110_kV主变压器近区连续短路故障分析及治理措施_郑鸿彦.pdf

机械与动力工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月110 kV主变压器近区连续短路故障分析及治理措施郑鸿彦1，2（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海南海口570311；2.海南省电网理化分析重点实验室，海南海口570311）摘要：【目的目的】本研究通过深入分析一起110 kV主变压器遭受近区连续短路冲击故障的案例，为保证变压器的安全运行提供一定的借鉴和帮助。【方法方法】本研究通过对变压器故障过程、解体情况、制造工艺及抗短路能力计算结果进行详细分析，寻找主变压器故障的原因，并提出针对性防范措施。【结果结果】经多维度分析后得出，主变压器发生故障是因主变压器抗短路能力不足，导致低压绕组在近区短路电流电动力的持续作用下发生变形，并造成匝间绝缘击穿短路。【结论结论】近区短路是导致主变压器发生故障的重要原因，对老旧主变压器应加强运维管理，并优化保护定值整定，降低近区短路的故障风险，确保主变压器能安全稳定运行。关键词：主变压器；近区短路；故障；治理措施中图分类号：TM407文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0051-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.010Analysis and Treatment Measures of the 110 kV Transformer FaultCaused by Near Field Short CircuitZHENG Hongyan1,2（1.Electric Power Research Institute of Hainan Power Grid Limited Liability Company,Haikou 570311,China;2.Key Laboratory of Physical and Chemical Analysis for Electric Power of Hainan Province,Haikou570311,China）Abstract:PurposesThrough in-depth analysis of a case of 110 kV main transformer suffering fromnear-zone continuous short-circuit impact fault,this study provides some reference and help for ensuring the safe operation of transformers.MethodsIn this study,the fault process,disintegration,manufacturing process and short-circuit resistance calculation results of the transformer are analyzed in detail tofind the cause of the main transformer fault and propose targeted preventive measures.FindingsAftermulti-dimensional analysis,it is concluded that the failure of the main transformer is due to the insufficient short-circuit resistance of the main transformer,which leads to the deformation of the low-voltagewinding under the continuous action of the short-circuit current electrodynamic force in the near area,and causes the inter-turn insulation breakdown short circuit.ConclusionsThe near-zone short circuitis an important cause of the main transformer failure.The operation and maintenance management of theold main transformer should be strengthened,and the protection setting should be optimized to reducethe risk of near-zone short circuit and ensure the safe and stable operation of the main transformer.Keywords:transformers;near field shortcircuit;fault;treatmentmeasures收稿日期：2022-10-28作者简介：郑鸿彦（1983），男，硕士，高级工程师，研究方向：变压器类设备专业技术研究及管理。52第5期0引言电力变压器是电网中的核心设备之一，其安全运行对电网的安全稳定和供电可靠性起到至关重要的作用。电力变压器在运行过程中常受到各种外部故障电流的冲击，尤其是变压器低压侧近区短路的冲击1，已成为变压器损坏、故障跳闸的重要原因。受电网系统短路电流不断增大及老旧主变压器抗短路能力不足等因素的影响，部分主变压器已无法满足系统短路故障冲击的要求2。当此类主变压器遭受近区短路故障冲击后，会发生严重的绕组变形，并造成主变压器发生绕组匝间、饼间的绝缘击穿等突发性绝缘故障3，严重威胁电力系统的安全稳定运行。