变压器绕组变形的分析判断和处置

2022-06-28骈建清王夏洋

山西电力 2022年3期

骈建清，王夏洋

（晋能控股山西电力股份有限公司，山西太原 030031）

0 引言

发电厂中的主变压器（以下简称“主变”）、高压厂用变压器（以下简称“高厂变”）和启备变压器（以下简称“启备变”）作为输电或配电系统电源变压器，为电网或发电厂厂用电提供电源。输电网和厂用配电网系统庞大、设备众多，故障发生的频次较高；每一次发生故障，流过变压器的故障电流都会对变压器绕组产生热和力两方面的影响，极有可能造成绕组股线焊点开焊、线包局部或整体变形、铁芯受损等后果；线包的局部或整体变形，会进一步诱发变压器匝间、相间或高低压绕组之间的短路故障，严重威胁变压器的安全运行。为防止大型变压器因近端短路后绕组变形诱发变压器事故，国家能源局编制的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》[1]中，对变压器近区突发短路后的检查要求做了规定。

2017 年，某风电场主变遭受短路冲击后处置不当，再次投运时变压器发生短路事故，变压器返厂维修；2018 年，某电厂220 kV 出线套管发生接地故障，造成所在母线中性点接地运行的主变高压侧绕组发生轻微变形。由于短路故障点有时位于发电厂围墙外的出线处，有时位于厂用电负荷开关出口或母线处，这些位置的故障不容易被重视或被人为地排除在“近端故障”的范围之外，因此埋下了事故隐患。

本文结合某电厂6 kV 母线短路事故，在具体的执行落实层面，从“如何判断变压器是否遭受过短路冲击”“如何判断短路冲击的影响程度”和“如何处置绕组变形故障”3 个方面，对反事故措施中的“近端短路”和预防性试验规程中的“必要时”做了阐述，为发电和供电企业处置类似问题提供了一个思路，避免变压器带病运行埋下事故隐患。

1 高厂变绕组变形事件的分析和处置

1.1 高厂变遭受短路冲击

某电厂高厂变制造于1998 年，变压器采用双分裂绕组，分裂方式为辐向分裂。变压器型号为SFF9-50000/23，变压器额定容量为32.5-2×16.25/50-2×25 MVA，连接组别为Dyn1-yn1，半穿越阻抗电压16%（50 MVA）、全穿越阻抗电压6.67%（50 MVA）、分裂系数5.38；变压器A、B 两个分支分别接带6.3 kV 两段厂用母线。2019 年7 月14日，6.3 kV A 分支某馈线开关出口处第二次发生UW 相短路故障（第一次UW 相短路故障为同一间隔同一位置，发生于2009 年）。检查发变组故障录波器，高厂变A 分支短路电流分别为U 相20 961 A、W 相20 549 A，短路故障由馈线开关电流速断保护切除，故障持续时间120 ms。

依据《电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》（DL/T 1093—2008）附录A“绕组变形检测与变压器承受短路次数的规定”，当变压器遭受外部短路冲击达到规定值时（如表1 所示），为防止变压器绕组变形诱发事故，应及时安排检测[2]。依据附录A 短路计算结果和故障录波器实测短路电流值，本次短路电流比率已超出95%；鉴于该分支已发生过一次相同位置的UW 相短路故障，且高厂变对发电厂的重要程度，记近端短路冲击2 次，应尽快开展绕组变形相关检测试验。为防止短路冲击已经造成变压器绕组变形和早期短路故障，立即进行了变压器油色谱试验，并在第4 d、10 d、30 d 跟踪了油色谱情况，试验均合格，变压器监视运行。

表1 短路电流比率与允许不检测次数对照表

1.2 高厂变短路冲击造成绕组变形

按照《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—1996）第6.11.c 条款“变压器出口短路后可进行的试验”[3]，在机组停运后，立即开展了直流电阻、短路阻抗和绕组频率响应特性试验，直流电阻试验合格，但短路阻抗和频响特性试验均不合格。

1.2.1 短路阻抗试验数据分析

机组停运后，完成了变压器的低电压短路阻抗测试试验，分别测量了变压器的半穿越阻抗、全穿越阻抗和分裂阻抗，具体的试验数据如表2 所示。

表2 短路阻抗的初始值和故障后的实测值

依据《电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》（DL/T 1093—2008）中的6.3.1 条款规定，容量100 MVA 及以下且电压220 kV 以下的电力变压器绕组参数纵向比较的相对变化不应大于±2%；依据变压器厂产品试验报告第2 条“保证值、实测值、允差”，半穿越短路阻抗的允许误差为±7.5%、全穿越短路阻抗的允许误差为±10%。由此，可以判断变压器A 分支U、W 相和B 分支V 相存在绕组变形问题，A 分支W 相变形较为明显。

《电力变压器第5 部分：承受短路的能力》（GB 1094.5—2008）将检测短路电抗值作为判断变压器是否承受住短路电流冲击的规定项目，并指出“观察测量电抗的可能变化是特别重要的”[4]。现场用低电压测试短路阻抗以判断变压器绕组有无变形已有多年，多次检出了动稳定状态劣化的大中型电力变压器，并经器身检查得到验证和处理，避免了变压器短路损坏事故。因此，试验数据对判断绕组变形问题有较强的权威性。

