水電站主變壓器電氣保護(hù)存在的問題及對策

梁 軍

廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340

0 引言

水電站主變壓器在運行過程中常會出現(xiàn)故障，如短路、斷路、著火等，進(jìn)而損害部件，加速部件老化。因此，有必要對主變壓器采取電氣保護(hù)措施，在選材、設(shè)備安裝、運行過程等方面加強(qiáng)保護(hù)，并做好主變壓器的日常養(yǎng)護(hù)工作。

1 水電站主變壓器常見故障及其原因分析

1.1 絕緣材料老化引起故障

為了避免發(fā)生觸電事故，水電站所使用的主變壓器內(nèi)部采用了一定數(shù)量的絕緣材料，其中包括絕緣層與絕緣油。絕緣材料的主要功能是防止主變壓器內(nèi)部金屬設(shè)施氧化，并且降低電離強(qiáng)度，避免變壓器內(nèi)部出現(xiàn)短路現(xiàn)象。但是隨著主變壓器的長期運轉(zhuǎn)，內(nèi)部的絕緣層會由于氧化、磨損等出現(xiàn)老化現(xiàn)象，絕緣材料表面會出現(xiàn)發(fā)黃、發(fā)黑等現(xiàn)象，韌性也會有所下降。絕緣油在長期使用過程中，會與空氣、水分等接觸，其絕緣性也會有所下降，如果繼續(xù)使用絕緣性能下降的絕緣油，主變壓器內(nèi)部可能會出現(xiàn)短路、著火等問題。

經(jīng)研究結(jié)果顯示，當(dāng)主變壓器超負(fù)荷運行時，其內(nèi)部所使用的絕緣材料就會加速老化。在變壓器制造行業(yè)，對其所使用的絕緣材料有所限定，絕緣材料的壽命應(yīng)當(dāng)在15～20年，若過度使用，則會使其使用壽命縮短約20%。主變壓器在運行過程中，內(nèi)部加上安全工作電壓，當(dāng)絕緣材料老化時，其所能能承受的電壓強(qiáng)度會下降，可能導(dǎo)致絕緣材料被擊穿。除此之外，絕緣層與絕緣油氧化過程中，表層還會粘上其他雜質(zhì)，雜質(zhì)會導(dǎo)致主變壓器內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下，可能會致使整個變壓器功能喪失。

1.2 繞組部位出現(xiàn)故障

繞組部位是主變壓器的重要部件，其主要功能是實現(xiàn)電壓的改變，是整個主變壓器的核心部件。繞組部件在主變壓器運行過程中承擔(dān)的功能性任務(wù)較多，也較為容易出現(xiàn)故障，其常見故障為繞組短路、繞組斷路、繞組金屬絲變形松動，以及物理因素所導(dǎo)致的繞組金屬絲損壞。

（1）當(dāng)繞組部件內(nèi)部出現(xiàn)短路時，其金屬絲兩段所加電壓數(shù)值會極速上升，部件溫度也隨之上升，短路極有可能導(dǎo)致部件燒損，在嚴(yán)重情況下，繞組部件還有可能發(fā)生爆炸。因此，在處理繞組短路故障時，應(yīng)當(dāng)立刻予以斷電操作。

（2）繞組斷路則是在電力系統(tǒng)中發(fā)生的另外一種故障，其主要表現(xiàn)為繞組部件兩段所加電壓變?yōu)榱悖麄€主變壓器停止工作。導(dǎo)致繞組斷路的原因有很多，主要原因是內(nèi)部金屬絲斷裂、導(dǎo)線斷裂等。繞組斷路會影響主變壓器的正常運行，進(jìn)而會對水電站的工作進(jìn)度造成干擾，因此，一旦出現(xiàn)繞組斷路，應(yīng)當(dāng)立刻對故障區(qū)域進(jìn)行排查。

（3）繞組內(nèi)部的金屬絲也容易出現(xiàn)故障。為了保持良好的導(dǎo)電性質(zhì)，對于金屬絲的材質(zhì)與直徑大小都有較為具體的規(guī)定，由于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磨損或者外界的震動，會導(dǎo)致繞組部件內(nèi)部的金屬絲發(fā)生變形、松動的現(xiàn)象，金屬絲的變形與松動會使繞組內(nèi)部阻值大小發(fā)生改變，進(jìn)而出現(xiàn)類短路現(xiàn)象與類斷路現(xiàn)象。

