某220 kV主变绕组短路故障分析及预防措施

2013-09-01王胜辉

黑龙江电力 2013年3期

郭晶，赵杜，王胜辉

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003;2.河北省电力公司检修分公司，石家庄 050071)

据近些年国内相关资料表明，110 kV及以上电压等级的大型变压器受短路故障电流冲击而损坏的事故约占全部事故的一半以上。随着电网容量的不断扩大，短路故障发生的数量也呈现出逐年递增的趋势，给电网的安全稳定运行带来十分严重的影响。

大型变压器短路故障以出口短路为主，特别是变压器低压侧出口短路形成的故障案例较多，造成的后果和损失相对更为严重，轻则导致绕组损坏，重则导致绕组严重变形烧毁[1-5]。因此，本文以某220 kV主变发生的短路故障为例，分析故障发生的原因，并结合案例提出预防措施以减少此类故障的发生。

1 故障经过

2012-06-20 T04:08，某220 kV 3 号主变(型号为 SFSZ10-180000/220，2006-11-19投入运行)差动保护、重瓦斯保护动作跳闸;04:08:43:427，220 kV变电站一35 kV线路保护动作记录显示，3 ms时保护启动，36 ms时电流Ⅰ段动作;04:08:43:455，3号主变差动保护、本体重瓦斯保护、本体轻瓦斯保护动作，0 ms时差动保护启动，118 ms时差动保护出口，差动保护动作电流为1.544 A，主变三侧开关跳闸。由保护装置的录波情况可以看出故障为低压侧A、C两相短路，低压侧峰值二次电流约为40 A，CT变比2000/5，折合一次线电流为16 kA。

2 现场试验及解体检查情况

2.1 现场试验检查

2012-06-20 T15，对35 kV故障线路(该线路变电站至1号杆变电站出口为电缆，其余大部分为架空线路)的出口电缆进行试验，发现A相对地、C相对地、A相对C相绝缘电阻为0;B相对地、B相对A相、B相对C相绝缘良好，由此判断该35 kV线路发生了AC相间短路。

DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中规定，220 kV及以下电压等级的变压器油中溶解的乙炔和总烃气体含量注意值分别为5 μL/L和150 μL/L。取该变压器油、瓦斯气体进行色谱分析试验，试验数据如表1所示。

表1 变压器油和瓦斯游离气体色谱分析数据 μL/L

从表1可以看到，变压器油中乙炔含量达到104 μL/L，总烃含量达到 280 μL/L，均超过注意值;瓦斯继电器中含有大量的甲烷、乙炔和一氧化碳气体。由此初步推断变压器内部发生了电弧放电(匝、层间击穿，对地闪络等)，使油纸绝缘分解产生大量气体。测量低压AB、低压BC、低压CA绕组的直流电阻分别为33.73、33.54、65.47 mΩ。

由此计算可得每相线圈实际阻值:A相为1 143.7 mΩ，B相为34.72 mΩ，C 相为34.52 mΩ。B、C相绕组直流电阻平衡，与出厂值相符，而A相直流电阻阻值远远大于出厂值。

2.2 返厂解体检查

将该主变返厂解体检查发现，低压A相绕组虽未发生变形，但在几个导线换位处(S弯)发生了匝间短路放电，烧断多股导线。其它绕组未见异常，该变压器低压绕组采用自粘换位导线。

查阅订货技术协议以及厂家提供的变压器动热稳定验算报告和短路计算报告，发现变压器应能承受的三相短路线电流有效值为31.34 kA，而此次故障为两相相间短路，短路电流为10.67 kA，远低于31.34 kA。

3 原因分析

通过对该变压器检查、分析，基本可以判定造成该变压器故障有以下几个原因。

1)绕组(特别是低压侧绕组)抗短路能力不足是主要原因。故障时35 kV侧流过A相绕组的短路电流只有10.67 kA，远低于变压器应能承受的水平，且短路时间很短，但在这种情况下低压侧绕组依旧发生了损坏，充分说明变压器低压绕组承受短路电流冲击的能力不足。

