變壓器本體及套管色譜異常分析及處理

姬海宏,李元斌

(華電電力科學(xué)研究院有限公司， 杭州 310030)

0 引 言

電力工業(yè)經(jīng)過數(shù)年來(lái)的高速發(fā)展，電氣設(shè)備種類和數(shù)量越來(lái)越多，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，設(shè)備故障情況復(fù)雜多變。變壓器作為發(fā)電企業(yè)向外送電的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部故障未能早期發(fā)現(xiàn)及處理，特別是突發(fā)油中氣體組分含量異常，通常易造成災(zāi)難性后果。套管是將變壓器內(nèi)部的高、低壓引線引到油箱外部的出線裝置，如變壓器套管存在缺陷或發(fā)生故障，將直接危及變壓器的安全運(yùn)行及其發(fā)電或供電的可靠性[1-3]。

變壓器油中氣體組分含量分析技術(shù)(簡(jiǎn)稱色譜分析技術(shù))是建立在油中所含溶解氣體類別與充油電氣設(shè)備內(nèi)部存在故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的故障診斷方法，油色譜分析技術(shù)能靈敏地分析出充油電氣設(shè)備存在的潛伏性故障，判斷其發(fā)展趨勢(shì)及危害程度。不同性質(zhì)故障產(chǎn)生的氣體組分和含量不同，同類性質(zhì)的故障產(chǎn)生的氣體量隨故障的嚴(yán)重程度不同，油中氣體組分含量在一定程度上能反映出變壓器故障的性質(zhì)，如絕緣老化或故障程度，即可作為變壓器異常的特征量來(lái)診斷變壓器的性質(zhì)、嚴(yán)重程度，甚至故障部位[4-5]。

該文結(jié)合歷年來(lái)系統(tǒng)內(nèi)幾個(gè)電廠的主變及套管色譜異常事件，從發(fā)現(xiàn)異常到故障處理整個(gè)過程，通過色譜故障分析法、電氣試驗(yàn)及設(shè)備解體檢查進(jìn)行深入分析，為后續(xù)相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行提供借鑒。

1 幾起變壓器及套管色譜異常事件

1.1 事件1：主變套管變壓器油中乙炔含量異常

2007年5月某電廠2號(hào)主變?cè)谕哆\(yùn)后第一年的預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，220 kV B相套管變壓器油中乙炔含量為1 300 μL/L,超標(biāo)嚴(yán)重，相關(guān)色譜數(shù)據(jù)詳見表1。該套管生產(chǎn)廠家為撫順傳奇套管有限公司，2005年出廠，出廠序號(hào)OT 606-01146。

B相套管在解體分析之前，對(duì)該套管做了介損、電容量、局放及油樣測(cè)試。局放量在218 kV(出廠局放試驗(yàn)電壓應(yīng)為291 kV)時(shí)已達(dá)到30 pC，額定電壓下的介損、局放試驗(yàn)均不合格。通過初步分析認(rèn)為該套管存在內(nèi)部電容屏擊穿現(xiàn)象，返廠解體發(fā)現(xiàn)，在套管芯子距導(dǎo)管下端面400 mm處，有一燒焦的洞，從導(dǎo)電銅管起向外到約第22層鋁箔(總共有53層鋁箔)處，絕緣紙燒黑碳化最大處直徑為15 mm，面積約2.0 cm2，其余部位未發(fā)現(xiàn)異常(見圖1)。

圖1 2號(hào)主變套管解體現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Site photo of bushing disassembly of No.2 main transformer

1.2 事件2：主變變壓器油總烴異常

某廠220 kV 2號(hào)主變(型號(hào)為SFPSZ10-180000/220)系西安變壓器有限公司的產(chǎn)品，2010年8月投入運(yùn)行。2014年7月發(fā)現(xiàn)變壓器油中總烴超標(biāo)，并有少量乙炔，且總烴含量隨負(fù)荷的增長(zhǎng)而增加，色譜數(shù)據(jù)詳見表2。實(shí)施限負(fù)荷運(yùn)行，于2014年11月返廠檢修。吊罩后進(jìn)行變比、直流電阻、絕緣電阻測(cè)量均試驗(yàn)正常，經(jīng)引線、鐵芯以及相關(guān)表面部分檢查沒有發(fā)現(xiàn)能夠引起色譜異常的原因，器身解體發(fā)現(xiàn)C相低壓繞組內(nèi)側(cè)有2個(gè)S彎換位處絕緣炭化、導(dǎo)線表面燒損。此外，C相低壓鐵芯紙筒下沿附有炭化物。A、B相低壓繞組及其他繞組未發(fā)現(xiàn)異常(見圖2)。

