SVG变压器短路故障分析与处理技术研究

苏永强 陈 影

（中国电建集团福建工程有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

随着国内用电需求的激增，我国电力系统逐渐向高压、大容量、自动化和智能化进一步发展，对电网运行的稳定性与可靠性的需求也日益突出[1-3]。电气设备是电力系统的核心，是供电可靠性的基础，也是用电安全的重要保障。变压器作为电力系统的重要设备之一，要完成系统的升压、降压功能，是系统中故障发生频率较高的设备，其工作稳定性和可靠性是输配电系统安全稳定运行的重要保障。变压器一旦出现故障，轻则引起局部地区停电，重则导致大面积电力瘫痪，甚至威胁到国民的人身财产安全，造成巨大的经济损失[4-5]。在变压器故障中，短路故障是代表性故障之一。探讨准确、及时且有效的故障诊断方法来诊断出变压器潜在故障，保证变压器的健康、稳定运行，进而提高电力系统的稳定性是亟待解决的问题。35 kV电网承担着直接向工业用户供电的重任，因工业用户生产情况复杂，系统中SVG变压器短路的故障现象时有发生[6]。为此，该文以某公司35kV SVG变压器短路故障为分析对象，基于短路故障现象，通过梳理故障发展过程，分析引起故障的根本原因，进而提出治理措施。

1 故障现象

某风电场升压站#1 SVG变压器型号为SC10-5000/35，其额定工作电压为（35±2×2.5%）/10 kV，于2012年出厂，2012年投运，设备铭牌数据见表1。

表1 设备铭牌

2021年初，因高压侧A相外绝缘损坏，该变压器返厂大修。#1 SVG变压器在2022年2月25日下午监控后台显示过流速断保护动作，跳开高压侧开关。操作人员发现该现象后立即赶到现场检查，检查时发现# 1SVG变压器室存在以下问题：1）在# 1SVG变压器靠近B相低压侧附近有只烧焦的老鼠，变压器B相低压侧绕组头尾引出线外绝缘严重烧毁，变压器高压侧绕组A相及B相外表面存在过热痕迹现象，如图1所示。2）变压器A相、B相高压侧绕组无载调压抽头位置及附近有明显的电弧灼黑痕迹，变压器A相、B相高压侧绕组引出线金属连接位置有熔化现象，如图2所示。3）变压器高压侧35 kV电力电缆A相及B相铜屏蔽线有被严重灼伤现象，如图3所示。4）变压器高压侧A相电缆头附近外表面有明显放电及熏黑的痕迹，如图4所示。

图1 低压侧绕组引线绝缘烧毁及A相、B相高压绕组外表面过热

图2 高压绕组抽头位置及高压绕组引出线位置

图4 高压侧A相电缆头外表面的放电痕迹

2 故障分析

2.1 短路电流计算

由于SVG变压器室密封不良，老鼠跑进变压器室并爬到变压器低压侧B相绕组上，进而导致B相低压侧绕组头尾引线出现短路，继而引起低压侧绕组和高压侧绕组都产生了很大的短路电流。

2.1.1 变压器低压侧短路电流计算

变压器阻抗ZT（单位为Ω）如公式（1）所示。

式中：U׳k为变压器的阻抗电压的百分比；U2为低压侧系统的标称电压，单位为kV；ST为变压器的容量，单位为kVA。

变压器低压侧三相短路稳态电流的有效值Ik（单位为A）如公式（2）所示。

对SC10-5000/35型SVG变压器有ST=5000kVA，U׳k=0.1189，U2=10kV，可得ZT=2.3780Ω，Ik=2549.28A。

2.1.2 变压器高压侧短路电流计算

变压器高压侧短路电流的稳态值Id（单位为A）如公式（3）所示。

式中：IN为变压器高压绕组的额定电流，单位为A。

根据《三相交流系统短路电流计算》[7]，可得瞬态最高短路电流峰值Idm（单位为A）如公式（4）所示。

对SC10-5000/35型SVG变压器有IN=82.5A，进而可得Id=693.86A，Idm=1769.34A。短路电流与短路阻抗成反比，短路阻抗越小，短路电流愈大。

2.2 变压器故障原因分析

结合以上变压器现场故障图片及变压器低压侧绕组、高压侧绕组的短路电流计算结果，得出变压器低压侧B相绕组头尾引出线由于小动物引起短路后短路电流很高，在短路点出现电弧，电弧能量很大，温度较高，并且由于变压器低压侧B相绕组引线与A相低压侧绕组引线之间的距离比较近，因此A相及B相低压侧绕组引出线之间出现了弧光短路。

低压侧绕组A相及B相低压侧短路后，引起变压器高压侧A相及B相绕组产生很大电流，强大电流使变压器绕组热量迅速产生并大量积累，大电流通过变压器高压绕组时造成变压器绕组及固体绝缘过热，进而导致变压器的A相高压侧绕组及B相高压侧绕组外表面绝缘存在过热痕迹现象。由于高压侧无载调压绕组抽头及高压绕组引出线位置暴露在空气中，因此在高压侧无载调压绕组抽头位置及高压绕组引出线位置出现了很大的电弧，电弧沿着高压侧绕组固体绝缘表面放电，造成变压器A相、B相高压侧无载调压绕组抽头位置及附近有明显的电弧灼黑痕迹，并导致变压器A相、B相高压侧绕组引出线金属连接位置出现严重熔化的现象。

