一起大负荷电机短路导致变压器绕组变形的案例分析

巨建成,范 林,孙晓莹,魏 谭,李 庆

(河北西柏坡发电有限责任公司,石家庄 050400)



一起大负荷电机短路导致变压器绕组变形的案例分析

巨建成,范 林,孙晓莹,魏 谭,李 庆

(河北西柏坡发电有限责任公司,石家庄 050400)

通过一起高压大容量电机短路事故,分析短路电流对发电厂高压厂用电变压器造成的损坏。同时,运用变压器油色谱分析、直阻测量、频率响应法绕组变形试验来推断变压器的故障类型和受损程度,将其与吊罩检查结果对比,发现故障现实与试验推断存在着差异。由此,提出应结合多种试验方法和参考变压器运行经历,才能准确推断近区短路事故对变压器造成的影响。

近区短路;变压器;绕组变形;频率响应法

1 设备简介及故障现象

某电厂4号三相高厂变,型号SFF—31 500/20,冷却方式为自然风冷,1997年投入运行,具体参数如表1所示。

表1 4号高厂变参数

1.1 事故经过

2014年12月2日,该电厂4B循环水泵(额定电压6 kV,功率200 kW)运行中掉闸,后又经强合一次再次掉闸。检修人员发现4B循环水泵电机冷油器水管破裂,油水混合液溢到电机定子绕组上,造成电机绝缘击穿、BC两相短路和差动保护动作,两次短路电流分别为17 880、16 560 A,持续时间分别为98、70 ms。

1.2 变压器油色谱分析

事故发生后,对4B循环水泵断路器、6 kV母线、变压器进行检查,发现6 kV母线电压发生轻微波动,4号高厂变变压器油色谱分析异常,检查数据如表2所示。

根据DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》,220 kV及以下的变压器总烃、乙炔、氢气含量注意值分别为150、5、150 μL/L。而此次4号高厂变变压器油中乙炔含量高过注意值111%。

表2 4号高厂变变压器油色谱分析

其他气体含量虽然均在注意值以内,但对比历史数据,可以观察出4号高厂变变压器油中的氢气、总烃出现异常增长,一氧化碳、二氧化碳含量增幅在合理范围内。

计算2014年4月29日至12月4日变压器油中总烃和氢气的绝对增长速率。根据公式

计算可得总烃、氢气、乙炔的绝对产气速率分别为

γ总烃=5.446 mL/d

γ氢气=7.742 mL/d

γ乙炔=0.646 mL/d式中:γn为绝对产气速率, mL/d;Ci,2为第二次取样测得油中某气体浓度,μL/L;Ci,1为第一次取样测得油中某气体浓度,μL/L;Δt为两次取样时间间隔中的实际运行时间,d;m为设备总油量,t;ρ为油的密度,t/m3。

根据《变压器油中溶解气体分析和判断导则》,变压器油中的总烃、氢气和乙炔的绝对产气速率注意值分别为6、5、0.1 mL/d,计算结果表明高厂变中氢气、乙炔绝对产气速率均超过了注意值,而总烃也接近注意值。这说明此次短路事故对4号高厂变内部造成了损伤。

依据《电力设备预防性试验规程》,变压器油中甲烷、乙烷一般生成于变压器油低能量故障,如局部的放电,而乙烯多是在高于甲烷、乙烷的温度(500 ℃左右)下生成,乙炔则需要更高的反应温度,如800～1200℃之间生成,当变压器油中发生剧烈

拉弧放电故障时,会生成大量乙炔。CO、CO2取决于变压器中固体绝缘物质的分解,氢气则是变压器油中受潮或水分的分解。

根据测量数据,采用三比值法对电抗器故障进行分析。计算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值分别为0.22、0.206、1.261,故障类型编码为101,经验故障为电弧放电。这说明变压器内部绝缘薄弱处在短路电流作用下发生拉弧放电,变压器油受热分解,产生了乙炔等其他烃类气体。

