一起主變壓器高壓繞組損壞事故檢測與分析

羅 楊，楊紅權，劉彥琴，劉 鑫，李 波，周 波，高 峻，姜飛宇

(國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，隨著工業和經濟快速發展，電網規模也日趨增大，各電壓等級的短路電流以及系統短路故障對設備的沖擊損害越來越大。變壓器作為電網系統的心臟，其健康狀態直接影響整個電網運行的安全穩定。變壓器抗短路能力是衡量變壓器性能優良的重要參數，如繞組抗短路能力不足，則極易在短路電流沖擊作用下發生變壓器繞組變形或損壞[1-3]。下面以一起35 kV線路短路故障導致110 kV主變壓器高壓繞組損傷為例，通過試驗手段分析了主變壓器高壓繞組損毀的抗短路能力的重要性。

1 事故前運行方式

事故前，變電站運行方式如圖1所示，全站電源由152線路主供，151線路作為備用電源，其斷路器處于分位。1、2號主變壓器并列運行(130斷路器處于合位)，35 kV側合環運行(330斷路器處于合位)，10 kV側分列運行(930斷路器處于分位)，322斷路器處于合位運行狀態。

圖1 某站故障前的一次接線

事故主變壓器型號為SFSZ10-50000/110，于2008年3月生產，聯結組別為YN/Yn0/d11，其有載開關型號為CMIII-600Y/63C-10193W。

2 事故分析

2.1 保護動作情況

2020年8月22日20：10：35：822，該變電站35 kV 322線路發生B相接地故障；310 ms后，B相故障發展為三相故障(錄波文件顯示故障電流約3800 A)，線路保護裝置啟動，但322斷路器未跳開；2.483 s后低電壓Ⅰ、Ⅱ段動作，322斷路器跳開。

20：10：36：145，2號主變壓器差動保護啟動，437 ms后比率差動動作，跳開152斷路器、110 kV分段130斷路器、35 kV 302斷路器與10 kV 902斷路器。844 ms后2號主變壓器本體重瓦斯動作；4.925 s后，2號主變壓器本體輕瓦斯發出信號。

2.2 主變壓器設備檢查

現場檢查主變壓器外觀無異常，本體瓦斯繼電器內部有少量氣體，主變壓器各處均無放電及滲漏油痕跡且油位正常。

2.3 油化試驗

故障發生后，分別于8月22日和8月23日對主變壓器中部及底部取樣口取樣，油化分析油中溶解氣體濃度見表1。故障特征氣體經過24 h擴散，23日油樣特征氣體含量明顯比22日高，三比值編碼為102，為電弧放電故障特征，即線圈匝間、層間短路、相間閃絡、分接頭引線間油隙閃絡、引起對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關飛弧、因環路電流引起電弧、引線對其他接地體放電等[4]。同時，表1中數據還顯示兩次取樣試驗結果均發現主變壓器底部油樣特征氣體含量遠大于中部，由于故障特征氣體在絕緣油中存在擴散現象，氣體總是從高濃度部位向低濃度部位擴散，而且離故障點越近特征氣體濃度越高，因此初步推斷該主變壓器內部發生過放電，且放電位置靠近變壓器底部。

表1 主變壓器油化試驗數據

2.4 高壓電氣試驗

2.4.1 低電壓短路阻抗測試

表2 主變壓器低電壓短路阻抗試驗數據

2.4.2 頻率響應測試

圖2為高壓繞組的頻率響應曲線，從圖中可知高壓繞組低頻段與C相有關的相關系數均接近極限值0.6(見表3)，屬嚴重變形，說明繞組的電感改變，即線圈可能存在匝間或餅間短路故障，結合短路阻抗試驗，再次驗證了高壓C相繞組存在高阻部位。圖3為中壓繞組的頻率響應曲線，其低頻段相關系數為2.0>RLF≥1.0，中頻段相關系數位于0.6≤RMF<1.0區間，屬于輕度變形。低壓繞組頻率響應曲線三相基本一致，且與原始記錄無明顯差異，即繞組頻響曲線的各個波峰、波谷點所對應的幅值及頻率基本一致，低壓側繞組沒有變形。中壓繞組頻率響應相關系數見表4。

表4 中壓繞組頻率響應相關系數

圖3 中壓繞組頻域響應曲線(5擋)

表3 高壓繞組頻率響應相關系數

圖2 高壓繞組頻域響應曲線(1擋)

2.4.3 空載試驗

表5為空載試驗數據，從高壓繞組加20 kV空載試驗電壓時，兩個邊相AB和BC鐵芯空載電流和空載損耗差異均不超過10%；從中壓側加4.5 kV時，空載試驗不合格，兩個邊相AmBm和BmCm空載電流差異超過10%；但是當中壓側加12.5 kV空載試驗電壓時，空載試驗數據合格，兩個邊相AmBm和Bm

