一起雷击引起的35 kV变压器故障分析

李 雪,王 楠,孙 成,马小光

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384; 2.国网天津市电力公司，天津 300010)



一起雷击引起的35 kV变压器故障分析

李 雪1,王 楠1,孙 成1,马小光2

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384; 2.国网天津市电力公司，天津 300010)

针对一起变压器雷击跳闸事故,介绍了变压器故障分析与处理过程。首先阐述了故障变压器的接线方式和绕组结构工艺。然后通过现场设备检查和变压器故障特征、诊断性试验结果以及吊罩解体检查,并结合雷电冲击在变压器绕组的电压分布规律,分析了雷电波侵入变压器并造成故障的过程,揭示了雷电冲击电压造成变压器绕组匝间绝缘击穿损坏的机理。最后提出了预防变压器雷击故障的反事故措施。

变压器;雷电过电压;故障分析

雷击能产生极高的电压,是造成电力系统故障的重要因素[1]。变压器遭受雷电波冲击后,很容易造成匝间绝缘损坏,甚至使绕组烧毁变形。雷电波侵入变压器,在变压器绕组上的电压分布极不均匀,对变压器绕组绝缘以及整体绝缘结构将造成损坏。尽管目前变电站的防雷设施已很完备,但变压器的雷击损坏事故仍然时有发生。本文针对一起35 kV变压器雷击损坏事故,详细分析了变压器接线方式、绕组结构工艺、故障情况、电气与化学试验结果、运行工况,并结合雷电波在变压器绕组上的电压分布原理,阐述了变压器遭受雷击后事故的发展过程,解释了变压器绕组匝间绝缘击穿的原因,提出了预防变压器雷击故障的措施。

1 故障变压器基本参数及结构

1.1 基本参数

变电站内有2台35 kV主变,由2条独立的35 kV架空电源线供电,其中311某电源线带35 kV-4母线,经301-0带1号主变,经201供10 kV-4母线;312某电源线带35 V-5母线,经302-0带2号主变,经202供10 kV-5母线。2台变压器分列运行。

10 kV系统布置在室内,采用单母线分段运行方式。事实上,35 kV-4母线、35-5母线均只接有一条电源进线,故障变压器与母线之间仅有隔离开关301-0,故障变的实际运行方式为线路变压器组接线, 35 kV母线未装设避雷器。2条电源进线开关线路侧装设有避雷器,避雷器型号为YH5WZ-52/134。110 kV母线处装有避雷器,避雷器型号为YH5WZ-17/45。2台变压器分列运行,故障变压器为YNd11接线,中性点不接地,未安装避雷器。35 kV变电站的避雷针及接地网的安装配置均符合变电站设计规范的要求。

故障变压器为站内1号主变,为35 kV油浸式无励磁调压变压器,其基本参数如表1所示。

表1 故障变压器基本参数

1.2 结构与工艺

故障变压器的高、低压线圈均以连续式绕制方式绕制成圆筒状,高压绕组的主体结构包括上部主包、调压包和下部主包。分接开关的接线位置在绕组中部。

对于35 kV等级容量为10 000 kVA的变压器,高压线圈一般采取连续式的绕制方式,其绝缘工艺为将线圈绕制成线饼后包裹上纸或布等绝缘材料,线饼之间留有油道,并加塞绝缘垫块。油道中的油流带走变压器绕组散发的热量,并起到绕组匝间绝缘的作用。连续式绕制方式的优点是结构紧凑,节省材料,变压器的体积相对较小,运输安装方便。与其他绕制方式相比,线饼之间的电容较小,绕组的抗雷电冲击能力相对较弱[2]。

更应该值得关注的是,目前某些生产厂家为了节省成本,在变压器的设计方面精益求精。某些厂家将线圈饼间油道做到仅1 mm,为改善线圈端部的绝缘状况,仅在1～5线饼间的油道垫加绝缘垫块或绝缘纸板,变压器的结构更加紧凑,但绝缘裕度变小[3]。虽然符合变压器设计相关规范,但变压器绕组抗雷电波冲击的能力将进一步减弱。

2 变压器故障过程与处理

2.1 故障基本情况

2013-08-27,故障发生地点出现雷雨天气,凌晨00:34:46,事故站1号主变差动保护动作,35 kV变压器电源侧311开关、10 kV母线侧201开关跳闸,10 kV母线分段开关245开关自投动作成功。检查后台及保护装置信号发现,1号主变两套比率差动保护动作,本体轻瓦斯保护动作。

变压器故障跳闸后检查差动保护范围内断路器、隔离开关等一次设备及二次设备,未发现异常情况。35 kV电源侧进线、10 kV侧负荷线路均无故障记录。站内检查相关设备发现,311电源进线避雷器计数器显示C相有2次动作记录,视频监控系统显示设备区有2次落雷,初步判断为雷击引起的变压器内部故障。

2.2 故障后诊断性试验结果分析

变压器两套差动保护动作,且保护范围内其他设备未发现异常,说明变压器内部发生了短路故障。对变压器进行了相关电气试验,试验项目包括绝缘电阻测试、全分接直流电阻测试、变压器绕组变形测试、电容量及介质损耗测试等。高压绕组直流电阻测试结果如表2所示。

表2 变压器绕组直流电阻测试结果

绝缘电阻测试、变压器绕组变形测试、电容量及介质损耗测试均合格,表明变压器的主绝缘未被破坏,或变压器遭受雷击时间较短,主绝缘未遭受不可逆损坏而很快恢复了绝缘能力。

绕组直流电阻测试中,第3分接处的C相直流电阻不合格,三相直流电阻的不平衡率为2.6%,超过规程2%的规定。但各相绕组电阻值的变化趋势没有变化,且直流电阻的不平衡率相差较小。因此,仅凭直流电阻测试结果无法判断变压器内部故障情况。