1.2.2 频率响应法绕组变形试验数据分析

完成了变压器绕组变形的频率响应法试验，测量并形成了低压侧A 分支绕组的频率响应曲线和相关系数。依据《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》（DL/T 911—2004）第7 条“绕组变形的分析判断”[5]，对变压器三相绕组进行横向比较。结果显示，三相绕组的频谱曲线一致性较差，W 相绕组频谱曲线的波峰和波谷在100～600 Hz、600 Hz 以上的波形段与其他两相相比有明显变化；而低压侧B 分支频谱曲线在各个频率段的一致性均较好。中频段波峰波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象；高频段波峰波谷位置发生明显变化，通常预示着绕组可能存在整体位移或引线位移现象。另外，依据《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》（DL/T 911—2004）附录A“用相关系数R辅助判断变压器绕组变形”，中频段相关系数R＜0.6，说明变压器存在明显变形问题。由实测数据可知，中频段U、W 相的相关系数R分别为0.57 和0.37，说明变压器绕组存在明显的变形问题。

1.2.3 变压器吊罩检查绕组变形情况

在完成试验数据的初步分析后，为及早确定故障程度[6-7]，为下一步问题的处置预留充足的时间，立即对变压器进行了吊罩检查，并重点对遭受冲击的高压侧W 相、低压侧A 分支UW 相绕组的变形、移位和固定情况进行检查。变压器吊罩后发现，高厂变低压侧A 分支U 相出线端、W 相出线端及尾端绕组存在明显的位移、变形、紊乱现象。由于变压器分裂方式为幅向分裂（B 分支绕组位于最里侧、高压侧绕组位于中间、A 分支绕组位于最外侧），无法看到高压侧及B 分支绕组的变形情况及空间位置。变压器吊罩后的检查结果也印证了2 个试验所判断的U、W 相绕组存在变形且W 相变形较为明显的结论。

1.3 高厂变绕组变形的处置

受变压器返厂大修的运输条件、检修工期等因素影响，变压器不具备返厂修复条件，决定在现场对绕组进行简单复位并监视运行。另外，考虑到高压侧绕组和低压侧B 分支V 相绕组变形无法检查处置、变压器绝缘纸板垫块等老化、容量不满足实际需求的影响，以及现场修复时千斤顶无法达到制造厂上百吨压紧装置对绕组压紧固定的效果、变压器短路阻抗整体增大、绕组抗短路能力进一步弱化的现状，同步启动变压器的更新改造工作，对变压器进行整体更换。

变压器现场修复结束后，除常规试验外，再次开展了短路阻抗、绕组变形、局放、交流耐压等特殊试验，验证变压器不存在潜在故障现象；变压器再次投运后，按照规程要求持续跟踪了变压器油色谱试验，并下发了专项措施规范设备启停，严防系统再次发生短路故障冲击变压器。

2 对变压器绕组变形的几点看法

从本次高厂变绕组变形的处置过程可以看出，以下几点非常关键：一是通过故障录波器，检查并确认变压器承受的短路电流值和短路冲击时间，并通过短路电流及累计冲击的次数，确定是否需要立即开展绕组变形等诊断试验。二是在变压器遭受冲击后，立即开展油色谱分析，确保变压器无早期故障现象；在变压器无故障的情况下，做好运行监控，防范系统再次短路冲击变压器。三是达到短路冲击次数要求的变压器，要立即按照《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—1996）要求，开展直阻、绕组间及对地电容、短路阻抗、频响特性、空载电流和损耗试验，必要时进行局放试验，对变压器进行进一步诊断。四是诊断试验显示变压器存在明显变形问题的，要尽快安排吊罩检查，评估变压器绕组变形的程度，并进行修复。五是修复后的变压器要重新进行变比、绕组变形、短路阻抗、交流耐压、局放等全套试验，评估变压器修复效果，留存变压器修复后的原始数据并作为下次试验数据比对的初始值。六是要汲取短路冲击教训，采取措施避免变压器再次遭受系统短路冲击，确保变压器长周期安全运行；变压器投运后，按照规程要求持续跟踪变压器油色谱。

3 意见和建议

对于系统的区外故障，只有继电保护专业通过定期检查故障录波器，才能发现变压器所承受的短路电流值和时间，而这2 个数据恰恰是电气一次专业对变压器开展状态分析的关键。因此，建立变压器短路冲击台账记录，并定期向电气一次专业通报数据非常重要，应健立完善类似机制。根据台账记录，适时开展变压器状态评估，做好短路冲击后的诊断试验，对防范变压器绕组变形诱发短路事故意义重大，应加以重视。对遭受冲击后的主变压器，应采取变更中性点运行方式、提高继电保护动作可靠性和快速性、采取措施避免短路频次等手段，避免变压器再次遭受冲击，这也是防范大型变压器事故的关键。