220kV主變壓器出廠試驗絕緣擊穿故障分析

神華（天津）新能源技術有限責任公司 趙鑫堯

1 概述

主變壓器是一種用于輸變電的總變壓器，也是變電站的核心部分。通過線圈間的電磁感應，將一種電壓等級的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。主變壓器系統由線圈、鐵芯、主變油箱、變壓器油、有載/無載調壓裝置、氣體繼電器、油枕及油位計、壓力釋放器、測溫裝置、冷卻系統、潛油泵等組成。主變壓器廣泛應用于火力發電站、水力發電站、核能發電站和風力發電站等各類發電場所，以及高速鐵路動車組和城市軌道交通等牽引供電系統。是保證供用電系統安全穩定運行的關鍵設備。

主變產品的質量性能直接影響輸電系統的安全可靠性，甚至影響整個電力系統的運行。主變的設計、材料和工藝是決定其質量的關鍵因素。對于已經選型的主變產品而言，制造過程中應該嚴格把關，確保產品的各項性能指標在出廠試驗時得到準確、嚴格的考核[1]。本文介紹的是通過出廠的高電壓試驗進行線圈匝絕緣潛在缺陷的識別，以解決主變產品的質量事件。

2 事故經過

此臺主變壓器型號：SFZ20-180000/220，分接范圍：230（±8×1.25%）/37kV， 連接組別YNd11，冷卻方式為ODAF。在完成包括線端雷電全波沖擊試驗（LI）、線端雷電截波沖擊（LIC）、操作沖擊試驗（SI）、外施耐壓試驗（AV）在內的高電壓試驗之后，最后進行線端交流耐壓試驗（LTAC）。進行A 相試驗時，低壓側施加電壓升至U2（低壓側41.05kV，高壓側感應至218kV）時，儀器監測到的局放量波形出現明顯異常，且試驗電壓突然下降，再次嘗試加壓，電壓無法上升[2]。

現場經對試驗儀器及其供電變壓器進行一系列核查排除試驗儀器故障后，判斷變壓器發生了內部故障，試驗被迫中斷。

3 試驗步驟

線端交流耐壓試驗是指對變壓器繞組連同套管一起施加超過額定電壓一定倍數的正弦工頻交流試驗電壓，并持續一定時間（通常為1min）。其目的是利用高于額定電壓一定倍數的試驗電壓代替大氣過電壓和內部過電壓來考核變壓器設備的穩定性、耐壓性以及包層材料的絕緣強度。帶局放檢測的線端交流耐壓試驗則是在進行線端交流耐壓試驗時，同時測量并記錄局部放電量[3]。

帶局放檢測的線端交流耐壓試驗主要步驟如下。

一是斷開主變壓器與外部回路的連接，將高壓側非被試端子短路接地，清潔干燥套管表面。二是在高壓側安裝均壓帽或屏蔽罩，以減少外界干擾和降低電暈放電。三是用專用地線將試驗設備與接地體牢固連接，并做好安全防護措施。四是用校正脈沖發生器對試驗系統進行校準（施加100PC），使其靈敏度達到所需水平。五是選擇合適的高頻（200Hz）高壓試驗源，并連接到被試變壓器低壓側，中性點懸空，非被試相接地，被試相懸空。六是升高試驗電源輸出至預加電壓（1.1Um/√3），保持5min，并記錄局部放電量。七是升高試驗電源輸出至預加電壓（U2），保持5min，并記錄局部放電量。八是將試驗電源輸出至預加電壓（U1），保持30s，記錄局部放電量。九是降低試驗電源輸出至預加電壓（U2），保持5min，并記錄局部放電量。十是降低試驗電源輸出至預加電壓（1.1Um/√3），保持5min，并記錄局部放電量。十一是將試驗電源輸出降至零，斷開所有連接，結束試驗。

試驗合格條件：試驗電壓不產生突然下降；在第二個電壓U2的長時試驗期間，局部放電量的連續水平不大于500pC；在第二個電壓U2的長時試驗期間，局部放電不呈現連續增加的趨勢，偶然出現的較高幅值脈沖可以不計入。在1.1Um/√3下，電荷量的連續水平不大于100pC。

4 故障分析

根據主變出廠線端交流耐壓試驗時觀察到的局放量波形畸變，為判斷可能的故障情況，進行部分項目的復試。

低電壓單相空載試驗結果詳見表1。

表1 低電壓單相空載試驗結果

根據表1的試驗結果，可以看出變壓器的短路電流比較小，說明變壓器的短路阻抗比較高，這是正常的現象。但是，變壓器的損耗較高，可能代表著變壓器存在局部短路故障，導致部分線圈電氣損失過大，進而導致整個變壓器的損耗增大。

