一起換流變線端交流耐壓試驗(yàn)失敗的原因探析

馬明元

（1．保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056；2．河北省輸變電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 保定 071056）

1 產(chǎn)品信息

某臺(tái)±200 kV直流換流變壓器產(chǎn)品信息如下。1）產(chǎn)品型號(hào)。ZZDFPZ-4150000/500-200。2）名稱。單相、雙繞組、強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻、有載調(diào)壓、±200 kV直流換流變壓器。3）容量為415MVA。4）額定電壓：

5）冷卻方式為ODAF（強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷）。6）網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)接地方式為直接接地。7）調(diào)壓方式為網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)有載調(diào)壓。8）絕緣水平。換流變壓絕緣水平見(jiàn)表1，網(wǎng)側(cè)繞組為500 kV電壓等級(jí)，閥側(cè)繞組為±200 kV級(jí)。9）接線原理圖。接線原理圖如圖1所示，換流變壓器采用兩柱并聯(lián)強(qiáng)制分流結(jié)構(gòu)，采用中性點(diǎn)調(diào)壓，其中1.1（A）為網(wǎng)側(cè)首端，1.2（X）為高壓末端，2.1（a）、2.2（x）分別為閥側(cè)首、末端，采用正反調(diào)壓方式，1～15，21、22為調(diào)壓出頭。

圖1 接線原理圖

表1 繞組絕緣水平

2 問(wèn)題描述

該±200 kV直流換流變壓器在制造廠內(nèi)完成總成后，按照既定的試驗(yàn)大綱進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。如表1所示，網(wǎng)側(cè)繞組為500 kV級(jí)，線端交流短時(shí)感應(yīng)耐受電壓為680 kV。當(dāng)該產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，在網(wǎng)側(cè)1.1端子電壓升至600 kV，持續(xù)時(shí)間約3 s時(shí)，變壓器內(nèi)部出現(xiàn)異常聲響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)視的局部放電量超出標(biāo)準(zhǔn)；隨后進(jìn)行油色譜分析，發(fā)現(xiàn)含有乙炔，最終判定該產(chǎn)品絕緣試驗(yàn)不合格[1]。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)情況

按計(jì)劃網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)是第12項(xiàng)，之前11項(xiàng)試驗(yàn)，如溫升試驗(yàn)、閥側(cè)雷電沖擊試驗(yàn)、閥側(cè)外施操作沖擊試驗(yàn)以及網(wǎng)側(cè)雷電沖擊試驗(yàn)等都已完成，結(jié)果為合格，見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目

網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)出現(xiàn)異常聲響，局放儀表檢測(cè)的放電量超過(guò)6 000 PC。

取油樣化驗(yàn)，油色譜試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，其中乙炔含量為419 μL/L，初步判斷為紙絕緣擊穿故障。

表3 油色譜試驗(yàn)結(jié)果

3.2 進(jìn)一步驗(yàn)證

為了進(jìn)一步分析產(chǎn)品故障原因，隨后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了以下試驗(yàn)項(xiàng)目：1）測(cè)量各分接變比，結(jié)果無(wú)異常。2）測(cè)量繞組電容和介損，結(jié)果無(wú)異常。3）測(cè)量網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組的直阻，網(wǎng)側(cè)繞組直阻無(wú)異常；閥側(cè)繞組直阻較前期數(shù)值增大了約2.8%。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，初步判定閥側(cè)繞組出現(xiàn)了絕緣問(wèn)題。

4 解體檢查

為了確定故障點(diǎn)位置和性質(zhì)，需要對(duì)器身進(jìn)行解體。拔出線圈后，逐層拆除閥側(cè)線圈外部圍裹的紙板，發(fā)現(xiàn)閥側(cè)線圈外表有明顯的故障點(diǎn)，如圖2（a）所示。共查出2處故障點(diǎn)，分別為閥側(cè)線圈第77餅（圖2（b））、78餅（圖2（c））的屏蔽線懸頭位置。故障位置導(dǎo)線絕緣已發(fā)生碳化，工作線及屏蔽線懸頭熔斷。

圖2 故障點(diǎn)及具體位置

閥側(cè)線圈采用內(nèi)屏蔽連續(xù)式結(jié)構(gòu)，滿匝為5匝。檢查中發(fā)現(xiàn)閥側(cè)線圈第77餅屏蔽線懸頭位置錯(cuò)誤，屏蔽線少繞一匝，如圖3所示。改變線圈端部的附加電容，尤其是入波端的串聯(lián)電容，可以改善整個(gè)線圈的沖擊電壓分布特性。連續(xù)式線圈靠提高相鄰線匝間的電壓而增大匝間儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量。也就是說(shuō)，匝間電場(chǎng)能量的增大意味著連續(xù)單元的等值電容及線圈串聯(lián)電容增大，內(nèi)屏蔽串聯(lián)電容是屏蔽線與工作線間儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量。而屏蔽線的長(zhǎng)度（也即插入深度）決定了附加電容的大小，而附件電容直接影響了雷電沖擊下繞組的電位分布特性，事關(guān)繞組耐受雷電沖擊電壓的絕緣性能[2]。該臺(tái)產(chǎn)品的閥側(cè)線圈屏蔽線少繞一匝可能是引起故障的直接原因。為了分析該原因，有必要利用有限元分析軟件，建立繞組波過(guò)程計(jì)算模型，進(jìn)行繞組內(nèi)暫態(tài)電壓計(jì)算，得出結(jié)論，并提出修復(fù)措施。

