500kV变电站主变压器运行和维护技术探讨

国网湖北超高压公司荆门运维分部 陈光辉 陈 晨 李佩瑶 王沐东

国网湖北省电力有限公司超高压公司 罗 溪 国网湖北省电力有限公司鄂中运维分部 罗丹妮 项书婉

500kV变电站一般作为枢纽变电站，是电力系统中不可或缺的重要组成部分，其主要作用和功能集中在以下五个方面：对不同发电厂的发电主干线路予以汇集，并与电力网中的若干个关键点、下一级电压的电力网连接；作为大中型发电厂最高一级电压电力网的连接点；多个枢纽变电站以及电网主干线路共同组成电力网的骨架；可作为相邻电力系统之间的“联络点”；为下一级电压电力网提供电源。500kV变电站能够实现上述功能、发挥相应的作用的前提是，变电站的核心设备——主变压器必须长时间处于良好的运行状态，且得到高质量维护。

1 500kV变电站主变压器内涵简析

1.1 500kV变电站主变压器的特点

不同类型的发电厂在日常生产中，将其他形式的能转化为电能之后，通过配电网络传输给广大用电户。如果在低电压下传播，大量电能会被损耗，综合利用率极低。因此，在电力电网的起始端及中段分别设置变电站，并在其中设置变压器设备，使电能从电厂出发时，升级成高电压，将电能传输至用电户端前降低为低压，可有效降低传输过程中的电能损耗量。无论是何种级别的变电站，其主变压器的特点大同小异。

如图1所示为变压器的原理图，具体来说，图1中的整体结构即为变压器。其中，紫色线圈为与电源连接的线圈，主要用于接收交流电，这便是“一次绕组”，U1、I1、E1、N1分别表示一次绕组的电压、电流、电动势、零线有关参数（如零线的电压）；图1中的绿色线圈为与负载相连的线圈，用于送出交流电能，被称为“二次绕组”，其中U2、I2、E2、N2分别表示二次绕组的电压、电流、电动势、零线有关参数。变压器同时与一次绕组、二次绕组交链，磁通量的向量一般以φm表示，该磁通量便是主磁通量。

图1 变压器构成及运行原理图

当变压器一次绕组、二次绕组的电压、电动势瞬时值的变化规律呈现出“正弦”波动的特点时：一次绕组电压/二次绕组电压=一次绕组电动势/二次绕组电动势=一次绕组零线处电压/二次绕组零线处电压。如果忽略变压器铁芯的损失，那么根据能量守恒定律可得出的结论是，一次绕组的功率（即一次绕组的额定电流与额定电压的乘积）与二次绕组完全相同，这意味着一次绕组、二次绕组的额定电压和额定电流均完全相同。总体来看，500kV变电站主变压器的构成与其他级别变压器之间并无本质不同。

1.2 500kV变电站主变压器的配置与运行原理

本文案例中，500kV变电站主变压器主要配置为“双重保护”模式。其中，主保护一般采用“纵联差动”机制——当主变压器发生故障且达到一定严重程度时，差动保护机制会迅速启动，将变压器从电网电路中断开（电源不再向变压器供电）[1]。在此基础上，控制系统还会对变压器覆盖范围内的电流情况进行有效检测，以确定最大故障电流所在区域，最终达到保护变压器的目的。为有效提高500kV变电站主变压器的灵敏度，技术人员需以牵制系统作为比对对象，完成对主变压器的设置。这样做的目的在于，当变压器出现故障之后，由于产生的短路电流会明显超出正常电流，故相应产生的动作电流也会随之增大。这时，控制系统会基于制动比率，在极短时间内迅速做出选择。

1.3 500kV变电站主变压器运行相关要求分析

本案例中，500kV变电站主变压器若要正常运行，对环境、温度、电源电压变化等提出的要求如下：其一，对环境的要求。500kV变电站主变压器所处的环境的温度必须长时间保持稳定性。原因在于，如果环境温度发生较为明显的变化，则500kV变电站主变压器的使用寿命会在不同程度上降低。有数据表明，如果变压器的绝缘温度长时间处于95℃这一较为恒定的状态，那么变压器可以在近20年内保持相对稳定状态，性能几乎不会明显下降；如果变压器的绝缘温度长时间达到105℃时，变压器的寿命会大幅度降低，最多只能稳定运行7年；如果变压器的绝缘温度长时间达到120℃的高温状态，那么变压器最多使用2年，便有可能发生不可逆的损害，情况严重时甚至直接报废。

基于此，技术人员必须对变压器所处环境进行有效检查，确保变压器绝缘温度长时间处于95℃及以下，尽量延长变压器的寿命。其二，对温升的要求。500kV变电站主变压器处于运行状态时，技术人员必须对多个元器件的温度升高过程进行精确控制，尽量避免出现诸如“大量元器件在极短时间内迅速升高”“变压器的某些元器件长时间处于较高温度”的事件。如果无法做到，则500kV变电站主变压器的使用寿命同样会降低。

2 500kV变电站主变压器在不同运行状态下的维护策略

2.1 500kV变电站主变压器的正常运行及维护技术

本案例中，500kV变电站主变压器正常运行期间，如果检修维护人员没有发现明显异常，表明变压器当前保持常规运行状态。此时检修维护人员需要做到：对每日送电前及断电后的主变压器工作记录进行充分记录并做好归档工作，定期总结，尽可能找出并及时处理潜在的安全隐患。与此同时，检修维护人员每天都应围绕与主变压器有关的各项作业是否能够正常进行判断，重点针对主变压器的多个阀门位置是否保持正常状态、瓦斯继电器等单元的连接方式是否正确、继电保护等装置是否依然能够随时发挥作用、有关引线的连接是否出现松动、如法兰装置等是否出现漏油情况。

