C相鐵芯上部壓板、導油孔處有碳化物。高壓、中壓繞組外觀正常，繞組套裝緊實、撐條排列整齊。

低壓繞組a相、b相正常，c相外紙筒有碳黑痕跡。c相中部的3個區域導線局部燒斷并散開，均發生在導線換位處（S彎），換位墊條被擠變形，如圖3、4、5所示。損壞區域的導線有不同程度的燒熔、散開現象，如圖6所示。

圖3 第一處S彎處損壞

圖4 第二處S彎處損壞

圖5 第三處S彎處損壞

圖6 散股、燒熔的換位導線

4 分析與探討

4.1 損壞區域均為S彎處

本次短路故障時間約為83 ms，短路容量僅為GB 1094.5規定的70%左右，變壓器即發生了損壞，表明實際抗短路能力與設計水平不符。廠家進行檢測發現低壓c相導線自粘強度明顯低于a相、b相，自粘強度（N/mm2）分別為：a相13.79、b相9.12、c相上部7.47、c相中部3.73、c相下部6.66，因此廠家認為抗短路能力不足的原因為自粘換位導線質量不佳。

對此認知，有待商榷，主要基于以下幾方面考慮。

a）同批三相低壓繞組所用導線只有繞制在c相中部的一段質量不佳，這種情況的概率過小。

b）c相中部的導線在高溫作用下熱粘合縮醛材料可能碳化失效，使得檢測結果偏低。

c）S彎處的導線散股可能是因粘結不佳，也可能是高溫使熱粘合縮醛材料失效，在電動力作用下才引起的散股。

自粘換位導線質量不佳，更可能的情況如文獻[4]所述，在軸向出現較大面積的變形。因此，應該更進一步探討損壞區域集中在S彎處的原因。

真正意義上的換位，指線圈為多根導線并繞時，為使每一根并聯導線接收的磁通均等，在繞制過程中把輻向上不同位置的導線進行位置對換，對換的過程就是換位。實際中，通常把線餅間的導線過渡也稱換位。本事故中的變壓器低壓側采用單根自粘換位導線連續式繞制，所指的S彎換位為后一種。換位導線厚度較大，如采用整數匝，換位處將超高很多，因此線餅只能采用分數匝，同時為了外觀整齊、繞組緊實，用楔形墊塊將S彎處下方空缺的導線填平。繞組為S彎處損壞，主要有以下幾點原因。

a）墊塊質量[2，3]。S彎處的墊塊松動，在短路電流電動力作用下脫落、移位、分層，未能起到換位處的軸向支撐作用，反而與導線劇烈摩擦，損壞絕緣導致匝間短路。

b）自粘換位導線的處理溫度。熱粘合縮醛漆包銅扁線紙包CTC，即在單根漆包扁銅線外再涂一層0.02～0.06 mm的自粘環氧樹脂漆膜。當變壓器繞組使用這種導線后，在繞組正常干燥的同時，其導線可牢固地相互粘結在一起，從而提高了導線整體的機械強度，其抗彎能力約為普通非自粘CTC的5倍以上。其粘合強度除了自粘環氧樹脂漆本身外，主要取決于所用自粘漆的再軟化溫度。處理溫度過高或過低時，粘合強度急劇下降。一般換位導線用自粘漆的熱處理溫度不能高于120℃[5]。

c）自粘換位導線的粘合強度。粘合強度是自粘換位導線的重要指標，有的廠家是將熱處理后的待測樣品冷卻至室溫再進行檢測。變壓器短路時的繞組溫度可以達到100℃甚至更高。溫度對粘合強度有很大的影響，超過某值后溫度升高，粘合強度明顯降低，室溫時的粘合強度不能代表高溫油浸時的粘合強度[6]。

d）自粘換位導線的溫升。據文獻 [7]計算結果，短路后油道墊塊處導線上、下兩端面不能散熱，低壓繞組在墊塊處的溫度約為261℃、其他部位導線溫度約為118℃，考慮到導線的熱傳導作用，實際溫度可能會稍低。在楔形墊塊處散熱不良，也存在同樣的問題，即短路后S彎處的溫度遠高于其他部位的溫度，自粘換位導線在此高溫下可能已經喪失粘合作用。而GB 1094.5—2008《電力變壓器第5部分：承受短路的能力》只規定90℃時的粘合強度為5 MPa，未規定繞組短路時S彎換位處高溫下的粘合強度。