本研究介绍一起110 kV主变压器连续遭受近区短路冲击而损坏的事故，对故障情况进行综合试验分析、解体检查及抗短路能力计算，从多维的角度出发，对主变压器故障的原因进行深入分析，并提出防范主变压器近区短路故障的治理措施。1故障概况2019年03月22日18时01分39秒，某110 kV变电站 10 kV某用户开闭所设备发生三相短路故障跳闸。18时22分30秒，由于该开闭所的工作人员未认真检查，就手动合闸故障母线，导致开闭所进线开关保护跳闸；18时22分32秒，#1主变压器低压侧低后备保护及轻瓦斯、重瓦斯保护先后动作跳闸。该主变压器在发生故障前，遭受三次低压侧相间短路故障电流的连续冲击。经现场检查，折算到一次侧10 kV 线路第一次故障电流峰值为9.33 kA，第二次故障电流峰值为9.19 kA，第三次故障电流峰值为14.57 kA。2现场检查和试验情况2.1用户侧设备检查情况经检查发现，10 kV某用户开闭所的10 kV 段母线的 PT柜严重烧黑，如图 1所示。经向该用户了解后发现，10 kV 开闭所#2 线进线开关电流速断保护动作跳闸，约 20 min 后合上分段开关时10 kV 开闭所#1 线进线、分段开关电流速断保护动作跳闸。2.2变电站设备检查情况2.2.1外观检查情况。该用户10 kV专线开关柜严重烧黑，刀闸母线侧三相支柱瓷瓶出现破裂，三相刀闸静触头支柱瓷瓶铁部件均有严重放电烧熔的痕迹，刀闸母线侧C相刀闸动静触头有轻微的放电烧熔痕迹，如图2所示。2.2.2试验分析情况。对#1主变压器进行取油，并进行化验，发现氢气、乙炔、总烃严重超标，通过三比值法分析为电弧放电。#1主变压器本体油色谱化验结果见表1。通过对#1主变压器本体进行高压试验后发现，主变套管连同绕组直流电阻试验的低压侧的数据郑鸿彦.110 kV主变压器近区连续短路故障分析及治理措施图210 kV开关柜内设备受损情况B相C相C相分析项目数值/（L/L）H2415.8CH4146.1C2H624.2C2H4272.2C2H2347.4CO631.3CO24791.8总烃789.9表1#1主变压器本体油色谱化验结果图110 kV某用户开闭所10 kV段母线PT受损情况第5期53不合格（ab：27.12 m、bc：27.03 m、ca：40.71 m），判断为低压侧a相绕组发生故障。对#1主变压器进行绕组变形试验，发现低压绕组可能存在明显的变形现象。3主变吊罩解体检查情况该主变压器绕组从外向内的安装顺序为调压绕组、高压绕组、低压绕组。通过吊罩检查后发现，绕组上下端部的绝缘垫块有局部窜动和移位的现象，在箱底、端部油道有铜镏、绝缘碳化物。拆除上部铁轭，对该主变压器进行拔包检查，发现A相低压绕组的下端部出线位置线饼存在向内弯曲和移位的现象，下端部第一个线饼内外线匝之间的绝缘垫条已窜出，下端部第一、第二个线饼存在匝间、饼间短路灼烧的现象，灼烧部位的铜线出现部分缺损、断线、绝缘碳化的现象。B、C相低压绕组端部引出线出现收缩带松动、断裂的现象，线饼的匝间垫条有窜出现象。A相低压线圈故障部位检查结果如图3所示。4主变压器历史故障冲击及抗短路能力情况4.1主变压器历史受短路电流冲击情况该变电站10 kV出线为全电缆线路，#1主变压器于2002年1月投入运营。经查询调度后台及站内电子台账后发现，2008年8月至2019年3月有线路跳闸记录，仅发生1起某10 kV线路跳闸的事件，该线路运行在10 kV#2母线，对#1主变压器未造成影响。4.2主变压器抗短路能力校核根据#1主变压器录波采集到的故障电流，并结合该主变压器的计算单，电科院和厂家分别对该主变压器抗短路能力进行校核，两者的计算结果基本一致，且最大短路故障电流的有效值与主变压器可承受最大短路电流非常接近。计算结果见表2。经吊罩检查后发现，A相低压线圈的出头部位出现烧损，最下饼垫条窜出。针对上述现象，以下重点分析该部位的受力情况。受力分析的结果见表3。对计算结果分析后可知，低压绕组所受的向下及向内的电磁力是由幅向环向压缩力和轴向综合力构成的，在上述力的共同作用下，53饼对垫条施加向下的力。由于垫条的整体性不强，松散不受力，无法承受相应的力从而窜出，导致对应出头位置上的53饼线饼向下运动，与54饼出头包扎部位形成剪切，破坏出头包扎绝缘后形成匝间短路。下部两饼受幅向电磁力与轴向合力的示意图如图4所示。5故障原因分析通过分析故障点的放电痕迹，判断#1主变压器故障是由A相低压绕组下端部第一个线饼和第二个线饼的饼间、匝间绝缘击穿短路造成的。引起饼间、匝间绝缘击穿短路的原因有多种，下面从多维图3A相低压线圈故障部位检查情况表2#1主变承受短路能力计算结果线圈高压低压热稳定有效值主变厂家0.9910.37电科院0.9810.26饼号5354额定工况幅向-84.47-48.54轴向131.1764.1合力156.0180.4实际工况幅向-18.7-21.17轴向43.6723.17合力47.531.38表3低压绕组下部两饼受力分析图4下部两饼受幅向电磁力与轴向力合力示意图郑鸿彦.110 kV主变压器近区连续短路故障分析及治理措施单位：kN单位：kA54第5期度逐一进行分析。5.1从主变压器抗短路能力分析对故障主变压器的抗短路能力进行校核，计算其最大耐受电流有效值为10.37 kA，而本次短路最大电流有效值为10.3 kA，持续时间为1.7 s，接近校核值。同时，根据该主变压器在故障后存在明显的绕组变形的测试结果和绕组垫条、导线窜出的检查结果，判断出外部短路冲击是此次主变压器发生故障的诱因。5.2绕组轴向压紧力不足原因分析一是对照本次绕组故障的部位，绕组轴向压紧力不足是因该产品已运行17 a，运行时间久，端部绝缘（包括垫块、角环）及绕组油隙垫块产生收缩，此种收缩会使绕组的压紧力降低。在遭受短路轴向力冲击时，会导致绕组的轴向位移幅度增大4。二是与现产品的压紧结构相比，原有绕组的轴向压紧结构使用6个压钉进行压紧，每个压钉垫片尺寸为 90 mm90 mm，压钉垫片与压板的接触面积小（现结构采用6个