表5 空載試驗數據

Cm空載電流差異不超過10%。造成這個現象的原因主要有以下幾個：1)在低電壓短路阻抗試驗時已經提到，雖然高壓C相繞組存在高阻態結構，但當試驗電壓升高時，高阻態會被逐漸電擊穿，因此高壓側加20 kV空載試驗電壓時，高阻態被導通，空載試驗數據合格；2)中壓側繞組在低電壓(4.5 kV)時空載試驗不合格，但是在提高試驗電壓(約12.5 kV)后，空載數據合格。同樣說明低電壓下的不穩定高阻態隨著電壓升高逐步形成放電通道而呈現導通狀態，電流大小亦由不穩定變為穩定狀態；3)高試驗電壓下空載試驗數據合格，說明鐵芯沒有局部短路或多點接地故障(鐵芯絕緣電阻測試顯示其絕緣電阻為3000 MΩ)。

2.4.4 變比測試

對該主變壓器開展高壓對中壓、高壓對低壓變比測試，在所有擋位均無法測出結果，而中壓對低壓數據合格，間接說明高壓側主繞組區段存在缺陷。

2.4.5 直流電阻測試

該主變壓器高、中、低繞組直流電阻測試數據如表6至表8所示，從表中可以發現該主變壓器中、低壓側繞組直阻數據正常，但是高壓側CO繞組在各個擋位均無法通流(測試儀器：變壓器直流電阻測試儀)，無法測出其直流電阻值，改用萬用表測試CO繞組直阻為12.85 kΩ。之后給CO繞組升高電壓至約700 V，當CO相電流指針偏轉劇烈后逐漸降壓至0，再用萬用表測試CO電阻，其數據明顯降低(在0.4～300 Ω范圍內)，但一段時間后CO繞組電阻又恢復至10 kΩ以上(測試儀器：萬用表測試)。由于各個擋位的現象一致，說明CO相高阻故障位于主繞組上；同時，鑒于油化試驗中變壓器底部油中故障特征氣體濃度明顯比中部油中濃度高，因此推測故障點位于C相主繞組上，并靠近箱體底部，如圖4所示。

表6 高壓繞組直流電阻試驗數據

表7 中壓繞組直流電阻試驗數據

表8 低壓繞組直流電阻試驗數據

圖4 高壓C相繞組故障部位

2.4.6 絕緣試驗

對故障主變壓器開展主變壓器連同套管的電容量和介損試驗，結果無異常；測試繞組絕緣及鐵芯絕緣，也與歷史值無明顯差異，說明鐵芯及繞組未故障接地，佐證了空載試驗結論。

3 事故分析及吊罩驗證

3.1 事故原因分析

20：10：35：822，322出線間隔中壓側Bm相發生單相接地事故，310 ms后繼而發生三相短路故障，但此時322斷路器未跳開;直到760 ms后比率差動動作跳開2號主變壓器各側斷路器，322線路故障才被切除。顯然，這是一起因為斷路器拒動而導致越級跳閘引起的事故。該故障持續時間為760 ms，電、熱應力在此時間段內作用于主變壓器高壓側繞組，導致繞組燒損熔融斷裂；但其斷口間繞組并沒有徹底脫開，而是在四周油紙的共同作用下，熔化脫落的繞組金屬熔化物與絕緣油紙粘結在一起，最終形成“虛接”狀態的高阻結構。電弧高溫使得絕緣油分解，產生大量故障氣體，導致該主變壓器本體重瓦斯動作、輕瓦斯報警。另外，頻響法顯示高壓C相繞組低頻段明顯變化，存在電感量變化，也是由于高壓C相繞組被大電流熔融燒損，匝間存在故障，繞組電感被改變。

3.2 吊罩檢查

2020年10月，該主變壓器返廠吊罩檢查，發現中壓繞組、低壓繞組、調壓繞組以及高壓側A、B、C三相繞組線圈均完好無明顯變形，但其高壓側C相繞組存在明顯放電及燒蝕痕跡，如圖5所示。在靠主變壓器底側第26、27線餅(從下往上數)處存在明顯的放電燒蝕部位，兩餅線匝燒蝕嚴重，第27餅線匝直接被熔融燒斷，周圍聚集大量炭黑、銅粒等粉末物質；同時，整個高壓C相繞組線圈污染嚴重，表面分布有大量黑色物質。這可能是由于在該部位存在不連續區域(或弱點)，在短路電流作用下，不連續區域(或弱點)嚴重發熱，熱量導致附近絕緣損壞，進一步導致繞組匝間擊穿，產生電弧，高溫導致金屬銅繞組熔融、絕緣紙和絕緣油分解。

圖5 高壓C相繞組故障點位置

4 結 論

該案例變壓器故障前曾遭受數次短路電流，可能導致其線圈產生薄弱點，當再一次遭受短路電流時薄弱點過熱并導致匝間放電。變壓器作為電力傳輸、轉換、分配的重要設備，對穩定電網供電質量起著重要作用。因此，在日常運行維護中，需加強設備技術監督管理，強化電網和設備穩定、安全。