圖2 2號(hào)主變器身解體現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Site photo of body disassembly of No.2 main transformer

表2 2號(hào)主變色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Chromatographic test data of No.2 main transformer μL/L

1.3 事件3：主變跳閘故障

2018年9月6日下午，南方某廠出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，13∶48 1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出中跳三側(cè)開關(guān)，該主變系常州變壓器廠生產(chǎn)的型號(hào)為SFSZ8-31500/110，2005年12月30日投入運(yùn)行。事故發(fā)生后，對(duì)主變外觀檢查無(wú)異常，本體瓦斯繼電器未見有明顯的氣體聚集。取主變油樣進(jìn)行色譜分析，發(fā)現(xiàn)油中含有乙炔(98.59×10-6),氫氣、總烴等氣體含量明顯上升，初步判斷為本體內(nèi)部有電弧放電，色譜數(shù)據(jù)見表3。高壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A相變比試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常，繞組變形試驗(yàn)因無(wú)歷史數(shù)據(jù)，僅從相間進(jìn)行橫向比較，發(fā)現(xiàn)高壓繞組正常，中、低壓曲線一致性較差，從而判斷中、低繞組發(fā)生了變形，其他的試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果正常。近5年來(lái)該主變因長(zhǎng)期處于重、滿載運(yùn)行，而該廠地處小山頭，且為雷區(qū)，投運(yùn)13年來(lái)，35 kV、10 kV饋線近區(qū)短路事故時(shí)有發(fā)生(見圖3)。

圖3 1號(hào)主變器身解體現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Site photo of body disassembly of No.1 main transformer

表3 1號(hào)主變色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Chromatographic test data of No. 1 main variable μL/L

2 事故原因分析及措施

2.1 事件1分析及處理

常規(guī)電氣試驗(yàn)(包括介損、電容量及絕緣電阻)對(duì)于發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)部放電性缺陷不靈敏，而油中溶解氣體分析對(duì)于發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)部缺陷十分有效[6]。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，根據(jù)DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定，變壓器套管變壓器油中乙炔含量應(yīng)小于2 μL/L，氫氣含量應(yīng)小于500 μL/L，總烴應(yīng)小于150 μL/L。而該套管油色譜分析數(shù)據(jù)均超過該注意值，特征氣體比值為C2H2/C2H4=2.55、CH4/H2=0.12、C2H4/C2H6=8.23，按照三比值編碼為102，初步判斷故障性質(zhì)為電弧放電。

通過解體檢查分析，該套管電容芯子在卷繞過程中帶進(jìn)異物，帶電后該部位電場(chǎng)畸變，在運(yùn)行電壓的長(zhǎng)期作用下，產(chǎn)生局部放電導(dǎo)致絕緣逐漸劣化，將絕緣紙逐層擊穿，同時(shí)故障逐漸由異物處徑向擴(kuò)展，向內(nèi)到達(dá)導(dǎo)電銅管。若此次預(yù)防性試驗(yàn)未能及時(shí)進(jìn)行，故障點(diǎn)繼續(xù)擴(kuò)展，到達(dá)一定程度后將會(huì)發(fā)生貫穿性放電，引起套管爆炸，主變事故。針對(duì)上述分析排查結(jié)果采取相應(yīng)措施：對(duì)于乙炔嚴(yán)重超標(biāo)的B相套管，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換；對(duì)于其余4只油中含有0.2～0.5 μL/L乙炔的套管，通過分析判斷認(rèn)為這4只套管的乙炔含量為痕量級(jí)，不影響套管的使用。通過對(duì)這些套管加強(qiáng)跟蹤，每半年應(yīng)取油樣進(jìn)行色譜分析，如乙炔含量有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，必須進(jìn)行更換；其次，為防止同批套管發(fā)生故障損壞，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電企業(yè)如有使用撫順傳奇套管有限公司(原名為撫順雷諾爾套管有限公司)生產(chǎn)的套管，應(yīng)進(jìn)行一次油色譜檢測(cè)，若氣體含量異常，應(yīng)及時(shí)與制造廠聯(lián)系，確認(rèn)故障原因，及時(shí)更換等處理。

