一台运行中的户外油浸箱体变压器发生“瞬变故障”的物理化学现象

秦建凡

(广东省中山市体育场馆管理中心设备部)

0 引言

本文主要分析论述了一台运行中的户外油浸箱式变压器真实发生的一次瞬变“故障”时出现的物理化学现象。整个过程≥0.5‰S，若非本人现场，我这个1981年中技机电专业毕业从事高低压电气设备安装、调试、使用、维护近40年的内行人都很难相信这事“真实发生过”！

1 现场描述

2019年1月的一天上午，天气晴好，笔者所在广东省中山体育馆位置附近呈三角形布局同时运行着4台10kV变压器及配套的高、低压变配电设备。其中500kVA容量2台，1600kVA容量1台为树脂浇注干式变压器位于体育馆建筑物内，一台200kVA油浸箱式变压器在户外。位于“有人值守公共厕所”后侧。如下图所示(距离我所在的维修工房直线距离约40m)。

突然一声巨响，伴随维修工房照明出现0.05-0.1s左右瞬间熄灭闪烁后恢复正常。当时在维修厂房门口的我心里猛然一惊！心想：完了，肯定有电气设备“炸”了(短路烧了)！便迅速赶到值班室查询，值班电工反映没有听到“巨响”只感觉到灯光“暗了一下”经过巡检未发现高、低压设备异常。此时，公共厕所的环卫工人跑过来说：“变压器冒烟了！好大一股烟”。听到这话，我马上想：户外箱变“出了问题！”便迅速带领维修电工赶往40m外的户外箱变。奇怪的是在“变压器”旁听到的却是变压器正常工作的轻微低频电流声，便再次判断：可能是“低压输出侧的开关电器出了问题”。该变压器低压侧电器包含一路HM3H-630-500A塑壳空气断路器，二路HM3H-400-315A塑壳空气断路器，6组20kvar补尝电容及相关电器。当打开箱门能看到残留的烟雾冒出并伴有臭油气味。停电检查，低压侧所有电器正常，高压侧绝缘子、油封等均未出现烧坏损毁及渗油过弧现象。

2 事故发生原因探析

从该案例中发现一个问题：一声巨响-伴随变压器“冒烟”-运行声音正常-温度正常-低压侧开关电器正常-高压侧外部器件正常。到底是哪里出了问题？难道是内部熔断器、绕组“故障”？鉴于此判断，对变压器进行了除“预防性耐压试验”外的全部常规检查：(绝缘摇测、绕组直流电阻测量、吸收比检测等)。检测结果：高、低压侧各项指标参数均正常，未发现影响使用的参数变化，随后恢复通电运行。现在此变压器已正常工作一年多。见下图片：

这里有一个细节要交待：在笔者刚完成检查恢复供电后接到了供电主管部门的电话，询问我们的电气设备运行情况，经了解得知：在同一时间同一10kV干线回路上的其他支线用户中，供电部门进行了检修后的合闸送电操作。那这是不是我们不常接触到的“变压器瞬变现象呢”？

3 变压器的瞬变现象

变压器的瞬变现象一直以来都是设计人员最感兴趣和乐于探讨的问题。多年来对这个问题一直难以解释。尽管在对变压器进行试验时能够提供一些引人深入探讨的现象，但在试验过程中，对瞬变现象的模拟试验仍常会出现解释不清的问题。如上面描述的现象瞬间在≥0.5‰S内发生又结束，如若不是“一声巨响”的物理现象和恰巧被人看见到“冒烟”的化学现象，谁又会去深入研究灯光“暗一下”的真正原因呢？特别是“巨响”和“冒烟”后未造成任何影响的情况下，更加难以捕捉到运行中变压器“瞬变现象”的发生。由此也解释了变配电站倒送闸操作中经常遇到的无故障无原因和一次性合闸操作不成功的现象。

4 变压器瞬变现象产生的主要成因

变压器瞬时现象产生的原因归纳如下：

1.高压和各种起因(包括合闸在内)的高频电磁波的影响。

2.陡波前比减缓的系统瞬变操作过电压。

3.操作涌流。

4.短路电流。

5.过载运行。

由变压器自身原因产生的瞬变主要由过载运行造成，当油浸式变压器的内部出现了过热的状况，或者发生放电故障时，其内部油中所溶解的气体及含量均会出现变化，油中所溶解气体迅速膨胀就会发生瞬变，所以分析气体运行状态也是分析瞬变现象的一种手段。然而，本文所述现象发生的时间段正值上午，变压器的负荷≥10%，几乎处于“空载”状态，不存在过载。根据供电部门反馈的同一干线上的支线用户在同一时间进行了合闸送电操作信息及变压器“巨响”、“冒烟”后“无症状”分析，此次现象属于典型的操作涌流造成的瞬变现象。也或由多种原因同时作用造成。否则，无法解释运行中变压器“巨响”、“冒烟”的物理化学现象。