2.3 油色谱分析

变压器本体轻瓦斯保护动作,说明变压器内部绝缘油分解产生气体,油色谱测试结果如表3所示。

表3 油色谱试验结果

故障后与故障前试验结果相比,油中溶解气体中乙炔和总烃含量明显增多,其中乙炔含量为155.5 uL/L,总烃含量达到231.6 uL/L。

根据《变压器油中溶解气体分析和判断导则》,三比值法油中溶解气体分析的编码组合为2,0,1。故障类型为电弧放电,故障原因为线路匝间和层间短路、相间闪络、分接头引线间闪络、引线对箱壳放电、线圈熔断、分接开关飞弧、因环路电流引起电弧和引线对其他接地体放电等。

乙炔的生成一般在800～1200 ℃的温度,而且当温度降低时,反应被迅速抑制,作为重新化合的稳定产物而积累。因此,在电弧弧道中会产生大量的乙炔。

3 雷电冲击故障分析

3.1 吊罩检查

将故障变压器吊罩解体,检查发现变压器高压侧A、B、C三相绕组从底部向上数第5饼至第6饼间存在较严重的击穿损坏情况,变压器底部击穿损坏情况如图1所示。

图1 高压侧线圈底部击穿损坏情况

击穿损伤的部位位于高压绕组的下部主包,距离中性点较近。变压器低压绕组和高压绕组其他部位未发现变形等异常。三相绕组在大致相同的位置发生匝间绝缘击穿损坏,且损坏的绕组匝数大致相同,因此故障后测试三相绕组的直流电阻值相差不大。结合油色谱的分析结果,可以初步判断该故障为雷电波侵入变压器造成三相高压绕组匝间绝缘击穿损坏的事故。

3.2 雷电波侵入变压器绕组过程分析

按照雷电波侵入变压器的不同进波方式,在变压器中性点不接地的情况下,有关研究结果归纳出了雷电波侵入变压器的4种典型的方式[4-7],如表4所示。

表4 不同进波方式、不同中性点状况下变压器的电位分布

故障变压器35 kV电源线路没有接地信号或跳闸,且三相避雷器中只有C相避雷器动作，基本排除了线路三相全部遭受雷击的可能,否则,如果变压器电源进线的三相同时遭受雷击,A、B两相的避雷器也应该动作。雷电波侵入变压器绕组电位分布如图2所示。

由于三相绕组在相似的位置同时发生匝间绝缘击穿,结合表4和图2的内容可以确定,雷电波应该是在变压器中性点侵入,雷电波在以中性点为起点的线圈端部位置坡度比较陡,电位落差较大,从而造成匝间绝缘击穿。

3.3 故障结论

变压器中性点电位在雷电入侵波的作用下升高,在变压器的绝缘薄弱处造成放电使变压器损坏。变压器中性点处匝间放电主要是因为中性点处电压的升高使电位陡度增加,当变压器的匝间绝缘水平低于入侵波的电位陡度时,就会发生匝间绝缘击穿。

雷电波冲击造成变压器内部绝缘击穿,冲击电流造成变压器两套差动保护动作,变压器绕组虽流过较大电流,但冲击时间较短(故障录波图显示雷击后15 ms保护即发出跳闸信号),未造成变压器绕组变形和进一步的绝缘损伤,因此,变压器绕组的直流电阻以及绕组变形测试均未出现异常。

图2 雷电波侵入变压器绕组电位分布

4 措施及建议

1) 在变压器设计过程中,考虑变压器的中性点运行方式,应适当增大油道的距离,增加变压器绕组匝间绝缘裕度,增强抗雷电冲击能力。

2) 严格按照变压器的抽检作业规范,加强线端雷电全波冲击耐受电压、线端雷电截波冲击耐受电压等项目的执行力度。从变压器的制造出厂环节提高变压器的抗雷电冲击能力。

3) 装设避雷器时,应尽量靠近变压器,减小连接导线的距离,确保变压器在避雷器的保护范围之内,必要时在变压器高压侧引线处装设避雷器。

4) 对于中性点不接地的变压器,可在变压器中性点处加装避雷器,避免雷电冲击及感应雷对变压器中性点处绝缘的损坏。

5) 对于雷电活动频繁地区,在按照设计规范要求,完善35 kV变电站避雷措施的基础上,应在进线区安装多针型避雷针,防止雷电直接落到进线上的小概率事件对变压器的冲击。

6) 变压器架空电源进线的防雷措施应按照输电线路在电网的重要程度、线路走廊雷电活动强度、地形地貌及线路结构的不同,进行差异化配置。应综合采取减小地线保护角、改善接地装置、适当加强绝缘措施来降低线路雷害风险。

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(责任编辑 郭金光)

Fault analysis of lightning strikes in 35 kV transformer

LI Xue1, WANG Nan1, SUN Cheng1, MA Xiaoguang2

(1.Electric Power Research Institute of Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300384, China; 2. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China)

For a transformer lightning strike, the process of fault analysis and dealings were introduced. The layout of electrical equipment in the substation and the transformer’s winding structure were analyzed in this paper. Through on-site equipment inspection and fault characteristics, diagnostic test results and disaggregation check, combining with lightning impulse transformer windings voltage distribution, the paper analyzed the process of transformer failure caused by lightning invasion wave, and revealed the mechanism of lightning impulse voltage caused by insulation breakdown between the transformer winding turns. Finally, the transformer lightning prevention measures against accidents were proposed.

transformer; lightning over-voltage; fault analysis

2015-06-02。

李 雪(1983—),男,工程师,从事高电压绝缘技术专业相关方面的研究。

TM407

A

2095-6843(2016)01-0061-04