2.2 事件2分析及處理

結(jié)合運(yùn)行例行變壓器油試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)，從表2數(shù)據(jù)可知，該變壓器油中總烴超注意值，且含有少量乙炔，按照三比值編碼為120，初步判斷故障性質(zhì)為電弧放電兼過熱，疑似設(shè)備內(nèi)部相圈匝間、層間放電故障。通過解體檢查結(jié)合色譜分析推斷C相低壓繞組在制造過程中，個(gè)別S彎換位處導(dǎo)線絕緣存在不易被發(fā)現(xiàn)的輕微破損，此缺陷在運(yùn)行中逐漸惡化，最終導(dǎo)致并聯(lián)導(dǎo)線線間短路。由此提出更換三相低壓繞組，且導(dǎo)線采用半硬銅材料(σ0.2>120 N/mm2)，在S彎換位處加強(qiáng)絕緣保護(hù)措施，并采用新型絕緣材料，增加墊條，減小S彎換位“刀口”使其過渡平緩等有效措施。

2.3 事件3原因分析

主變雷擊跳閘后，油中色譜數(shù)據(jù)異常，從表3數(shù)據(jù)可知，該變壓器油中總烴超標(biāo)，且乙炔含量較高，按照三比值編碼為102，初步判斷故障性質(zhì)為電弧放電，疑似設(shè)備內(nèi)部相圈匝間、層間放電故障。

通過設(shè)計(jì)圖紙發(fā)現(xiàn)該三繞組變壓器中壓繞組設(shè)有調(diào)壓開關(guān)時(shí)，其調(diào)壓繞組不是獨(dú)立的，而是與中壓繞組放置在一起，調(diào)壓開關(guān)引出線在中、低壓繞組之間穿出后引到無(wú)載分接開關(guān)。該結(jié)構(gòu)容易引起中壓繞組在受到雷電沖擊時(shí)電壓分布不均衡，從而導(dǎo)致變壓器雷擊損壞。此外，該結(jié)構(gòu)也容易引起安匝不平衡，導(dǎo)致抗短路能力不足。在投運(yùn)后的13年期間，發(fā)生了多次中、低壓側(cè)的短路沖擊，繞組不斷發(fā)生變形，由于累積效應(yīng)，中壓繞組變形越來(lái)越嚴(yán)重，其后果是繞組匝間中部凸輪狀變形，墊塊脫落，導(dǎo)線松垮下垂，局部區(qū)域匝間的絕緣距離越來(lái)越小，甚至緊挨在一起，最后在雷擊引起外部短路的沖擊下，絕緣破損，匝間絕緣擊穿放電，保護(hù)動(dòng)作。因此，該事故的根本原因是變壓器抗短路能力差，在頻繁的短路沖擊下發(fā)生了繞組變形，誘發(fā)因素是雷擊引起的外部短路。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)應(yīng)重視油色譜分析對(duì)于變壓器及套管前期故障預(yù)警作用，針對(duì)設(shè)備出廠存在的質(zhì)量缺陷、設(shè)計(jì)缺陷及高負(fù)荷運(yùn)行狀況，加強(qiáng)油色譜分析檢測(cè)非常重要。分析的幾起事件是通過色譜數(shù)據(jù)異常發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷或事故原因。

2)應(yīng)重視主設(shè)備出廠監(jiān)造，對(duì)生產(chǎn)過程的制造工藝、設(shè)計(jì)方案、出廠試驗(yàn)方案進(jìn)行嚴(yán)格審查和監(jiān)督，以免該設(shè)備質(zhì)量帶來(lái)安全隱患。任何工藝程序的放松都可能造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。