一臺運行中的戶外油浸箱體變壓器發(fā)生“瞬變故障”的物理化學(xué)現(xiàn)象

秦建凡

(廣東省中山市體育場館管理中心設(shè)備部)

0 引言

本文主要分析論述了一臺運行中的戶外油浸箱式變壓器真實發(fā)生的一次瞬變“故障”時出現(xiàn)的物理化學(xué)現(xiàn)象。整個過程≥0.5‰S，若非本人現(xiàn)場，我這個1981年中技機電專業(yè)畢業(yè)從事高低壓電氣設(shè)備安裝、調(diào)試、使用、維護近40年的內(nèi)行人都很難相信這事“真實發(fā)生過”！

1 現(xiàn)場描述

2019年1月的一天上午，天氣晴好，筆者所在廣東省中山體育館位置附近呈三角形布局同時運行著4臺10kV變壓器及配套的高、低壓變配電設(shè)備。其中500kVA容量2臺，1600kVA容量1臺為樹脂澆注干式變壓器位于體育館建筑物內(nèi)，一臺200kVA油浸箱式變壓器在戶外。位于“有人值守公共廁所”后側(cè)。如下圖所示(距離我所在的維修工房直線距離約40m)。

突然一聲巨響，伴隨維修工房照明出現(xiàn)0.05-0.1s左右瞬間熄滅閃爍后恢復(fù)正常。當(dāng)時在維修廠房門口的我心里猛然一驚！心想：完了，肯定有電氣設(shè)備“炸”了(短路燒了)！便迅速趕到值班室查詢，值班電工反映沒有聽到“巨響”只感覺到燈光“暗了一下”經(jīng)過巡檢未發(fā)現(xiàn)高、低壓設(shè)備異常。此時，公共廁所的環(huán)衛(wèi)工人跑過來說：“變壓器冒煙了！好大一股煙”。聽到這話，我馬上想：戶外箱變“出了問題！”便迅速帶領(lǐng)維修電工趕往40m外的戶外箱變。奇怪的是在“變壓器”旁聽到的卻是變壓器正常工作的輕微低頻電流聲，便再次判斷：可能是“低壓輸出側(cè)的開關(guān)電器出了問題”。該變壓器低壓側(cè)電器包含一路HM3H-630-500A塑殼空氣斷路器，二路HM3H-400-315A塑殼空氣斷路器，6組20kvar補嘗電容及相關(guān)電器。當(dāng)打開箱門能看到殘留的煙霧冒出并伴有臭油氣味。停電檢查，低壓側(cè)所有電器正常，高壓側(cè)絕緣子、油封等均未出現(xiàn)燒壞損毀及滲油過弧現(xiàn)象。

2 事故發(fā)生原因探析

從該案例中發(fā)現(xiàn)一個問題：一聲巨響-伴隨變壓器“冒煙”-運行聲音正常-溫度正常-低壓側(cè)開關(guān)電器正常-高壓側(cè)外部器件正常。到底是哪里出了問題？難道是內(nèi)部熔斷器、繞組“故障”？鑒于此判斷，對變壓器進行了除“預(yù)防性耐壓試驗”外的全部常規(guī)檢查：(絕緣搖測、繞組直流電阻測量、吸收比檢測等)。檢測結(jié)果：高、低壓側(cè)各項指標(biāo)參數(shù)均正常，未發(fā)現(xiàn)影響使用的參數(shù)變化，隨后恢復(fù)通電運行?，F(xiàn)在此變壓器已正常工作一年多。見下圖片：

這里有一個細節(jié)要交待：在筆者剛完成檢查恢復(fù)供電后接到了供電主管部門的電話，詢問我們的電氣設(shè)備運行情況，經(jīng)了解得知：在同一時間同一10kV干線回路上的其他支線用戶中，供電部門進行了檢修后的合閘送電操作。那這是不是我們不常接觸到的“變壓器瞬變現(xiàn)象呢”？

3 變壓器的瞬變現(xiàn)象

變壓器的瞬變現(xiàn)象一直以來都是設(shè)計人員最感興趣和樂于探討的問題。多年來對這個問題一直難以解釋。盡管在對變壓器進行試驗時能夠提供一些引人深入探討的現(xiàn)象，但在試驗過程中，對瞬變現(xiàn)象的模擬試驗仍常會出現(xiàn)解釋不清的問題。如上面描述的現(xiàn)象瞬間在≥0.5‰S內(nèi)發(fā)生又結(jié)束，如若不是“一聲巨響”的物理現(xiàn)象和恰巧被人看見到“冒煙”的化學(xué)現(xiàn)象，誰又會去深入研究燈光“暗一下”的真正原因呢？特別是“巨響”和“冒煙”后未造成任何影響的情況下，更加難以捕捉到運行中變壓器“瞬變現(xiàn)象”的發(fā)生。由此也解釋了變配電站倒送閘操作中經(jīng)常遇到的無故障無原因和一次性合閘操作不成功的現(xiàn)象。

