220 kV變電站主變差動跳閘故障探討

高朝輝

（中廣核風(fēng)電有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

變壓器是變電站重要的組成部分，對確保變電站的正常運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，在變壓器的實(shí)際工作過程中，它的周圍存在諸多不利影響因素。長期處于這種環(huán)境可能導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)故障，給變電站各項(xiàng)工作的順利開展帶來負(fù)面影響。某220 kV變電站所發(fā)生了2次主變差動跳閘故障：第一次故障發(fā)生在出線開關(guān)柜，導(dǎo)致220 kV的1號主變壓器三測開關(guān)發(fā)生了跳閘；第二次是3號主變壓器的開關(guān)柜和8號電容器的開關(guān)柜發(fā)生不同程度的故障，進(jìn)而引起3號主變壓器的三側(cè)開關(guān)以及8號電容器均發(fā)生跳閘。結(jié)合變壓器的工作情況進(jìn)行深入分析研究發(fā)現(xiàn)，這2起變壓器跳閘故障都是由于開關(guān)柜內(nèi)澆注式電流互感器發(fā)生了不同程度的絕緣擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地，且會受到電弧漂移造成的不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致相間短路，最終引起主變壓器發(fā)生跳閘故障。為了及時(shí)恢復(fù)變電站的正常工作，要對其跳閘故障進(jìn)行深入分析研究，制定相應(yīng)的解決措施，進(jìn)而在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)變電站的正常運(yùn)行。

1 故障基本情況概述

該220 kV變電站與這2次主變壓器跳閘故障相關(guān)的一次主接線結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

在第一次故障發(fā)生前，變電站的220 kV的IA母線、IB母線以及II母線處于并列運(yùn)行的狀態(tài)中，35 kV的I、II以及III段母線正處于分裂運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 變電站與主變壓器跳閘故障相關(guān)的一次主接線結(jié)構(gòu)示意圖

在第二次故障發(fā)生前，變電站的220 kV的IV母線、IB母線以及II母線處于并列運(yùn)行的狀態(tài)中，35 kV的I、II以及III段母線正處于分裂運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 第一次故障

在發(fā)生第一次跳閘故障時(shí)，變電站的主控室后臺發(fā)出警報(bào)，其中35 kV線路中的I段母線與地面接觸，會引起1號變壓器采取相應(yīng)的差動保護(hù)措施，進(jìn)而導(dǎo)致其中的101、201以及301等開關(guān)發(fā)生跳閘，引起I段母線的失壓故障。通過對變壓器進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢查后發(fā)現(xiàn)，其中的1號消弧線圈控制和接地選線裝置出現(xiàn)了接地行為。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，311的開關(guān)后柜門已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，其內(nèi)部也發(fā)生了不同程度的損壞。檢查發(fā)現(xiàn)，母線側(cè)的B相電流互感器上存在非常嚴(yán)重的貫穿性裂紋，如圖2所示。

圖2 出現(xiàn)了貫穿性裂紋的電流互感器圖

根據(jù)圖2能夠看出，電流互感器的裂紋表面具有明顯的灼燒跡象，同時(shí)能根據(jù)灼燒的痕跡辨別其中的線包部分。發(fā)生故障后的311開關(guān)柜、兩相電流互感器以及線排的情況如圖3所示。根據(jù)圖3發(fā)現(xiàn)，手車柜內(nèi)部的測溫蠟片沒有出現(xiàn)熔化跡象，表明發(fā)生故障時(shí)的溫度不高，由此造成的燒傷情況也并不嚴(yán)重。

圖3 發(fā)生故障后的裝置外觀圖

對311開關(guān)的B相電流互感器利用2 500 V兆歐表檢測其主絕緣電阻的大小，發(fā)現(xiàn)其絕緣電阻已經(jīng)失效變?yōu)? Ω。為了進(jìn)一步探究其失效原因，對該交流互感器進(jìn)行拆卸研究，拆解后如圖4所示。從圖4的互感器能夠明顯看出，它存在一定的分層現(xiàn)象，且絕緣部分存在明顯的裂痕，但是互感器內(nèi)部并沒有采取有效的緩沖保護(hù)，會給其順利工作帶來安全隱患。

圖4 311B相電流互感器的解剖檢查圖

1.2 第二次故障

第二次故障發(fā)生時(shí)，通過主控室能夠看出，35 kV的III段母線出現(xiàn)了不同程度的接地。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，3號主變壓器采取相應(yīng)的差動保護(hù)措施，隨之7號和8號電容器的定時(shí)限低壓進(jìn)行了有效保護(hù)，導(dǎo)致103、203、303、331以及333等開關(guān)均出現(xiàn)了保護(hù)性的跳閘行為，導(dǎo)致35 kV III段母線出現(xiàn)失壓行為。通過檢查變壓器的故障位置后發(fā)現(xiàn)，位于303開關(guān)柜內(nèi)部的B相電流互感器出現(xiàn)了如圖5所示的嚴(yán)重故障，A相電流互感器存在相對較輕的灼燒跡象。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于333開關(guān)柜內(nèi)部的8號電容器發(fā)生了如圖6所示的絕緣擊穿問題。

圖5 發(fā)故障后的B相電流互感器圖

圖6 發(fā)生了絕緣擊穿的電纜頭圖

為了分析研究故障發(fā)生的整個過程，根據(jù)記錄的故障錄波信息發(fā)現(xiàn)，故障的起始位置是3號主變壓器的303開關(guān)。該處出線主變壓器側(cè)的B相最先出現(xiàn)了單相接地故障，隨之333開關(guān)出線的8號電容器側(cè)C相也發(fā)生了相應(yīng)的接地故障，即在B、C兩相之間發(fā)生了異點(diǎn)接地短路故障。在B、C兩相發(fā)生故障的一個波長時(shí)間后，3號主變壓器的303開關(guān)出線主變壓器側(cè)的A相也發(fā)生了接地行為，進(jìn)而與B、C兩相形成了三相短路故障。

