一起500 kV變壓器鐵芯夾件絕緣異常分析

周榆曉，劉 暢，孫京陽，牛 李，唐 濤

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179； 3.長春市恒濤熱電有限公司，吉林 長春 130000；4.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽 110025)

1 設備情況和異常描述

2018年6月28日，該變壓器在額定電壓下進行第1次沖擊合閘試驗時，發現變壓器鐵芯和夾件接地電流分別為1400 mA和1810 mA，嚴重超標(不大于100 mA)[3-4]。設備停電后，測量該變壓器鐵芯、夾件絕緣電阻，鐵芯、夾件對地絕緣電阻均合格，鐵芯對夾件絕緣電阻為零，油中溶解氣體結果無異常[5]。鐵芯-夾件的絕緣電阻出廠值為3500 MΩ，實測值為8000 MΩ，發生異常后測量值為零。鐵芯和夾件接地電流異常后的油中溶解氣體結果如表1所示。

表1 鐵芯和夾件接地電流異常后油中溶解氣體結果 μL/L

變壓器正常運行狀態下鐵芯和夾件電路如圖1所示，此時鐵芯和夾件間存在一個絕緣層，該絕緣層的絕緣電阻值為兆歐級別，產生的電流可忽略不計[6-7]。當鐵芯和夾件之間存在金屬異物導通時，鐵芯和夾件電路如圖2所示，此時鐵芯和夾件間的絕緣層未起到絕緣作用，鐵芯對夾件絕緣電阻為零，產生環流，鐵芯和電流的監測裝置監測到的電流超過正常運行值。因此，初步懷疑鐵芯和夾件存在導通情況。

圖1 正常狀態下鐵芯和夾件

圖2 異常狀態下鐵芯和夾件

2018年7月10日，專業人員進入變壓器內部進行檢查，對本體的上下鐵軛地屏、旁柱地屏、心柱地屏、拉帶、各夾件磁屏蔽的絕緣進行測量，認為絕緣無問題，未發現故障點。

2 返廠試驗和檢查

2018年8月9日，變壓器返廠后進行吊罩檢查，測得鐵芯-夾件絕緣電阻為零，器身吊起過程中，測量鐵芯-夾件絕緣電阻為零。再次測量上、下鐵軛地屏、旁柱地屏、心柱地屏、拉帶、各夾件磁屏蔽的絕緣，未發現問題。檢查上梁絕緣、上、下夾件絕緣未發現異物。該變壓器返廠吊罩情況如圖3所示。

圖3 變壓器返廠吊罩情況

拆除低壓側第1個級間絕緣的2個短接片后，面對低壓側右手邊鐵芯框靠近夾件側的鐵芯與夾件之間絕緣電阻為零，其他部分絕緣電阻為200 MΩ。具體情況如圖4所示。

鐵芯-夾件絕緣電阻為零區域的每1級電阻用萬用表進行測量，測得最后4級的電阻為1～2 Ω，其他絕緣電阻為70 kΩ。根據以上試驗數據，可判定面對低壓側右手邊鐵芯框最后4級與夾件導通。用瓶裝氮氣(大于1 MPa)檢查懷疑存在金屬異物的位置后，測得鐵芯對夾件絕緣電阻為200 MΩ，但并未發現金屬異物。

由于未明確找到故障點和異物，繼續拆除上夾件及上鐵軛，仍未找到故障點，最終將所有繞組提出，對檢查下鐵軛進行檢查，未發現故障點和異物。拆除面對低壓側右手邊下夾件磁屏蔽后，檢查夾件絕緣，在主柱右側第5與第6個墊塊之間的空隙內發現長條狀金屬異物，金屬異物所在位置如圖5所示，金屬異物整體如圖6所示。

圖5 金屬異物所在位置

圖6 金屬異物整體

用強力磁鐵取出異物后，測面對低壓側右手邊鐵芯框鐵芯對夾件的絕緣電阻為200 MΩ。拆除剩余其他3個下夾件磁屏蔽，檢查磁屏蔽覆蓋位置下夾件絕緣，沒有發現異物，對下夾件其他位置絕緣再次檢查，沒有發現異物。選擇絕緣電阻表2500 V的檔位測量鐵芯對夾件絕緣電阻，絕緣電阻均不低于200 MΩ，故障點排除完畢。