5 变压器瞬时现象分析

同一干线上的支线用户检修中存在带负荷(低压负荷开关未断开)操作，或线缆间电容量大造成合闸高频电磁波及操作涌流的可能性较大。从而造成了变压器瞬变现象 的发生。由于变压器的绕组浸在变压器油中，瞬变现象产生的合闸冲击电流及高频电磁波像短路弧光一样在内部产生迅速被变压器油消弧，在消弧过程中产生大量雾状的白烟及气体自变压器的压力释放阀(爆出)。这就是一声巨响及伴随白烟的原因。由于瞬变产生结束的时间要远远快于继电保护动作及熔断器熔断时间。所以未造成高压断路器“保护跳闸”和变压器内的熔断器熔断。这里的“白烟”实际上是变压器油中的烃类物质氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等受到急速的膨胀蒸发而表现出来的情景，以一团“白烟”的形式出现。这也就是维修人员赶到现场闻到的是一种“油臭味”而非电器烧毁的特殊“焦臭”味。瞬变现象虽然不是常发现象，但对变压器的伤害非常大，要尽量避免。

6 油浸式变压器合闸涌流的估算

油浸式变压器空载合闸涌流(即励磁涌流)不大，一般不会超过3倍变压器额定电流。因此，电流速断保护动作电流一般按下式整定：

Idz=(3～5)Ie

式中Idz——电流速断保护动作电流的整定值，A；

Ie——变压器一次额定电流，A.

空载合闸涌流比额定电流高出3～5倍，我们平时在变压器空载合闸时，常常会看到电流表所指示的初始冲击电流(但这个电流会很快消失)将大大超过正常的空载电流，有时甚至大于变压器正常的满负载电流，咋看上去好像变压器存在故障，其实不然，这主要是变压器合闸瞬间出现的初始电流值，主要是由合闸点电压波动决定的(这里对电压的波动就不展开了)。

变压器在某些不利条件下合闸，一次绕组可能出现非正常电流，但如果变压器供给最大负载，即二次端子出现短路，一次和二次绕组便会通过比额定电流大许多的电流，这种瞬变合闸空载冲击电流会带给变压器严重的损害。油浸式变压器采用变压器油进行绝缘和散热，变压器油是石油的一种分馏产物，它的主要成分是烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃等化合物。变压器在日常运行中，变压器油可能分解产生气体，其产生气体的成分和含量，可以反映变压器绝缘老化程度和变压器内部故障情况，因此大中型变压器往往设有对变压器油中的气体进行监测分析系统。

7 解决措施和方法

1.高压线路检修停、送电操作应尽量避免带负荷。特别是线路较长(线间电容较大)时。

2.继电保护参数要定期检测，发现偏离要及时调整。

3.定期对变压器进行规范性测试及保养。

4.变压器长时间运行后应定期对变压器进行人工取油样，送至专业检测机构进行油样化验。

变压器油在经过电弧放电后会导致乙烯、乙炔等烃类物质大量增加，直观上表现为比水蒸气更浓的白雾状气体。下表给出变压器油电弧放电前后各类气体变化的油色谱参考值，可惜的是没有这台变压器发 瞬变现象前的油色谱试验原史值，无法作数据对比。下表是常用变压器油经过电弧放电前后油色谱试验值对比表(仅供参考)

对比表中的试验数据可以看出，烃类产物产量较大，尤其是乙烯和乙炔。根据DL/T722-2014。《变压器油中溶解气体分析和判断导则》。研究气体状态可以判断瞬变产生的原因。

8 结束语

随着社会的发展，国力的增强，人民追求美好生活的愿望越来越强，水、电、气的安全保障是必须的前提。国家电力的不断发展，对电力系统的稳定性、可靠性要求也就越高，一个安全稳定的电力电网会为国家为社会为企业创造出更多的经济效益和社会效益。因此，高质量的电力电网系统是每一个电力人不懈的追求。