2.3 变压器高压侧电缆故障原因分析

当变压器高压侧无载调压绕组抽头位置及高压绕组引出线位置出现电弧时，由于高压侧35 kV电力电缆A相及B相的铜屏蔽线安装时比较靠近B相无载调压绕组抽头位置，因此引起电弧对铜屏蔽线直接放电，导致A相及B相电缆的铜屏蔽线严重烧伤。且A相高压侧电缆头位置比较靠近A相高压侧无载调压绕组抽头位置附近，导致了A相高压侧无载调压绕组抽头直接对电缆头外表面发生电弧放电，进而造成A相高压侧电缆头位置附近有被放电及熏黑的痕迹。

3 故障处理

3.1 电气试验

故障发生后，现场业主单位技术负责人立即通知施工单位试验人员对变压器及电缆进行了相关的电气试验。变压器电气试验项目及结果如下。

3.1.1 试验条件

试验于2022年3月7日在“#1 SVG降压变”场地进行，环境温度为18 ℃，相对湿度为70%，采用诊断性试验。

3.1.2 绕组直流电阻测量

采用型号为BZC391A的变压器直流电阻测试仪分别对高压侧、低压侧直流电阻进行测量，高压侧绕组直流电阻测量结果见表2，低压侧绕组直流电阻测量结果见表3。

表2 高压侧绕组直流电阻

表3 低压侧绕组直流电阻

3.1.3 绕组变比和接线组别检定

采用型号为JD2932B的变压器变比测试仪对绕组变比和接线组别进行测量，测量结果见表4。

表4 绕组变比和接线组别检定结果

3.1.4 绝缘电阻测量

采用型号为KD50A的数字高压兆欧表对绝缘电阻进行测量，测量结果见表5。

表5 绝缘电阻测量结果

3.1.5 交流耐压试验

采用型号为YDBJ-5KVA的试验变压器进行交流耐压试验，试验结果见表6。

表6 交流耐压试验结果

3.1.6 低电压短路阻抗法绕组变形试验

采用型号为DS2000D的低电压短路阻抗测试仪进行低电压短路阻抗法绕组变形试验，试验结果见表7。

表7 低电压短路阻抗法绕组变形试验结果

35 kV电力电缆试验项目及结果如下：1）试验条件。试验于2022年3月7日在“#1 SVG降压变本体-#1 SVG降压变305开关柜”进行，环境温度为18 ℃，相对湿度为70%，采用检修性试验。2）绝缘电阻测量。采用型号为2 500 V/20 000 MΩ的兆欧表进行绝缘电阻测量，试验结果见表8。3）交流耐压试验。采用型号为FYQ-500/0.00075的变频串联谐振高压试验装置进行交流耐压试验，试验结果见表9。

表8 绝缘电阻测量结果

表9 交流耐压试验结果

从综合变压器及电缆的电气试验项目及结果可以看出，变压器本体及A相高压侧电缆的试验数据是正常的，特别是变压器直流电阻测量、变比测量及低电压短路阻抗测量与历史数据比较均没有明显的差别。

3.2 处理措施

该文基于上述变压器及电缆试验报告，从节省成本的角度出发，提出的变压器及电缆故障的处理措施如下：1）由于检查变压器A相及B相外绝缘表面没有存在裂纹，只是被灼黑，因此只用酒精布擦洗干净，然后在外表面重新喷涂PRTV绝缘涂料。2）对变压器B相低压侧绕组头尾引线出头绝缘破损，采用玻璃纤维绝缘带重新绑扎后再涂上PRTV绝缘涂料。3）变压器A相及B相高压侧绕组引出线金属连接位置出现熔化现象，由于拆除困难，只能把熔化部份金属表面打磨光滑并用酒精擦洗干净。4）变压器高压侧A相及B相电缆铜屏蔽线烧损则是采用直管铜鼻子对接后用压接钳压接好，并用绝缘胶带重新绑扎好。5）针对高压侧A相电缆头附近外表面有明显放电的痕迹，绝缘表面没有破损，因此只是用酒精棉擦洗干净。

故障处理后的变压器整体效果如图5所示。当变压器正常运行时，作用在绕组上的电动力比较小，但是当变压器发生短路时，最大的短路电流将达到额定电流的几十倍，所以变压器短路时会产生很大的电动力，可能使变压器绕组等损坏。干式变压器短路后，由于其绕组线圈是被固化的，可以抵抗很大的电动力，因此过电流能力比油浸式变压器强。该次的这台SVG变压器故障检修处理完后，当天就投入运行。经过一段时间的带电监测跟踪，变压器的运行状态稳定。

图5 变压器故障处理效果

4 结语

变压器发生短路故障后，主要损坏的是绕组线圈，因为电流增大后，受到电动力的影响，绕组线圈会变短变粗，所以会造成变压器绕组变形，严重时可能会造成绕组线圈固体绝缘损坏，引起内部绕组线圈短路。由于是干式变压器，绕组线圈及环氧树脂绝缘都是被固化的，因此变压器发生短路后，看不出来线圈内部变形情况。可能当时也没什么影响，但是短路次数多了以后，绕组线圈变形会越来越严重。为了今后更好地进行室内变压器的运行及维护，防止干式变压器损坏，该文特提出以下建议：1）要做好SVG变压器室内的密封，防止小动物误入SVG变压器室内，导致变压器发生短路故障。2）变压器出厂设计时建议厂家增加高压绕组引出线位置接触面积，提高载流能力。3）高压侧电缆安装时，要按规定控制好电缆头与高压绕组引出线、铜屏蔽线与变压器绕组无载调压抽头之间的距离，铜屏蔽线接地安装时要靠在电缆外侧（即变压器围栏侧）。4）运行中对SVG变压器要加强带电监测跟踪，包括红外测温监测及各个运行参数监测。5）定期加强停电试验及变压器检修，检修时要对变压侧各绕组引线的接触面认真检查，防止螺栓在运行中因振动而产生松动，引起绕组引线接触不良。