在500kV变电站主变压器正常运行期间，如果出现突发情况，导致变压器因受外部冲击作用或是跳闸等影响，在短时间内无法正常发挥作用，进而被迫断开连接时，检修维护人员必须立刻对变压器的外部完整性、中性点等进行全面检查，不可忽视这类异常的严重性。

2.2 500kV变电站主变压器出现运行异常时的特征及维护策略

导致本案例中的500kV变电站主变压器运行期间出现问题的主要原因是，变压器长时间运行过程中铜铁损耗是不可避免的，这是因为这些具有导电性的金属材料在通电的过程中会做功，进而产生热量（同时便会造成铜铁损耗）。受此影响，变压器自身的温度会随之升高。上文提到，如果变压器所处的环境不佳，导致产生的热量无法有效向外散发，那么变压器内部的多种元器件以及构成材料在长期处于高温的环境下，老化及损耗速度均会加快，情况严重时甚至破坏某些结构的完整性。

基于此，检修维护人员如果检测到主变压器出现异常情况（包括漏电、漏油、温度始终过高），意味着主变压器可能长时间处于异常运行状态，而不是因为某个突发故障而导致当前现象。针对这些异常情况的检修维护处理方法如下：其一，检修维护人员如果发现主变压器的当前油位与当前的油温并不对应时，应当果断将变压器的电源开关断开，将变压器从电网电路中“摘除”。

这样做的目的在于：如果依然是电压器保持通电状态，且确定存在漏油情况，情况严重时会因高温、漏电、漏油而导致爆炸事故，这样的后果必须尽量避免。在断电之后，检查维护人员可尝试将油补充完整，或是使油温降低，查找导致油位与油温不对应的原因。待将所有安全隐患完全排除后，方可将主变压器重新接入电源，确保变压器整体保持运行安全性与稳定性；如果主变压器因何种原因出现爆炸或是火灾事故，如果检修维护人员身处现场且自身安全可得到保障时，应当抓紧宝贵时间，立刻将主变压器各侧的断路器全部断开并将隔离开关拉开。如果时间允许，还应打开500kV变电站均按照相关要求设计的预喷淋灭火系统，尽量延缓火情发展速度。与此同时，还可以打开放油阀，尽最大可能降低损失[2]。

3 500kV变电站主变压器运行期间的维护管理要素

3.1 建立健全变压器周期性检修与送电维护机制

本案例500kV变电站主变压器正常运行期间，检修维护人员应当建立健全与主变压器有关的周期性检修与送电维护机制，及时发现并处理好主变压器存在的故障，尽量延长其寿命。具体要求如下。

其一，应制定完善的全体系电气设备分级运行机制。该机制的主要作用是，在包括主变压器在内的变电站所有设备正常运行期间，做好技术性数据的收集与评估工作。正常情况下，变电站各类设备的运行工况会呈现出周期性变化的规律。相关数据以及对应的曲线如果出现异常波动，意味着设备本身可能出现了故障。而对应数据的具体波动结果背后往往隐藏着导致故障的原因。基于此，合理、完整地收集主变压器的运行数据，分析导致异常情况产生的原因，制定相应的预防措施，对提高主变压器设备的运行稳定性、故障及时发现及解决率均可产生积极意义。

其二，所谓的“分级”标准并不是凭空设定，而是需要根据各个电力系统设备在变电站、电网中所处位置的重要程度进行科学排布后得出。相应地，电气设备的故障也存在相应的排布次序。一般要求是，检修维护人员应当优先处理排名较高的故障，但这并不意味着可以忽略优先级较低的故障，而是应按照一定的次序，进行全面处理。

其三，包括主变压器在内的所有电气设备都有对应的参数指标。检修维护人员应该围绕这些指标科学设定“检修目标值”。其中的逻辑为：随着主变压器使用时间的累积，必定会在不同程度上出现性能下降的情况。其中，有一些下降的性能可以通过更换零部件等方式恢复到较高水平，但有一些累积性性能受损会呈现出“逐步下降”趋势，只能尽量延缓“下降”的速度，很难完全恢复故障出现前的水平。

基于此，检修维护人员应当根据主变压器设备的运行时间，科学设定“性能恢复目标值”，即对不同工况、出现不动损害、性能不同程度下降的主变压器设备经过检修、维护、保养后，能够恢复到什么水平进行科学预估，在实际检修维护作业中，只要达到该水平即可，彰显出经济性。不仅如此，检修维护人员还应在检修过程中，对主变压器等设备在常规运行情况下，下一次发生故障的时间、原因、规模、严重程度等进行预估，在时间临近时提前做好准备，到时验证，从而达到提高对主变压器设备了解深度的目的。

3.2 在变压器继电保护装置中增设巡检功能

除了日常检修及维护作业之外，技术人员还应注意在500kV变电站主变压器专用的继电保护装置中增设“二次巡检”功能装置。该装置的主要作用是，能够及时发现存在于继电保护系统中的有关问题及故障，进而在主变压器出现有关故障时，能够在第一时间迅速切断主变压器的电源，尽量降低其受损程度。一种思路是，在继电保护装置中，除了常规设置监测主变压器电流、电压、温度、电阻的传感器之外，还应围绕短路电流、动作电流等进行监测。这些电力参数不同于常规参数，在一定程度上体现主变压器的灵敏度。比如通过对变压器组、配置差动速断、比率差动、工频变化量比率差动等参数进行实时测定，发现异常情况时，如果常规机电装置没有动作，则二次巡检设备立刻启动，也可保证变压器的安全。