4 變壓器瞬變現(xiàn)象產(chǎn)生的主要成因

變壓器瞬時現(xiàn)象產(chǎn)生的原因歸納如下：

1.高壓和各種起因(包括合閘在內(nèi))的高頻電磁波的影響。

2.陡波前比減緩的系統(tǒng)瞬變操作過電壓。

3.操作涌流。

4.短路電流。

5.過載運行。

由變壓器自身原因產(chǎn)生的瞬變主要由過載運行造成，當(dāng)油浸式變壓器的內(nèi)部出現(xiàn)了過熱的狀況，或者發(fā)生放電故障時，其內(nèi)部油中所溶解的氣體及含量均會出現(xiàn)變化，油中所溶解氣體迅速膨脹就會發(fā)生瞬變，所以分析氣體運行狀態(tài)也是分析瞬變現(xiàn)象的一種手段。然而，本文所述現(xiàn)象發(fā)生的時間段正值上午，變壓器的負荷≥10%，幾乎處于“空載”狀態(tài)，不存在過載。根據(jù)供電部門反饋的同一干線上的支線用戶在同一時間進行了合閘送電操作信息及變壓器“巨響”、“冒煙”后“無癥狀”分析，此次現(xiàn)象屬于典型的操作涌流造成的瞬變現(xiàn)象。也或由多種原因同時作用造成。否則，無法解釋運行中變壓器“巨響”、“冒煙”的物理化學(xué)現(xiàn)象。

5 變壓器瞬時現(xiàn)象分析

同一干線上的支線用戶檢修中存在帶負荷(低壓負荷開關(guān)未斷開)操作，或線纜間電容量大造成合閘高頻電磁波及操作涌流的可能性較大。從而造成了變壓器瞬變現(xiàn)象 的發(fā)生。由于變壓器的繞組浸在變壓器油中，瞬變現(xiàn)象產(chǎn)生的合閘沖擊電流及高頻電磁波像短路弧光一樣在內(nèi)部產(chǎn)生迅速被變壓器油消弧，在消弧過程中產(chǎn)生大量霧狀的白煙及氣體自變壓器的壓力釋放閥(爆出)。這就是一聲巨響及伴隨白煙的原因。由于瞬變產(chǎn)生結(jié)束的時間要遠遠快于繼電保護動作及熔斷器熔斷時間。所以未造成高壓斷路器“保護跳閘”和變壓器內(nèi)的熔斷器熔斷。這里的“白煙”實際上是變壓器油中的烴類物質(zhì)氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等受到急速的膨脹蒸發(fā)而表現(xiàn)出來的情景，以一團“白煙”的形式出現(xiàn)。這也就是維修人員趕到現(xiàn)場聞到的是一種“油臭味”而非電器燒毀的特殊“焦臭”味。瞬變現(xiàn)象雖然不是常發(fā)現(xiàn)象，但對變壓器的傷害非常大，要盡量避免。

6 油浸式變壓器合閘涌流的估算

油浸式變壓器空載合閘涌流(即勵磁涌流)不大，一般不會超過3倍變壓器額定電流。因此，電流速斷保護動作電流一般按下式整定：

Idz=(3～5)Ie

式中Idz——電流速斷保護動作電流的整定值，A；

Ie——變壓器一次額定電流，A.

空載合閘涌流比額定電流高出3～5倍，我們平時在變壓器空載合閘時，常常會看到電流表所指示的初始沖擊電流(但這個電流會很快消失)將大大超過正常的空載電流，有時甚至大于變壓器正常的滿負載電流，咋看上去好像變壓器存在故障，其實不然，這主要是變壓器合閘瞬間出現(xiàn)的初始電流值，主要是由合閘點電壓波動決定的(這里對電壓的波動就不展開了)。

變壓器在某些不利條件下合閘，一次繞組可能出現(xiàn)非正常電流，但如果變壓器供給最大負載，即二次端子出現(xiàn)短路，一次和二次繞組便會通過比額定電流大許多的電流，這種瞬變合閘空載沖擊電流會帶給變壓器嚴重的損害。油浸式變壓器采用變壓器油進行絕緣和散熱，變壓器油是石油的一種分餾產(chǎn)物，它的主要成分是烷烴、環(huán)烷族飽和烴、芳香族不飽和烴等化合物。變壓器在日常運行中，變壓器油可能分解產(chǎn)生氣體，其產(chǎn)生氣體的成分和含量，可以反映變壓器絕緣老化程度和變壓器內(nèi)部故障情況，因此大中型變壓器往往設(shè)有對變壓器油中的氣體進行監(jiān)測分析系統(tǒng)。

7 解決措施和方法

1.高壓線路檢修停、送電操作應(yīng)盡量避免帶負荷。特別是線路較長(線間電容較大)時。

2.繼電保護參數(shù)要定期檢測，發(fā)現(xiàn)偏離要及時調(diào)整。

3.定期對變壓器進行規(guī)范性測試及保養(yǎng)。

4.變壓器長時間運行后應(yīng)定期對變壓器進行人工取油樣，送至專業(yè)檢測機構(gòu)進行油樣化驗。

變壓器油在經(jīng)過電弧放電后會導(dǎo)致乙烯、乙炔等烴類物質(zhì)大量增加，直觀上表現(xiàn)為比水蒸氣更濃的白霧狀氣體。下表給出變壓器油電弧放電前后各類氣體變化的油色譜參考值，可惜的是沒有這臺變壓器發(fā) 瞬變現(xiàn)象前的油色譜試驗原史值，無法作數(shù)據(jù)對比。下表是常用變壓器油經(jīng)過電弧放電前后油色譜試驗值對比表(僅供參考)

對比表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，烴類產(chǎn)物產(chǎn)量較大，尤其是乙烯和乙炔。根據(jù)DL/T722-2014?！蹲儔浩饔椭腥芙鈿怏w分析和判斷導(dǎo)則》。研究氣體狀態(tài)可以判斷瞬變產(chǎn)生的原因。

8 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展，國力的增強，人民追求美好生活的愿望越來越強，水、電、氣的安全保障是必須的前提。國家電力的不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求也就越高，一個安全穩(wěn)定的電力電網(wǎng)會為國家為社會為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，高質(zhì)量的電力電網(wǎng)系統(tǒng)是每一個電力人不懈的追求。