3 鐵芯對夾件絕緣異常原因分析

經核實，該金屬異物存在于鐵芯疊裝工序中，為找平鐵芯端面所使用的工具，工作人員由于工作疏忽，未及時收回該工具，鋪下夾件絕緣時，該工具被卡在主柱右側第5與第6個墊塊之間的空隙內，安裝鐵芯墊腳及下夾件磁屏蔽時未發現該異物，導致異物被封在鐵芯、夾件絕緣、墊腳和夾件磁屏蔽形成的空腔內。

工具外形尺寸為160 mm×30 mm×20 mm, 鐵芯、夾件絕緣、墊腳和夾件磁屏蔽形成的空腔尺寸為500 mm×75 mm×32 mm，下夾件絕緣的高度與鐵芯末級片高度相同，空腔下端80 mm高度內無夾件絕緣覆蓋，如圖7所示。當異物處于圖8—圖11所示位置時，鐵芯與夾件不導通。當異物上端與末級片接觸，下端與夾件接觸時，鐵芯與夾件導通，如圖12所示。

圖7 金屬異物所在位置的結構

通過以上分析，懷疑該臺變壓器在廠內半成品試驗、出廠試驗、現場交接試驗時，該金屬異物均處于圖8—圖11所示的位置，現場沖擊合閘試驗后，可能是由于電動力的作用、絕緣油流動的作用或其他因素，造成金屬異物處于圖12所在的位置，造成了鐵芯對夾件絕緣電阻為零。返廠后的檢查過程中用氮氣檢查異物位置，使異物從鐵芯夾件導通狀態變為不導通狀態。

圖8 鐵芯對夾件絕緣電阻正常(位置1)

圖9 鐵芯對夾件絕緣電阻正常(位置2)

圖10 鐵芯對夾件絕緣電阻正常(位置3)

圖11 鐵芯對夾件絕緣電阻正常(位置4)

圖12 鐵芯對夾件絕緣電阻為零(位置5)

4 仿真驗證

根據所發現的工具外形尺寸和鐵芯、夾件絕緣、墊腳和夾件磁屏蔽形成的空腔尺寸建立仿真模型，將金屬異物放置于空腔中心，鐵芯與夾件的電位差為2.5 kV(測量鐵芯對絕緣絕緣電阻時施加的電壓值)，仿真模型如圖13所示。分別計算當空腔為絕緣油和空氣時的電場分布和最高電場強度，計算結果分別如圖14—圖17所示。

圖13 仿真計算模型

圖14 電位分布(絕緣油中)

圖15 電場強度分布(絕緣油中)

圖16 電位分布(空氣中)

圖17 電場強度分布(空氣中)

仿真結果表明，在絕緣油中，異物表面最大場強為0.93 kV/mm，在空氣中，異物表面最大場強為0.98 kV/mm。無論在絕緣油中還是在空氣中，異物表面的最大場強都遠遠小于擊穿場強[8-10]，所以當金屬異物處于空腔的中心位置時，不影響鐵芯對夾件的絕緣電阻，從而驗證了現場發生的實際情況。

5 結束語

本文介紹了一起500 kV變壓器鐵芯對夾件絕緣異常情況，通過現場的鐵芯和夾件接地電流監測發現鐵芯和夾件存在環流現象，從而判斷鐵芯對夾件絕緣異常，經過現場測量、返廠測量、返廠解體、仿真驗證，最終發現了造成異常的原因是鐵芯車間工作人員在鐵芯打疊完成后將工具遺落在變壓器所致。根據此情況提出以下避免此類事件發生的措施。

a.建議使用工器具時應做好核對，工作前領出的工器具工作結束后應仔細核對，不得缺少。

b.建議使用體積較大、顏色鮮明(明顯區別于硅鋼片顏色)的該類工器具，避免工作后遺留在變壓器器身內。