一起变压器雷击损坏故障的分析

何 敏

（台州电业局，浙江 临海 317000）

一起变压器雷击损坏故障的分析

何 敏

（台州电业局，浙江 临海 317000）

通过对一起连续雷击引起变压器短路损坏的故障现象、检测数据、损伤部位的分析，认为绕组结构、材料选用不合理，特别是绕组支撑件过短起不到支撑作用，是造成变压器动、热稳定性能降低，导致变压器故障损坏的主要原因，指出了变压器冲击短路试验方法与实际 “保所用电”运行方式有区别。计算说明变压器出口短路时，流过变压器的短路电流并列运行往往比分列运行低。

连续雷击；变压器；绕组；支撑件；措施

变压器是电网中的重要设备，它的安全可靠运行，直接影响着电力系统的安全稳定运行。随着电网的不断扩大，系统短路电流越来越大。由于变压器绕组受到的短路冲击力与短路电流平方成正比，短路冲击力增大幅值比短路电流大得多。所以制造厂已在材料、工艺、结构上采取各种措施，提高变压器承受短路能力，电力部门则通过调整运行方式、提高变压器短路阻抗，变压器低压出线加装小电抗等方法，降低变压器短路电流，有效地控制了变压器短路损坏故障。但连续雷击引起变压器损坏故障仍有发生，以下对一起变压器雷击损坏事故作一分析。

1 故障情况

某变电站1号主变，型号SFSZ9-150000/ 220，连接组别Ynyn0d11，低压侧采用无载调压。2003年9月投运以来一直运行正常，故障前一天例行色谱分析无异常。故障时，1，2号主变三侧并列运行，1号主变高中侧中性点接地，2号主变不接地。14∶37变电站区域出现持续强雷暴天气，14∶41-14∶44变电站1.2 km区域内落雷9个，最大雷电流达82.3 kA，其间35 kV线路跳闸4次，累计短路时间497 ms；110 kV线路跳闸2次，累计短路时间150 ms；14∶43 220 kV 1号主变本体重瓦斯保护及二套差动保护动作，三侧开关跳闸。

从故障录波图分析，故障过程主要分3个阶段：第一阶段，从14∶37∶23开始到14∶40∶40结束，在3 min 17 s时间内，35 kV线路发生4次三相短路故障，流过1号主变35 kV侧的最大短路电流7.169 kA，短路总时间497 ms。第二阶段，14∶43∶33，110 kV曙岭线发生单相接地故障，流过1号主变110 kV侧相电流为6.540 kA，短路时间74 ms；经220 ms后，110 kV曙太线发生二相接地故障，流过1号主变110 kV侧相电流为4.021 kA，短路时间76 ms。同时，110 kV曙岭线遭重复雷击，C相开关断口重击穿，20 ms后绝缘恢复。第三阶段，14∶43∶33，1号主变高、中后备保护正确启动，经过28 ms后，主变差动保护启动（见图1），这时35 kV侧B，C相已出现不断增大、相位相反的故障电流，根据磁势平衡关系可知，电流和绕组匝数成反比，电流增大，则绕组匝数减少，说明低压C相线圈存在匝间短路，447 ms后110 kV侧B相电流突然增大，说明中压B相线圈存在匝间短路，差动保护动作切除1号主变。

图1 主变差动保护故障录波图

2 检查分析

2.1 短路电流计算与试验分析

通过对1，2号主变三侧并列运行、中压侧并列低压侧分列运行，中压侧分列低压侧并列运行三种方式下，中、低压出口处短路时，流过三侧的短路电流计算分析可知，三侧并列运行时，流过中、低压侧的短路电流最小分别为6.637 kA和9.170 kA；中压侧分列低压侧并列运行时，流过中压侧短路电流最大为8.577 kA；中压侧并列低压侧分列运行时，流过低压侧短路电流最大为13.685 kA；计算表明，变压器并列运行出口短路时，流过变压器的短路电流往往比分列运行低。