1.3 高压常规试验

4号高厂变高压常规试验数据如表3所示。由表3可以发现,绝缘电阻及吸收比、绕组直流电阻等各项数值均符合DLT 596-2005《电力设备预防性试验规程》要求。但与历史数据相比较,发现此次4号高厂变低压侧B分支三相测量数据变化较大:三相直流电阻及相互差均上升,相互差由0.4%变化为0.55%,Cx由11 430 pF变化为13 920 pF,变化率为21.78%。高压绕组与低压A分支在上述项变化较小,在tgδ方面三者数据均呈增加趋势;在泄漏电流方面三者增幅均在16倍以上。

根据试验数据对比,可以判断此次短路事故对变压器低压侧B分支绕组影响最大,Cx较大变化说明B分支绕组存在较大变形,高压绕组以及低压A分支受影响较小,可能存在较小变形。

1.4 变形试验

变形试验一般分为阻抗法和频率响应法。阻抗法即常规测量变压器变比、阻抗及感抗来检测线

表3 高压常规试验

圈的变形,这一方法缺点是测量灵敏度较低,只有线圈严重变形时才能在测量数据上凸显出来[1]。根据对变压器常规高压试验数据以及变压器油色谱分析结果,初步判断短路电流造成4号高厂变内部发生短时过热故障,变压器低压侧B分支绕组可能存在变形[2]。因此,结合前面试验分析,对4号高厂变采用了频率响应法实施了变形试验。频率响应分析法试验接线如图1所示。

P—频率响应分析仪;K—50 Ω同轴电缆;Z—匹配阻抗

观察频响法测试结果,对于高压绕组,试验频率在0.5 MHz以下时,波形趋势、波动幅度均呈现高度一致性,A、B、C三相之间相关系数分别为1.05、1.07、1.04;试验频率在0.5～1 MHz时,三相响应波形趋势相近,波动振幅有轻度区别,相关系数均在1.07～1.19。总体观察,高压侧三相响应波形一致性较好。

观察低压绕组A分支,试验频率在0.25 MHz附近时,AB曲线与其他两相波形与振幅差异较大,AB与BC相关系数为1.03,但AC与其AB、BC相关系数为0.81、0.78。

在0.25～0.5 MHz频段,三相波形和振幅较为一致;在0.5～0.8 MHz频段,波形的趋势相近,振幅差距在10 dB以下,三者相关系数也接近1。总体观察A分支波形一致性较好。

针对B分支,试验频率在0.25 MHz以下,三相频率响应曲线一致性较好;试验频率在0.25～0.75 MHz频段时,AB曲线与其他两相波形与振幅差异较大,BC与CA相关系数接为1.07,但AB与其BC、CA相关系数为1.27、1.32;振幅差异在15 dB以上时,波形的趋势相近;在0.75 MHz至1 MHz频段时,三相波形又回归一致,振幅差距较小。总体观察B分支波形一致性较差。

变压器绕组频率响应曲线如图2所示。

通过分析波形图2可以推断,4号高厂变高压侧绕组波形一致性较好,应该不存在绕组变形。低压绕组B分支AB相一致性较差,无论是波形趋势还是波形振幅都存在较大差异,结合短路事故发生在AB相,判断B分支A、B相绕组发生变形,低压A分支各相绕组可能存在轻度变形。

图2 变压器绕组频率响应曲线

2 吊罩检查

2014年12月22日,对4号高厂变进行吊罩检修。检查整体器身外观,发现B相线圈有轻微变形倾斜,且目测观察AB相线圈相间距小于BC相线圈的相间距。吊出器身并入位后,铁轭未发现异常,断开铁心与夹件连接片,测量铁心对夹件绝缘电阻为500 MΩ。

产品断线、拆铁后,上部铁压板与端圈无异常。取下端圈后,检查线圈发现三相线圈均有不同程度转动,其中,A相高压与外低压线圈相对内低压线圈顺时针转动,最大位移为20 mm;B相外低压线圈相对高压与内低压线圈顺时针转动,最大位移为30 mm;C相高压与外低压线圈相对内低压线圈顺时针转动,最大位移为10 mm。由于线圈的相对移位,导致绕组多处绝缘垫块错位,绝缘纸崩裂。

接着对线圈进行散拔,测量每个线圈垂直度，发现以下问题(以上端为基准):

