一起變壓器繞組變形故障的檢測(cè)及分析

李 林,謝 茜

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)供電公司,四川 德陽(yáng) 618000;2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備,對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重大的作用。變壓器在運(yùn)行過(guò)程中,遭受到近區(qū)短路故障時(shí),繞組內(nèi)會(huì)流過(guò)很大的短路電流,在最嚴(yán)重時(shí)通過(guò)的短路電流可達(dá)額定數(shù)值的15～20倍[1]。由于繞組承受的電動(dòng)力與電流平方成正比,如果繞組自身強(qiáng)度不高、壓緊結(jié)構(gòu)不良、繞制工藝不佳,則可能造成變壓器繞組發(fā)生機(jī)械變形甚至損壞。因此,對(duì)變壓器繞組狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要意義。繞組變形診斷檢測(cè)通常是在出廠前或現(xiàn)場(chǎng)安裝后對(duì)繞組進(jìn)行檢測(cè),運(yùn)行期間也會(huì)進(jìn)行一系列常規(guī)檢測(cè),通過(guò)對(duì)相關(guān)特征量的測(cè)量分析判斷繞組是否有變形、位移等異常現(xiàn)象發(fā)生。

目前,診斷變壓器繞組變形比較成熟的檢測(cè)方法有短路阻抗法、電容量法和頻響法。在實(shí)際工作中需要結(jié)合這3種方法進(jìn)行綜合分析。下面介紹了一起110 kV主變壓器繞組變形的故障案例,通過(guò)電氣試驗(yàn)綜合分析、繞組材質(zhì)檢測(cè)以及解體檢查,分析了造成事故的原因,提出了相應(yīng)的整改措施。

1 故障簡(jiǎn)述

2019年7月,某110 kV變電站10 kV母聯(lián)斷路器開(kāi)關(guān)柜內(nèi)相間絕緣擋板放電,發(fā)生相間短路,因10 kV母線分列運(yùn)行,1.30 s后過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作,切斷故障電流,試驗(yàn)診斷為主變壓器繞組變形。之后該主變壓器返廠檢修,發(fā)現(xiàn)中低壓B、C相繞組變形。按照原設(shè)計(jì)方案重新繞制中低壓B、C相繞組,經(jīng)出廠試驗(yàn)后重新投入運(yùn)行。

2021年3月,該主變壓器停電進(jìn)行例行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)主變壓器中壓側(cè)A相試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常。該變電站負(fù)荷較輕,最大負(fù)載率為50%,無(wú)沖擊性負(fù)荷。在2020年11月,由于35 kV用戶變電站進(jìn)線柜穿柜套管故障,導(dǎo)致該站35 kV供用戶變電站的出線跳閘,故障電流為423 A,該主變壓器遭受短路電流沖擊后色譜試驗(yàn)仍正常。該變壓器型號(hào)為SSZ11-50000/110,于2011年5月出廠,于2012年8月首次投入運(yùn)行。

2 檢測(cè)情況

對(duì)該變壓器進(jìn)行電氣試驗(yàn)和油色譜試驗(yàn),其中主變壓器電容量、短路阻抗、繞組頻響曲線均異常,其余試驗(yàn)正常。

2.1 電容量測(cè)試

設(shè)高壓繞組對(duì)中、低壓繞組及地的電容為CX1,中壓繞組對(duì)高、低壓繞組及地的電容為CX2,低壓繞組對(duì)高、中壓繞組及地的電容為CX3,高、中、低壓繞組對(duì)地的電容為CX4,高、中壓繞組對(duì)低壓繞組及地的電容為CX5。2019年主變壓器返廠大修后電容量交接試驗(yàn)值、2021年主變壓器例行試驗(yàn)的電容量測(cè)試值如表1所示。

表1 電容量測(cè)試值

使用集中參數(shù)建模的方法對(duì)變壓器各部分電容量進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算:令高壓繞組對(duì)地電容為C1,中壓繞組對(duì)地電容為C2,低壓繞組對(duì)地(鐵芯)電容為C3,高壓繞組與中壓繞組間電容為C12,中壓繞組與低壓繞組間電容為C23,高壓繞組與低壓繞組間電容為C13。由于C13數(shù)值較小,常被忽略。

通過(guò)電容量實(shí)測(cè)值的5組數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化建模,計(jì)算得到的電容量如表2所示。

表2 電容量計(jì)算值

從表1可以看出,兩次測(cè)量值發(fā)生明顯變化,偏差最大達(dá)到25.536%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中3%的警示值[2]。

從表2可以看出,中壓繞組與低壓繞組之間的電容量,增加了37.104%,高壓繞組與中壓繞組之間電容量減小了5.382%,中壓繞組對(duì)地的電容量增加了2.110%。分析認(rèn)為中壓繞組在電動(dòng)力作用下向鐵芯收縮,導(dǎo)致中壓繞組與低壓繞組間的距離大幅度減小,高、中壓繞組之間的距離小幅度增大,導(dǎo)致電容量測(cè)試值出現(xiàn)明顯異常。

2.2 短路阻抗測(cè)試

2019年主變壓器返廠大修后短路阻抗交接試驗(yàn)值、2021年主變壓器例行試驗(yàn)的短路阻抗測(cè)試值如表3所示。兩次均采用三相法進(jìn)行測(cè)量。