检测1号主变三侧避雷器、各母线避雷器正常，变电所接地电阻、接地导通正常，雷雨期间220 kV动作3相次，35 kV避雷器动作5相次，110 kV避雷器没有动作。油、气色谱数据异常见表1，用三比值法分析内部存在高能放电故障。变压器电气试验数据见表2，试验结果表明中压B相线圈直流电阻偏大，相间差达3.54%，说明线圈存在断股或接触不良故障。B相中对低和高对低短路阻抗偏小，相间差分别达 11.99%，2.51%，说明中压线圈变形，很可能存在匝间短路故障。低压线圈于铁芯之间的绝缘电阻为零，说明低压线圈绝缘已损坏。

2.2 变压器解体分析

变压器内部油中有大量游离碳，底部有电弧烧灼脱落的碎绝缘纸，瓦斯继电器内部有气体。

变压器返厂检查发现：B相中压线圈中部在低压分接区对应位置上，即下数上33-57线饼间轴向扭曲变形严重；在A，B相间对应位置，有匝间短路形成的黑斑；线圈下数上1-4及6-9线饼间对应线圈出线位置，有轻微幅向突出变形，上数下9-29线饼在A，B相间对应位置，有幅向突出变形（见图2）；A相中压线圈中部，在低压分接区对应位置上，即下数上29-55饼间导线绝缘有破损、露铜现象；下数上1-20线饼间对应线圈出线位置，有轻微幅向突出变形。C相中压线圈与A相相同的位置上，饼间导线绝缘破损，局部有漏铜现象。三相线圈底部铁轭绝缘垫块过短，低压线圈内部部分线匝底部无支撑，最下一饼部分无支撑线匝下坠，其中C相最严重 （见图3），B相次之，A相最轻。C相低压线圈底部第1饼 向下塌陷、导线严重变形且有6根导线烧断，下端圈断裂破碎，电磁线与铁心连通，扭曲变形严重、有明显的锯齿状勒痕。B相低压线圈上半部部分油隙垫块有压伤痕迹。C相铁心柱与下铁轭连接处，除旁轭侧的第4-6级铁心没有损伤外，其他级均有不同程度损坏。二侧拉板与下夹件连接处局部灼伤损坏，有黑色痕迹。

表1 变压器油色谱分析数据

图2 中压B相线圈上部和中部变形

3 修复措施及运行建议

3.1 故障原因及修复

由于低压线圈采用中部调压，所以低压分接区对应的中压线圈中部及各线圈端部幅向漏磁大，这些部位线圈受到的轴向力也大。又由于变压器中低压线圈采用普通换位电磁线，机械强度低，低压线圈内部部分线匝底部无受力支撑点。变压器运行后，在中低压区外短路电流的不断冲击下，中压线圈中部区域及低压线圈底部逐渐变形。故障时线路遭受连续雷击，形成的过电压和短路电流多次冲击变压器，C相低压线圈底部首先损坏，线圈匝间短路并对铁心及夹件击穿放电。紧接着B相中压线圈中部发生匝间短路，变压器本体重瓦斯保护和差动保护动作，三侧开关跳闸。因此，故障原因是：由于变压器材料及工艺不过关，动、热稳定性能达不到要求，在雷击和短路电流的双重作用下，主变中、低压线圈失稳、变形，进而发展成匝间短路故障。

根据故障原因，采取了针对性的修复措施，在考虑高、低压都有电源的运行方式下，对变压器动、热稳定承受能力重新进行设计、计算验证；更换所有中、低压线圈，电磁线采用半硬自粘性换位导线，提高线圈的机械强度；取消低压分接头及无载开关，加长线圈底部铁轭绝缘垫块，改善各线圈受力情况；更换损伤的铁心片及损坏的绝缘件。修复后的变压器到目前为止运行情况良好。

