變壓器一次合閘送電不成功分析與處理

康曉義，李 剛，陳昌山，李 欣，郭克敏

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

0 引言

某蓄能電站裝備4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量1 200 MW，屬日調節純抽水蓄能電站，4臺500 kV變壓器分兩個單元以角形接線形式通過一回線路接入電網。該電站變壓器在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。

該電站在一次主變檢修后發生了一起變壓器一次送電不成功事件。從勵磁涌流的形成和特性展開論述，闡述了變壓器剩磁對變壓器合閘送電的影響，進而鎖定故障原因。

1 變壓器勵磁涌流的形成與特點

1.1 變壓器勵磁涌流的形成

變壓器內部的繞組和鐵芯是儲存磁場能量的元件，因此變壓器在空載合閘瞬間，電流從零開始到建立起正常空載電流，即變壓器磁能從零開始到具有正常的磁能，使能量發生了變化。由于電路的能量不能突變，因此需要經歷過渡過程，然后才能到穩定空載運行狀態。變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復過程中，特別是在電壓為零時刻合閘時，伴隨著變壓器磁通變化的過渡過程，由于鐵芯飽和而產生很大的空載合閘電流，這個過渡過程中的電流就稱為勵磁涌流。勵磁涌流值可達正常空載電流的50～80倍，可達額定電流的5～8倍。

1.2 勵磁涌流特性分析

設變壓器剩磁通為Φs。在穩態工作情況下，鐵芯中的磁通滯后于外加電壓90°。如果空載合閘時，正好在電壓瞬時值U=0時接通電路，則鐵芯中應該具有磁通-Φm，但是由于鐵芯中磁通不能突變，因此將出現一個非周期分量的磁通，其幅值為+Φm。這樣在經過半個周波以后，鐵芯中的磁通就達到2 Φm+Φs。此時變壓器的鐵芯嚴重飽和，勵磁電流將急劇增大，勵磁涌流中包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。綜上分析，關于勵磁涌流的特性分析，得出以下幾個結論。

(1) 影響勵磁涌流大小的因素主要為變壓器合閘時的相位(合閘角)和鐵芯的剩磁兩個方面。剩磁有可能增大勵磁涌流。

(2) 勵磁涌流會逐漸衰減，根據有關資料研究，由于繞組電阻r1的存在，合閘電流將逐漸衰減，一般是小容量變壓器衰減快。對于一般的中小型變壓器，勵磁涌流經過0.5～l s后其值不超過額定電流的0.25～0.5倍；大型電力變壓器勵磁涌流的衰減速度較慢，衰減到上述值時約需2～3 s。這就是說，變壓器容量越大衰減越慢，完全衰減需經過幾十秒的時間。

(3) 根據勵磁涌流波形分析其具備的特點：包含有很大的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸一側(第一象限或第四象限)；包含大量的高次諧波分量，而以二次諧波為主。

此外需要特別注意三相變壓器合閘時的勵磁涌流。在三相變壓器中，由于三相電壓彼此互差120°，因此合閘時總有一相電壓的初相角接近于零，所以總有一相的合閘電流較大。

2 故障經過及分析處理

某電站在完成3，4號主變檢修后開展送電操作過程中，執行至合5013開關時，5013開關合閘后立即跳開，現地操作人員反饋在3，4號主變觀察主變送電時，合閘瞬間4號主變有較3號主變發出較大的異常聲響，監控報警信息顯示，4號主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV動作。

2.1 問題初步排查

現地檢查開關站500 kV設備保護動作情況：500 kV線路保護、5011/5012/5013開關保護均未動作，5013開關分相操作箱跳5013開關三相指示燈亮，5013開關三相均在分位。

地下廠房3，4號主變保護動作情況：3主變保護裝置未動作，4號主變保護裝置未動作，3主變非電氣量保護繼電器001XV未動作，4號主變非電氣量保護繼電器001XV動作。

隨后對4號主變非電氣量保護繼電器001XV各回路開展排查，以下任一條件滿足均可導致主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV動作。

(1) 主變保護裝置看門狗故障。

(2) 勵磁變溫度跳閘。

(3) 主變消防動作。

(4) 主變高壓側刀閘位置不一致。

(5) 跳閘繼電器001XV誤動。

(6) 主變重瓦斯保護動作。

根據圖紙，專業人員對回路的絕緣性能、端子情況、寄生回路情況逐一進行排查，同時對各裝置部件整定情況、變壓器外觀、變壓器油色譜情況、瓦斯繼電器情況、勵磁變情況等進行檢查，過程中除了發現4號主變重瓦斯保護上送監控報警回路端子松動外，未發現其他任何異常；考慮到電氣保護均無動作，且瓦斯繼電器內無氣體集聚，初步推斷故障原因為變壓器重瓦斯保護誤動所致。