表3 主變壓器短路阻抗值

從表3可以看出:1)2021年的測(cè)試值與2019年的測(cè)試值最大偏差達(dá)到5.486%,不滿足《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則》相對(duì)變化不超過(guò)±2% 的要求[3];2)高壓繞組對(duì)低壓繞組短路阻抗值的偏差很小;3)高壓繞組對(duì)中壓繞組短路阻抗值增加了約3%,認(rèn)為高壓對(duì)中壓的漏電抗增加了,即高壓與中壓的漏磁通增加,高、中壓繞組之間的距離增大;4)中壓繞組對(duì)低壓繞組短路阻抗值減小了5.486%,認(rèn)為中壓對(duì)低壓的漏電抗減小了,即中壓與低壓的漏磁通減小,中低壓繞組之間的距離減小。

之后,對(duì)主變壓器采用單相法進(jìn)行短路阻抗值測(cè)量,得到的結(jié)果如表4所示。

表4 短路阻抗單相測(cè)試值

從表4可以看出,中壓繞組對(duì)低壓繞組短路阻抗值相間偏差最大,其中A相的短路阻抗值與其余兩相偏差最大,分析認(rèn)為A相繞組可能發(fā)生了嚴(yán)重變形。

2.3 頻響法繞組變形測(cè)試

利用頻響法對(duì)變壓器進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)高壓、低壓繞組三相頻響曲線相似度較高,中壓繞組三相頻響曲線差異較大,其頻響曲線如圖1所示。黃色曲線為A相,綠色曲線為B相,紅色曲線為C相。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表5所示,表中R21表示A、B兩相的相關(guān)系數(shù),R31表示A、C兩相的相關(guān)系數(shù),R32表示B、C兩相的相關(guān)系數(shù)。

圖1 中壓繞組頻響曲線

表5 中壓繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》中相關(guān)系數(shù)與變壓器繞組變形程度的關(guān)系,低頻段相關(guān)系數(shù)RLF<0.6,為嚴(yán)重變形;低頻段相關(guān)系數(shù)0.6≤RLF<1.0或中頻段相關(guān)系數(shù)RMF<0.6,為明顯變形;低頻段相關(guān)系數(shù)1.0≤RLF<2.0或中頻段相關(guān)系數(shù)0.6≤RMF<1.0,為輕度變形。從圖1和表5可以看出,在低頻段(1～100 kHz)3條曲線重合性較好,相關(guān)系數(shù)1.0≤RLF<2.0;在中頻段(100～600 kHz)3條曲線一致性很差,峰值和頻率變化較大,A相曲線的諧振峰值點(diǎn)向低頻方向偏移,相關(guān)系數(shù)R21<0.6,R31<0.6,R32≥1.0;在高頻段(600～1000 kHz)3條曲線的走向基本一致,三相曲線間的相關(guān)系數(shù)RHF≥0.6。分析認(rèn)為變壓器A相繞組的分布電感、電容發(fā)生變化導(dǎo)致繞組發(fā)生局部變形現(xiàn)象。

電容量和短路阻抗分析的結(jié)果一致性較高,認(rèn)為中、低壓繞組之間的電氣距離縮小了。從頻響曲線和短路阻抗測(cè)試分析認(rèn)為A相繞組變形可能性極大。綜合電容量、短路阻抗、頻響曲線測(cè)試結(jié)果,認(rèn)為變壓器中壓A相繞組在電動(dòng)力作用下向鐵芯收縮,發(fā)生嚴(yán)重變形。

3 解體檢查及電磁線材質(zhì)檢測(cè)

該主變壓器再次返廠后進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn):主變壓器中壓A相繞組向鐵芯收縮嚴(yán)重變形;低壓繞組受擠壓無(wú)法吊出;中壓B相繞組其中一匝稍微變形凹陷。各繞組解體檢查情況如圖2所示。

圖2 主變壓器解體檢查情況

隨機(jī)截取了變壓器中、低壓側(cè)A、B、C三相若干段繞組進(jìn)行屈服強(qiáng)度檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。中壓側(cè)三相繞組屈服強(qiáng)度檢測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值180～200 MPa,低壓側(cè)三相繞組屈服強(qiáng)度檢測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值220～240 MPa。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,判定中、低壓線圈電磁線為軟態(tài)銅。

表6 中低壓繞組屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上所述,變壓器發(fā)生繞組變形故障的主要原因是變壓器承受短路沖擊后繞組變形。返廠大修重繞繞組后,在遭受較小的短路電流的情況下,由于變壓器電磁線屈服強(qiáng)度不滿足要求而再次發(fā)生變形。

為了保證變壓器安全運(yùn)行,提出以下措施:1)在變壓器生產(chǎn)階段,嚴(yán)格按照取樣要求對(duì)繞組線進(jìn)行抽檢;2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器遭受近區(qū)短路情況,當(dāng)短路次數(shù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求后,對(duì)變壓器停電進(jìn)行診斷性試驗(yàn);3)通過(guò)在主變壓器中、低壓側(cè)增加快速保護(hù),減少短路沖擊時(shí)間,同時(shí)完善主變壓器中低壓側(cè)絕緣化改造,做好防近區(qū)短路措施。