2)短路电流冲击是该起故障发生的诱因。短路冲击电流会使变压器绕组承受到强大的电动力，并使绕组急剧发热。在较高的温度下，导线的绝缘水平大幅下降，导线的机械强度变小，强大的电动力使绕组导线间剧烈摩擦损坏彼此间绝缘层，致使导线金属裸露，从而引发绕组匝间短路。变压器内部发生电弧放电，加速了绝缘油及绝缘纸分解而产生大量气体，最终导致差动保护及重瓦斯保护动作。

3)变压器存在质量问题是这起故障发生的根本原因。在短路电流或短路时间未达到国家标准GB 1094.5-2008《电力变压器-第五部分:承受短路的能力》要求及厂家承诺的耐受短路能力情况下，变压器就发生了绕组损坏，充分说明厂家制造的变压器抗短路能力未能真正达到技术要求指标。发生损坏的绕组是变压器的内绕组，即低压侧绕组，而高、中压绕组则安然无恙，表明厂家对低压侧绕组的制造质量重视力不足。虽然变压器在结构设计、制造工艺、材质等方面采取了提高抗短路能力的措施，但不够彻底，3号主变虽然低压绕组采用了自粘换位导线，整体机械强度得到很大提高，但换位处(S弯)的支撑存在问题，导致短路时导线间剧烈摩擦绝缘损坏造成匝间短路。

4 预防措施

4.1 提高变压器自身抗短路能力

建议制造厂在设计、制造工艺和材料方面多下功夫，把提高低压侧线圈的机械强度作为重点。

1)设计方面。应采用成熟可靠的短路计算方法，并设计出足够的安全裕度。调节线圈的安匝平衡，减小横向漏磁，从而削弱绕组轴向力。为使绕组所受辐向力有效降低，必须严格控制线圈轴向漏磁密度。适当降低电流密度，合理提高导线厚度。在低压内侧加硬纸筒，在硬纸筒与铁心之间加木撑条，这样可以使内线圈形成硬支撑。

2)制造工艺方面。对绕制绕组的设备和工艺进行改进，达到提高绕组紧度为目的。绕组应采用恒压干燥与整体组装工艺，使绕组轴向高度得以保证。整齐笔直放置绕组垫块，保证垫块传递出的轴向力均匀，从而减少线匝导体承受的弯曲应力和局部压力。严格控制高低压线圈轴向高度互差，全部垫块均应采取密化处理。

3)材料方面。采用高机械强度的导线和绝缘材料，特别是变压器低压侧绕组，应该明确要求使用自粘性换位导线。这是因为在采用自粘性换位导线的绕组中，由于导线的整体性能较未采用该种换位导线的性能大大提升，特别是它的硬度大增，从而有效提高了整个绕组抗受辐向变形的能力，这是退火导线和非自粘换位导线所不能比拟的。在当前，既要求有较好的性能指标又要求有较好的机械强度时，自粘性热固化换位导线就成为首选。

4)校核方面。应对已投运的变压器开展抗短路电流校核工作，排查同时期生产的同型号变压器有无家族性缺陷，及早发现问题，及时采取有效措施。

4.2 限制短路电流

由于电动力与短路电流的平方成正比，因此采取有效的措施来减小短路电流，就能很大程度减轻短路电动力对变压器绕组的损坏程度。目前减小短路电流的有效的措施大致有以下3种:

1)变压器低压侧采取分列运行方式;

2)适当加大变压器绕组的阻抗电压值;

3)在大型电力变压器低压绕组侧加装限流电抗器。

4.3 改善变压器运行环境

在变压器的中、低压侧，应加装绝缘热缩套。因为电缆出线发生的故障多数为永久性的，所以最好不要采用重合闸装置。对于电缆或短架空出线多，且发生短路事故次数多的(2次以上)变电站，应考虑临时停用线路自动重合闸，以防止变压器连续遭受短路电流的冲击。变压器中、低压侧应选用开断容量相对较大的开关，以避免由于开断容量不足导致开关爆炸，进而造成变压器出口短路。变压器的继电保护装置应尽量采取微机化、双重化，尽量安装母线差动保护和失灵保护，以提高保护动作的灵敏性、可靠性和速动性，保证在变压器发生出口短路时，可靠、快速地切除故障，减小出口短路对变压器的冲击和损害。