2.2 故障錄波數據分析

調取故障錄波裝置中4號主變高壓側電流波形，可以看出其電流波形具備以下幾個特點：

(1) 5013開關跳閘后4號主變高壓側A相電流最大，二次電流值0.621 A，電流互感器變比為1 250/1，折算到一次側電流為776.25 A (4號變壓器高壓側額定電流為396 A，空載電流為0.07 %)。根據計算結果，此次5013開關合閘4號主變產生了1.96倍額定電流，形成了較大的沖擊電流。

(2) 4號主變合閘后高壓側電流波形中直流分量較大，其中基波分量約為0.616 A，直流分量約為0.628 A，直流分量為基波分量的1.02倍，電流波形包含了很大的非周期分量。

(3) 變壓器A相電流波形偏于時間軸第一象限，B/C相電流波形偏于時間軸第四象限。

(4) 高次諧波分量中以二次諧波為主。

2.3 故障原因確認和處理

2.3.1 故障原因確認

根據跳閘過程變壓器高壓側電流波形分析，比對1.2節論述中勵磁涌流的特性，該次變壓器送電合閘失敗的原因應是4號主變壓器合閘瞬間形成的勵磁涌流過大導致。基于以上分析，進一步了解發現該電站在完成了變壓器預防性試驗后開展了送電操作，最后試驗項目為變壓器直流電阻測試，在試驗過程中由于試驗人員為趕時間，將試驗電流由5 A，調整為20 A，由于選取電流較大，測試時間比較長，雖然測試裝置具有消磁功能，但僅為一次操作且不是專用消磁儀，還是造成了變壓器繞組中出現大量剩磁，導致變壓器充電時在剩磁作用下主變鐵芯飽和從而產生較大的勵磁涌流和較大的電動力，引起主變線圈、器身振動形成油流涌動，致使變壓器內部的油液面波動增大，最終導致4號主變重瓦斯保護動作引起主變一次送電失敗。

所以變壓器合閘瞬間產生的勵磁涌流導致該次主變一次送電不成功的直接原因，而變壓器修后直流電阻試驗的不規范操作是導致故障的根本原因。

2.3.2 故障處理

基于原因分析，該電站對主變進行重新消磁處理，查詢有關資料采取消除剩磁的措施有以下幾個。

(1) 在變壓器高壓繞組兩端正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵芯的磁滯回環，達到消除剩磁的目的。

(2) 提高鐵芯的環境溫度，加速鐵芯材料的分子熱運動，使有序排列的磁極重新紊亂，達到消磁的目的。

(3) 發變組零起升壓方式消磁。

(4) 降低電壓等級的外加交流消磁。即用一個低于變壓器額定電壓的交流電源給變壓器空載充電，這種方式適合于普通的變電所變壓器。

綜合現場條件情況，該電站最終選擇在主變低壓側使用“TD-6910變壓器消磁及驗證裝置”分別對ab，bc，ca三相進行消磁，該裝置采用先進的電源控制及測量技術，不僅快速對電力變壓器進行消磁，還具有消磁驗證的功能，對保護電力變壓器免受勵磁涌流沖擊和安全投運有重要作用。該次消磁過程中施加220 V AC電壓、1 A電流，直至消磁進度達到100 %，消磁完成。重新對變壓器開展送電操作，變壓器一次送電成功，該次故障消除。

3 結論

該次故障暴露了以下兩個問題。

(1) 檢修中對重瓦斯繼電器報警回路檢查不仔細，導致重瓦斯動作后監控無報警信息，對故障分析處理造成了困難。

(2) 運維及試驗人員對試驗可能導致的變壓器剩磁認識不足，試驗操作不夠規范。

為避免類似情況發生，應做好以下幾點。

(1) 細化變壓器非電氣量保護檢修作業項目，進一步規范作業驗收流程，確保各跳閘及報警回路正常。

(2) 進一步規范變壓器試驗工序，對可能造成變壓器鐵芯剩磁的試驗應專門消除剩磁。

(3) 針對變壓器剩磁和勵磁涌流問題，對運維人員開展專項理論和實踐技能培訓，以提升運維人員素質。