圖3 屏蔽懸頭位置示意圖

5 波過(guò)程計(jì)算

按照要求，±200 kV換流變壓器閥側(cè)繞組側(cè)雷電沖擊電壓為1 175 kV，見(jiàn)表1。

5.1 計(jì)算原理

換流變壓器線圏在沖擊電壓的作用下，可等效為電感、電容和電阻都是分布參數(shù)的分布參數(shù)電路。但是為了方便計(jì)算和分析換流變壓器繞組的波過(guò)程，經(jīng)常不再使用分布參數(shù)，而使用具有換流變壓器繞組的等值電路式鏈型網(wǎng)絡(luò)的集中參數(shù)。

基本原理：換流變壓器的各個(gè)繞組是通過(guò)若干計(jì)算單元進(jìn)行劃分的，每個(gè)單元由一個(gè)軸向電容、一個(gè)對(duì)地電容、相鄰繞組間的電容以及一個(gè)自感構(gòu)成，線餅間的磁合通過(guò)互感表示。原理即每個(gè)繞組為一個(gè)單位，各單元組成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)繞組的等值網(wǎng)絡(luò)中加入相應(yīng)繞組的電容及互感，進(jìn)而構(gòu)成多繞組等值網(wǎng)絡(luò)。

分布參數(shù)的計(jì)算是在雷電波的作用下，線圈的起始電壓分布或者沖擊電皮分布的情況。在沖擊波開(kāi)始作用的瞬時(shí)，變壓器線圈相當(dāng)于承受了極高頻率的電壓波作用，因線圏電阻與感抗和容抗比值較小，可忽略不計(jì)，所以線圈波過(guò)程可簡(jiǎn)化為由電感及電容組成的網(wǎng)絡(luò)。

在波過(guò)程計(jì)算過(guò)程中， 變壓器單個(gè)線圈的等效電路如圖4所示。

圖4 等效電路

5.2 屏蔽位置正確時(shí)波過(guò)程計(jì)算

建立屏蔽線正確時(shí)的波過(guò)程計(jì)算模型后，計(jì)算得出閥側(cè)線圈首端5個(gè)線餅梯度，見(jiàn)表4。

表4 雷電全波下梯度（正確結(jié)構(gòu)）表

正確結(jié)構(gòu)時(shí)雷電全波沖擊計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，最小裕度為1.16，滿足設(shè)計(jì)安全要求。

表5 裕度結(jié)果

5.3 屏蔽位置錯(cuò)誤時(shí)波過(guò)程計(jì)算

建立屏蔽線少一匝時(shí)的波過(guò)程計(jì)算模型后，計(jì)算得出閥側(cè)線圈首端5個(gè)線餅梯度，見(jiàn)表6。

表6 雷電全波下梯度（錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)）表

當(dāng)屏蔽線為少1匝的結(jié)構(gòu)時(shí)，雷電全波沖擊計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，最小裕度為0.96，不滿足設(shè)計(jì)安全要求。

表7 裕度結(jié)果

6 原因分析

根據(jù)解體檢查情況和有限元波過(guò)程分析計(jì)算結(jié)果，最終確定造成該產(chǎn)品故障的主要原因是閥側(cè)線圈第77段屏蔽線少繞1匝。由于屏蔽線少繞1匝，導(dǎo)致閥側(cè)線圈在雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，77餅和78餅縱絕緣裕度降低到0.96，提高了發(fā)生絕緣擊穿的概率。事實(shí)證明，該產(chǎn)品雖然通過(guò)了前11項(xiàng)試驗(yàn)，尤其在結(jié)構(gòu)有缺陷的情況下僥幸通過(guò)了雷電沖擊試驗(yàn)，但是實(shí)際上已經(jīng)引起閥側(cè)線圈的縱絕緣性能下降，甚至絕緣損傷。當(dāng)后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)側(cè)線端交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，閥側(cè)線圈中絕緣已受損的77餅和78餅絕緣進(jìn)一步劣化，最終發(fā)生絕緣故障，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

7 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析找到真正原因，并按照正確結(jié)構(gòu)修復(fù)了閥側(cè)線圈，恢復(fù)到原有繞組的絕緣性能。修復(fù)后產(chǎn)品再次進(jìn)行所有絕緣試驗(yàn)，全部一次通過(guò)，最終產(chǎn)品試驗(yàn)合格。通過(guò)該事件，工廠對(duì)后續(xù)及在制品提出了更高質(zhì)量管控措施。針對(duì)屏蔽懸頭的制作，在原有自、互檢要求的基礎(chǔ)上，提出了質(zhì)量控制要求如下：1）屏蔽懸頭制作時(shí)，在電磁線上表面中斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記，并將中斷點(diǎn)標(biāo)記延伸至線餅外徑側(cè)，并注明斷點(diǎn)所處匝數(shù)（由外向內(nèi)）、撐條間隔。2）屏蔽線的制作需要拍照留底，并由班組長(zhǎng)進(jìn)行確認(rèn)。3）質(zhì)檢人員對(duì)中斷點(diǎn)的制作進(jìn)行巡檢，并對(duì)所有屏蔽懸頭標(biāo)記內(nèi)容進(jìn)行檢查。