目前使用紙絕緣的換位導線較多，但是絕緣紙不會完全沿著銅導線的輪廓線，導致最內層紙和導線之間形成油隙，有兩個缺點：一是減小了繞組中導線的冷卻油通道；二是增加了銅導線和油之間的熱梯度。為了消除油隙，制造廠家采用網套絕緣的換位導線[8]，它是用聚酯纖維和玻璃纖維混紡線構成的，呈網狀，將其覆蓋在換位導線上，通過網孔使冷卻油能直接與漆包銅線相接觸，改善了導線和油之間的熱交換，從而消除了繞組中存在失控熱點的可能性。同時，換位導線的絕緣厚度一般比較薄，所以具有良好的散熱性，即具有較高的熱穩定性。

e）繞制工藝不佳。在換位處上、下線餅的輻向高度要相等，不能出現爬坡[9]，否則在換位處不是軸向豎直受力，輻向更易失穩、擠壓楔形墊塊與撐條。

圖7 損壞S彎處的結構、工藝

經檢查變壓器監造報告，繞組干燥過程正常，且三相繞組同時干燥，排除固化溫度、時間的影響。綜合分析此次變壓器事故的原因如圖7所示，S彎處的墊塊采用若干絕緣紙條疊加后手工裁剪成楔形，較易松動、分層，未能起到有效的支撐作用，反而在軸向壓力、環形壓縮應力的作用下與導線劇烈摩擦，絕緣紙破裂、碳化、燒損；S彎處較長距離無油隙，散熱不佳，短路時局部溫度高，自粘換位導線喪失粘合作用，同時導線硬度降低，更易失穩；還可能存在換位處軸向高度不等的工藝問題，三者作用下S彎處匝間絕緣燒損、變形。

其他廠家S彎的結構、工藝如圖8所示。換位S彎不進墊塊，且和墊塊邊緣保持一定的距離[10]。這種結構則不易出現上述問題。

圖8 其他廠家S彎處的結構、工藝

4.2 高壓/中壓變比試驗的錯誤數據

高壓、中壓繞組解體后的的直阻、變比試驗及檢查均合格。但現場高壓、中壓直阻合格，高壓/中壓變比試驗不合格。分接頭1—13的過程中，高壓/中壓的變比規律性地減小，與正常時的變化趨勢一致。AB/AmBm、BC/BmCm變比值一致、較正常值略大；CA/CmAm變比值誤差最大，原因為變壓器低壓c相損壞，直阻試驗時數據不穩、測試時間長，導致鐵芯剩磁大，而后開展的變比試驗施加的電壓較小，剩磁影響下使變比試驗出現誤差[11]。分接頭13—17的過程中，高壓/中壓的變比“錯誤”，原因可能為此時低壓側感應的電壓升高，匝間短路處連通形成閉合的短路環，產生環流，儀器輸出的電流變大超過其限定值，使之不能正確測量。中壓/低壓的變比“錯誤”也是由此原因導致。

因此，變壓器短路沖擊后的變比試驗應在直阻試驗前進行。正常例行試驗時直阻穩定快、測試時間短，鐵芯剩磁的問題要少。另外，高壓頻響法的波形有毛刺，也是由于剩磁的影響[11]。

5 預防措施

a）S彎處考慮采用經過密化處理的楔形墊塊，擠壓作用下不易分層。墊塊的尺寸、形狀應保證與導線S彎的面良好接觸。加強S彎處的絕緣。

b）計算熱穩定時，考慮S彎處不易散熱的影響，單獨計算S彎處短路時的溫度。適當降低電流密度，減小繞組溫升。

c）加強自粘換位導線的進廠檢測，明確S彎處高溫下的粘合強度。

d）考慮采用網套絕緣的換位導線，加強導線散熱能力，相比紙絕緣耐熱、耐磨性能更好。

e）優化設計，調節安匝平衡，減少漏磁，削弱短路時的繞組受力。

f）提高、改進繞組裝配、繞制工藝。

g）通過適當提高變壓器繞組的短路阻抗值、低壓側加裝限流電抗器，限制短路電流。

h）提高變壓器運維水平，特別是開展低壓側開關柜帶電檢測，防止近區短路。

i）變壓器短路沖擊后，變比、繞組變形等試驗應在直阻試驗前進行。

6 結束語

提高變壓器抗短路能力，應單獨計算繞組S彎處的溫升，并進行S彎處高溫下自粘換位導線的動、熱穩定與粘合強度校核，對相對薄弱的S彎處應采取專門的措施。建議在相關標準中予以規定，減少此類問題的發生。