電壓比測量和聯結組別標號檢定結果詳見表2。

表2 電壓比測量和聯結組別標號檢定結果

低壓繞組直流電阻試驗結果詳見表3。

表3 低壓繞組直流電阻試驗結果

根據表3的試驗結果，可以看出變壓器的低壓側繞組存在不平衡率，但相對較小，同時直流電阻值比較小，可能是繞組接觸不良或者繞組中出現短路導致的。

變壓器油氣相色譜分析結果詳見表4。

表4 變壓器油氣相色譜分析結果

根據表4的分析結果，可以初步判斷變壓器出現了電弧故障，導致油中的氣體含量發生了顯著變化。

首先，測量出來的氫氣（H2）含量，試驗前只有0.86，試驗后卻達到了高達17.76，超出了正常范圍。氫氣通常是由于鐵芯、繞組、油紙絕緣等部件在存在高電場電壓作用下發生電弧故障時產生的氣體。因此，其高含量表明變壓器發生了電弧故障。

其次，一氧化碳（CO）和總烴（C1+C2）都有了明顯的增加，這也是電弧故障導致的結果，同時表明變壓器內部的絕緣材料發生了熱分解現象。

最后，二氧化碳（CO2）的含量略有下降，這可能是由于電弧故障發生時，空氣進入變壓器，氧氣與故障產生的氫氣發生反應形成了二氧化碳導致的。

綜合數據分析，可以明顯地判斷出該變壓器可能存在接觸不良或者短路問題，可以判斷故障發生在變壓器的內部，故障點可能位于低壓A 相線圈，具體故障點需吊罩解體檢查后才能確定。

對故障變壓器進行脫油、附件拆除、吊罩后進行器身檢查，未發現明顯異常，在A 相鐵芯上軛表面有少量炭黑，說明變壓器的內部絕緣發生破壞產生了局部放電；解體A 相整體組裝線圈，依次將A相的調壓線圈、高壓線圈分別提出后，拆解線圈間的絕緣件，用手電仔細檢查A 相的各線圈，調壓線圈和高壓線圈未發現異常，線圈表面及內部無變化，內部清潔干凈。拆除低壓線圈外層軟紙筒后，發現低壓線圈從下向上第18段處有燒蝕的銅渣，內部有短路點具體如圖1所示。

圖1 線圈內部短路點1

將低壓線圈內部成型紙筒提出，從線圈內部檢查，發現第18段（為正段）的第1匝與第2匝之間短路，具體如圖2所示。

圖2 線圈內部短路點2

5 故障原因分析

根據拆出的低壓線圈的現場情況，線圈短路點既不在線圈換位S 彎處，也不在油道墊塊壓緊處，而是在兩墊塊之間的線段處。因此根據線圈制作工藝可基本排除線圈在繞制和壓裝過程中因操作不當而損傷線段絕緣的情況[4]。之后通過與變壓器廠家人員及電磁線廠家人員進一步進行分析討論，認為該短路點處的導線絕緣可能存在異物。因異物尺寸很小，所以繞制時絕緣并未破損，但線圈繞制完工干燥后使用壓床進行加壓，導致受力后異物將兩根導線的紙包絕緣硌破，造成線圈兩根線之間絕緣紙和導線漆膜局部受損，之后出廠試驗中的多項高壓沖擊試驗一步步將絕緣破壞，最終當A 相線圈進行高電壓試驗時（線端交流耐壓LTAC）造成的匝間擊穿短路。后續廠家將進行重新繞制線圈、鐵心清洗、換油等處理工序，并重新進行出廠試驗檢驗。

6 結語

通過本次案例可判斷，主設備廠家對原材料的檢驗方法（絕緣電阻測量、直流電阻測試、線間交流36V 耐壓檢測）無法對電磁線間暫未破壞絕緣的異物進行有效檢驗，因此出廠試驗的監護管理至關重要，尤其是高壓試驗可有效地發現線圈匝絕緣的潛在缺陷。本事件強調了原材料在產品制造過程中的重要性，原材料的質量保證是產品質量的首要因素。原材料進貨檢驗應嚴格按規范進行，并確保生產高質量的產品。該事件同時提醒變壓器廠家和監造人員，把控變壓器生產質量的最有效方法是在制造過程中嚴格把關，確保在出廠試驗時各項性能指標得到嚴格考核。

試驗過程中應加強對試驗數據和波形的分析，確保能及時準確地發現設備的隱患和局部缺陷，避免試驗損傷擴大化。最重要的是要避免將設備隱患和缺陷遺留至運行階段，從而避免嚴重的設備障礙或事故的發生。