3.2 运行建议

GB 1094.5-2003《电力变压器第5部分：承受短路的能力》规定220/110/35 kV电压等级的系统短路视在容量分别为18000/9000/1500 MVA变压器的动稳定要求：应能承受短路视在容量作用下，出口短路时流过变压器三侧最大暂态短路电流的冲击。目前国内大容量三绕组变压器的动稳定承受能力验证方法，是在高压加压中、低压分别三相短路的情况下，每相进行三次短路冲击试验，每次试验的持续时间为0.25 s。而变压器实际使用中，为保证低压所用电安全，低压系统一般均有外来电源供电。所以根据国标提供的短路视在容量，对高压有电源及高、低压有电源二种情况下短路电流进行计算，结果见表3。

表2 变压器电气试验数据

图3 低压C相线圈下部变形与铁心短路

表3 变压器各侧短路电流计算值

计算表明：在高、低压有电源而中压短路时，高、中、低三侧承受的短路电流最大。由于降压变压器中压线圈处在高低压线圈之间，根据磁势平衡关系，高低压线圈电流和中压线圈电流方向相反，则高中压线圈间的漏磁和中低压线圈间的漏磁方向相反，中压线圈受到的幅向电磁力方向相反。所以，这种情况下高低压线圈承受的电磁力最大，中压线圈受到的幅向电磁力较小，但端部及低压分接对应区域受到的轴向电磁力最大，受力情况比变压器动稳定验证时严重得多。

因此，建议低压外来电源应采用“备自投”方式供电，仅在所用电消失时自动接入电网，这样既能保证所用电安全，又能使变压器不致于受到更大短路冲击力。

4 结论

（1）在保证供电可靠性的前提下，应对变压器各种运行方式下的短路电流进行综合分析计算，选用流过变压器短路电流最小的方式运行。计算表明，变压器并列运行时短路电流最小。

（2）保所用电的低压外来电源，应采用“备自投”方式供电，仅在所用电消失时自动接入电网，这样既保证所用电安全，又能使变压器受到的短路冲击力和出厂动稳定验证时相同。同时建议验证部门采用更加符合实际运行情况的试验方法。

（3）制造厂应在设计、材料及工艺上全面提高变压器的短路承受能力，计算动、热稳定承受能力时，应与变压器的实际运行情况相同。

（4）取消变压器低压分接头，改善线圈受力情况，降低轴向力，合理选择变压器三侧额定电压，配用低压电容器，使运行电压在允许范围内。

（5）装设出线间隔保护避雷器，防止雷击引起开关重击穿及间隔内设备损坏。提高线路防雷能力，降低雷击跳闸率，减少短路故障的发生。在恶劣天气时，退出线路保护重合，降低短路电流冲击次数。

[1]DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].北京：中国电力出版社，1997.

[2]DL/T 722-2000变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].北京：中国电力出版社，2001.

[3]GB 1094.5-2003电力变压器第五部分：承受短路的能力[S].北京：中国标准出版社，2003.

[4]A C夫兰克林，D P夫兰克林.变压器全书[M].北京：机械工业出版社，1990.

（本文编辑：杨 勇）

Fault Analysis for Lightning-damaged Transformer

HE Min

（Taizhou Electric Power Bureau,Linhai Zhejiang 317000,China）

Through the analysis ofthe phenomena,detection data,damage position ofthe transformer short circuit fault caused by successive lightning strikes,it is found that it is mainly resulted from unreasonable winding structure and material selection,especially because the winding support is so short that it can not achieve adequate support and weakens the dynamic and thermal stability of the transformer.This paper points out that the method of transformer short-circuit impact test is different from the actual operation mode which ensures the auxiliary power.The calculation shows that the short circuit current flowing through the transformers in parallel operation is usually lower than that in independent operation.

successive lightning strikes；transformer；winding；support；measures

TM406

B

1007-1881（2010）09-0019-04

2010-06-04

何 敏（1961-），男，浙江临海人，工程师，长期从事电网调度管理工作。