（4）許多物理因素也可能會導(dǎo)致繞組內(nèi)部金屬絲或者導(dǎo)線出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，這些情況都會導(dǎo)致主變壓器產(chǎn)生故障，因此，在主變壓器的日常養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)定期對繞組部件及其內(nèi)部金屬絲進(jìn)行故障檢測。

1.3 運行電壓、電流及溫度導(dǎo)致的故障

除了主變壓器內(nèi)部部件損害導(dǎo)致的故障現(xiàn)象，主變壓器上施加的運行狀態(tài)也會導(dǎo)致嚴(yán)重的故障現(xiàn)象。

（1）主變壓器上所施加的電壓會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，根據(jù)產(chǎn)生原因的不同可以分為內(nèi)部電壓過載與外部電壓過載。其中，內(nèi)部電壓過載是指人為地在主變壓器上施加的電壓過大或者因電力故障而導(dǎo)致兩端電壓突然超出額定工作范圍。外部電壓過載大多體現(xiàn)為雷擊，主變壓器在運行過程中，周圍含有較多的電離因子，在雷電天氣，云層與空氣中會含有大量的電離因子，其較容易與主變壓器周圍的電離因子發(fā)生反應(yīng)。主變壓器出現(xiàn)電壓過載現(xiàn)象時，可能產(chǎn)生部件燒損的現(xiàn)象，在所施加的運行電壓數(shù)值過高時，還可能出現(xiàn)部件爆炸現(xiàn)象。

（2）主變壓器上所施加的電流會出現(xiàn)過載與低載現(xiàn)象，這兩類故障都會影響主變壓器的正常運行。主變壓器上的電流產(chǎn)生過載現(xiàn)象的原因有兩個：電壓過載和內(nèi)部阻值降低。根據(jù)歐姆定律可以得出電壓、電流與電阻三者之間的關(guān)系。當(dāng)主變壓器兩端所施加的電壓過載時，內(nèi)部阻值一般不會變化，其兩端所加電流則會增大，電流過載會導(dǎo)致部件損壞；當(dāng)主變壓器內(nèi)部阻值因繞組金屬絲變形或松動變小時，在施加同樣電壓的情況下，主變壓器兩端電流也會增大。

（3）除了電壓與電流會對主變壓器的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，主變壓器的運行溫度也會對設(shè)備的正常運行產(chǎn)生消極影響[1]。當(dāng)主變壓器的散熱系統(tǒng)異常、所承載的負(fù)荷較大或者所處的環(huán)境溫度異常時，設(shè)備的溫度會極速上升。主變壓器的銘牌上對其正常運行溫度有所標(biāo)注，超出額度溫度，不僅會對運行效率造成影響，還極有可能導(dǎo)致部件出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

2 水電站主變壓器電氣保護(hù)問題的解決策略

2.1 設(shè)置主變壓器自我保護(hù)系統(tǒng)

在大型機(jī)械設(shè)備或電力設(shè)備中，采取安裝自我保護(hù)系統(tǒng)的方式能夠為設(shè)備本身提供更加可靠的保護(hù)措施。例如，可以通過電子監(jiān)測系統(tǒng)對主變壓器運行過程中的各項參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)持續(xù)時間長達(dá)5～10 s的異常狀態(tài)，就立刻向控制系統(tǒng)發(fā)送警報信號，并執(zhí)行操作人員所下發(fā)的操作指令。電子監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)χ髯儔浩鞯倪\行狀態(tài)進(jìn)行24 h監(jiān)控，在某種程度上是對人力施工的解放，并且能夠在故障發(fā)生之后的較短時間內(nèi)對系統(tǒng)狀態(tài)作出調(diào)整，有效防止主變壓器出現(xiàn)燒壞現(xiàn)象。