1) A相内低压线圈下部顺时针转动,最大处位移18 mm。

2) B相外低压线圈下部逆时针转动,最大处位移35 mm。

3) C相高压线圈下部逆时针转动,最大位移10 mm。

4) C相外低压线圈下部顺时针转动,最大位移10 mm。

可见,以上7个线圈均出现了不同程度变形,其他线圈未见明显变形,检查线圈出头,发现B相外低压线圈上部出头电磁线匝绝缘碳化,其他处未发现放电痕迹。

3 分 析

变压器吊罩检查结果与试验判断结果有一定的差异。

B相外低压线圈上部出头电磁线匝绝缘碳化,符合针对乙炔生成的判断:绕组绝缘薄弱点或铁芯尖端处发生短时放电拉弧,变压器油受热分解产生乙炔。低压绕组B分支变形程度较大,其中B相整体倾斜,垫块移位、绝缘纸破裂现象严重,这符合先前B相受破坏程度较大的判断。在短路电流作用下变压器绕组受到与变压器铁芯垂直的辐向电磁力和平行于铁芯的轴向电磁力,观察到在径向上高压绕组伸长,低压绕组收缩,在轴向上高压绕组斜向上拉伸,这些都符合发生变压器绕组变形事故的经验现象。但变压器9个绕组中7个发生变形,同时高压绕组的变形程度大于预测。原因是在进行变形试验时,没有对比历史波形,只是三相之间互相比较,造成了判断误差。另一方面该变压器在2010年经历一次短路冲击,当时变压器油色谱分析正常,并未对变压器进行吊罩检查。考虑到绕组的

变形具有积累效应[3],因此,确认此次绕组的变形为这两次短路电流冲击的结果。

4 结 论

1) 通过对本次变压器绕组变形事故的试验分析与吊罩验证,得出近区短路是变压器绕组变形的重要诱因。

2) 变压器油色谱分析技术、高压常规试验并不能准确、全面反映变压器内部状态,在运用频响法变形试验等手段来诊断变压器绕组时,应与历史曲线进行对比,才能准确判断变压器绕组变形情况。

3) 对于遭受过短路冲击的变压器,应做好跟踪统计工作,确保设备状态的可靠可控,同时应加强高压电机操作人员的技术水准,在未确定电机故障原因的情况下切勿盲目重合闸,否则会导致变压器遭受短路电流二次冲击。

[1] 邹国平,何文林,董雪松,等.一起变压器近区短路冲击的诊断与分析[J].高压电器,2013,49(12):95-98.

ZOU Guoqing, HE Wenlin, DONG Xuesong, et al. Diagnosis and analysis of nearby short-circuit impact on transformer [J]. High Voltage Apparatus, 2013,49(12):95-98.

[2] 胡海宁,周立行,李季高,等.近区短路对变压器的影响及诊断方法[J].变压器, 2013,50(11):73-76.

HU Haining, ZHOU Lixing, LI Jigao, et al. Influence of close-in short circuit on transformer and its diagnosis method [J]. Transformer, 2013,50(11):73-76.

[3] 穆永保.一起220 kV变压器绕组变形缺陷的诊断与原因分析[J].变压器,2014,51(11):62-65.

MU Yongbao. Diagnosis and reasons analysis of winding deformation defects in 220 kV transformer [J]. Transformer, 2014,51(11):62-65.

(责任编辑 侯世春)

Case analysis of high capacity motor’s short circuit caused by transformer’s winding deformation

JU Jiancheng, FAN Lin, SUN Xiaoying, WEI Tan, LI Qing

(Hebei Xibaipo Power Generation Co. Ltd., Shijiazhuang 050400, China)

On the basis of the high-voltage large-capacity motor short circuit accident, this paper analyzed the damage of short circuit to high voltage transformers in power plants, and used the chromatographic analysis, dc resistance measurement and frequency response analysis to judge the transformer’s winding deformation. Through the comparison of the result of the method mentioned above and that of hanging checking, it was discovered that there was difference between fault reality and testing judgment. It proposed that, therefore, the combination of diverse testing methods and transformer operation experience should be taken to accurately judge the influence of close-in short circuit accident on transformers.

close-in short circuit; power transformer; winding deformed; frequency response analysis

2015-08-14。

巨建成(1986—),男,高级工程师,从事发电厂电气一次设备检修、运行、维护工作。

TM407

A

2095-6843(2016)01-0081-04