2 故障原因分析

2.1 電流互感器主絕緣擊穿原因分析

根據(jù)文中2次故障情況概述不難發(fā)現(xiàn)，這2次主變壓器跳閘故障均是由電流互感器的主絕緣發(fā)生擊穿而引起的，發(fā)生擊穿的電流互感器型號相同，且出自同一生產(chǎn)批次。在第一次故障中，311開關(guān)柜內(nèi)部的A、C兩相電流互感器和線排狀態(tài)良好，沒有造成損壞的情況，且其內(nèi)部測溫片沒有出現(xiàn)融化情況，表明該次短路故障過程中釋放的能量并不高，且其電氣接觸狀況良好。因此，初步判斷短路故障無法造成B相電流互感器外殼發(fā)生炸裂。通過對電流互感器進(jìn)行深入解剖研究發(fā)現(xiàn)，它的內(nèi)存具有明顯的分層現(xiàn)象，且緩沖層缺失，同時(shí)在發(fā)生炸裂時(shí)沒有采取相應(yīng)的屏蔽措施。澆注式電流互感器的主要材質(zhì)是環(huán)氧樹脂，與金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大[1-2]。為了避免環(huán)氧樹脂向內(nèi)進(jìn)行固化收縮時(shí)損害鐵心，需要設(shè)置相應(yīng)的緩沖層，以采用毛氈、聚氯乙烯泡沫以及半導(dǎo)體聚酯非織布等材料進(jìn)行填充。同時(shí)，由于樹脂外部包裹有緩沖層，還能起到防止環(huán)氧樹脂開裂的作用。互感器內(nèi)部設(shè)置屏蔽層的主要目的是提高互感器表面的網(wǎng)絡(luò)電壓，且有助于改善其局部放電性能。通過分析發(fā)現(xiàn)，正是由于局部過量放電造成固體的絕緣失效。因此，正是內(nèi)部緩沖層和屏蔽措施的缺失，導(dǎo)致了311開關(guān)B相電流互感器外殼裂開及絕緣擊穿故障的發(fā)生。

2.2 相間短路故障原因分析

在第一次變壓器發(fā)生跳閘故障時(shí)，其中的消弧線圈正處于7檔運(yùn)行的工作狀態(tài)，通過的補(bǔ)償電流大小為27 A。變壓器正常工作時(shí)，系統(tǒng)電容中的電流為30.5 A。進(jìn)行一定的補(bǔ)償處理后，殘余電流則保持在3.5 A左右。在變壓器進(jìn)行工作的過程中，消弧線圈能夠?qū)﹄娀∵M(jìn)行有效控制，確保其能夠自動熄滅，進(jìn)而確保單相接地能夠自行消失[3]。但是，在第一次故障發(fā)生時(shí)，單相接地并未消失，且經(jīng)過一段時(shí)間后演化成為相間短路。通過對311開關(guān)柜以及相關(guān)的互感器和線排進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢查后發(fā)現(xiàn)，正是由于接地電弧發(fā)生了一定程度的漂移，最終造成相間電路的形成[4]。對于氣體和液體形式的絕緣，消弧線圈能夠?qū)ο到y(tǒng)中電容的電流進(jìn)行科學(xué)合理補(bǔ)償，進(jìn)而盡快恢復(fù)系統(tǒng)的絕緣性能，能夠有效避免單相接地進(jìn)一步發(fā)展成為相間短路。但是，對于固體形式的絕緣方式，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生絕緣擊穿后，其放電通道上會出現(xiàn)間隙性的電流，且由于該電流中的阻性分量相對較大，加之無論是放電通道還是消弧線圈的電流變化都存在過渡過程，消弧線圈無法對絕緣擊穿后的接地電流進(jìn)行有效補(bǔ)償[5-6]。

3 故障預(yù)防措施

3.1 澆注式電流互感器絕緣擊穿故障的防范

通過2次變壓器跳閘故障原因的分析可知，故障主要是由于其中的澆注式電流互感器質(zhì)量不符合要求，在長期局部放電的作用下造成了絕緣擊穿的發(fā)生。針對以上電流互感器存在的缺陷，為了能夠及早發(fā)現(xiàn)，要在電流互感器進(jìn)行工作前對其進(jìn)行系統(tǒng)全面的局部放電試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量合格的電流互感器局放量通常在50 pC，但是存在缺陷的電流互感器其局放量將會高達(dá)數(shù)百pC。

3.2 中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)弧光接地危害的消除

為了有效避免弧光接地所造成的不利影響，對單相接地電流超過30 A的10 kV系統(tǒng)和單相接地電流超過10 A的35 kV系統(tǒng)，要增設(shè)相應(yīng)的消弧線圈。通過消弧線圈能夠?qū)蜗嘟拥剡^程中的對地電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，進(jìn)而促使電弧熄滅。電弧熄滅的時(shí)間越短，對防止相間故障的發(fā)生越有利[7]。將中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)運(yùn)用于弧光消除中，能夠迅速將單相接地相通過金屬性接地進(jìn)行旁路，進(jìn)而有效避免因單相接地發(fā)展為相間短路故障。

4 結(jié) 論

變壓器是變電站的重要組成設(shè)備，對確保變電站的正常運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對變壓器的跳閘故障進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析研究，結(jié)合實(shí)際情況，采取有針對性的改善措施，可為變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障，為人們工作和生活的順利進(jìn)行提供充足的電能供應(yīng)。