另外，還可以根據(jù)水電站主變壓器常見故障現(xiàn)象設(shè)置獨立的警報系統(tǒng)。例如，當(dāng)繞組出現(xiàn)故障時，可以將其編號為000，并將繞組金屬絲內(nèi)部的故障現(xiàn)象編號為000-1；當(dāng)運行溫度較高時，可以將其標(biāo)號為001；當(dāng)運行電壓與電流出現(xiàn)故障時，可以分別標(biāo)號為002-1和002-2。通過對故障類別進(jìn)行編號，當(dāng)電子監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到故障現(xiàn)象時，可以通過前端系統(tǒng)將故障類別一同返回給系統(tǒng)管理員，這樣能夠獲取到故障的具體部位，有效提高故障檢修效率[2]。

2.2 對主變壓器的設(shè)備與油料開展定期檢查

在主變壓器中有一些故障現(xiàn)象可以通過加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)與檢修來避免，因此必須定期對主變壓器的設(shè)備狀態(tài)及所使用的油料狀況進(jìn)行檢查。一般情況下，可以每個月對主變壓器進(jìn)行小型故障排除檢測工作，每半年對主變壓器進(jìn)行大型故障排除檢測工作。每次檢測結(jié)束之后，都應(yīng)當(dāng)記錄好檢測數(shù)值、設(shè)備狀態(tài)及部件更換情況，便于后期排查。

除了上述操作，還要定期對主變壓器的主流系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理?？梢栽谧儔浩鬓D(zhuǎn)軸、齒輪咬合處涂抹潤滑油與隔離涂料，前者能夠降低接觸層的摩擦力，提高設(shè)備運行效率，后者能夠有效防止金屬層與空氣中的水分、氧氣等物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生銹跡，最終出現(xiàn)金屬層脫落的現(xiàn)象。除此之外，還要定時監(jiān)測主變壓器所處的環(huán)境，在雷雨天氣更要重視其運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)外部電壓過載現(xiàn)象[3]。

2.3 處理主變壓器著火、斷路、短路等故障

由于主變壓器是電力系統(tǒng)中的核心部件，其會出現(xiàn)著火、短路及斷路等故障，在水電站應(yīng)當(dāng)配備相應(yīng)的消防系統(tǒng)，在出現(xiàn)主變壓器著火現(xiàn)象時，應(yīng)當(dāng)對起火原因進(jìn)行判斷，并且查看絕緣油是否出現(xiàn)泄露，然后選擇合適的滅火材料減弱火勢。當(dāng)主變壓器出現(xiàn)短路現(xiàn)象時，可以利用電力檢修工具判斷短路故障的發(fā)生區(qū)域，一一排除短路原因，并鎖定導(dǎo)致短路的主要原因，在必要情況下，可以暫停主變壓器的運行，對其進(jìn)行拆解分析。在排除短路問題之后，應(yīng)當(dāng)對短路發(fā)生線路進(jìn)行標(biāo)記，并將其記錄在主變壓器電力系統(tǒng)檢修手冊上。

處理主變壓器斷路問題與短路故障的處理手法相似。出現(xiàn)斷路故障時，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉整個電力系統(tǒng)的總開關(guān)，并鎖定斷路區(qū)域，就其產(chǎn)生斷路的根本原因進(jìn)行分析。除此之外，還可以重新排設(shè)主變壓器的電路系統(tǒng)，將主變壓器的電力系統(tǒng)獨立出來，當(dāng)出現(xiàn)電路故障時，可以僅關(guān)閉主變壓器的電力系統(tǒng)，這樣能夠降低故障檢修對水電廠工作進(jìn)度的影響。獨立運行的電力系統(tǒng)在維護(hù)過程中工作量更小，而且檢修安全性更高，水電站可以就電力系統(tǒng)進(jìn)行改善。

3 結(jié)束語

水電站主變壓器是整個水電站電力系統(tǒng)中最為重要的一部分，其常見故障多源于型號匹配故障、安裝錯誤、過度運行等方面。因此，在提升水電站主變壓器的電氣保護(hù)措施實際效力的過程中，應(yīng)當(dāng)注重設(shè)備選材、設(shè)備安裝及使用頻率和運行時長等因素。除此之外，還要定期對主變壓器進(jìn)行檢修與維護(hù)，避免長期運行而導(dǎo)致大型故障出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致水電站電力系統(tǒng)癱瘓。