高压厂用变压器低压侧短路故障过程分析

雅砻江流域水电开发有限公司 薛丽丽 四川管理职业学院 刘森林

1 高压厂用变压器（以下简称高厂变）保护配置情况

某电厂使用的#2高厂变是由保定天威变压器有限公司生产的型号为DC10-3150/√3/20的三相干式变压器，其低压侧电缆型号为ZA-YJV-3＊240，为双线并接。高厂变配置的保护包括：差动保护，过流保护（速断、时限I及过负荷保护）。另外，过流保护全部采用高压侧CT电流。

厂变容量 009.45MVA 差动启动定值 000.50Ie低压侧一次额定电压 10.50kV 差流报警定值 000.25Ie高压侧 TA 500A/1A 差流速断定值 10 Ie低压侧 TA 750A/1A 比率制动起始斜率 000.15厂变联结方式 Y/d-11 比率制动最大斜率 000.70过负荷电流定值 000.6A 谐波制动系数 000.15过负荷延时 005.00S 电流速断定值 8.60A过流I段定值 003.30A 过流I段一时限延时 001.70S

2 保护动作分析及故障排查

2.1 高厂变差动保护动作情况

某日监控信号报：安装间10kV的901M/902M联络刀闸90102G柜报Ⅱ母母线接地报警；二号机组主变保护A屏厂变差动跳闸报警；二号机组主变保护B屏厂变差动跳闸报警；二号机组主变保护A屏厂变差动跳闸复归；二号机组主变保护B屏厂变差动跳闸复归。

2.2 跳闸数据分析及故障排查

2.2.1 故障排查

现场检查二号机组两套主变保护动作报告显示：差动电流10.7Ie，制动电流5.35Ie，跳闸出口正确。检查保护装置采样及回路正确。

检查高厂变一次设备运行情况，发现#2高厂变低压侧10kV电缆头（高厂变低压侧与10kV开关之间）单相放电引起电缆着火，使电缆头绝缘严重烧损。

调取#2母线洞工业电视视频，发现在保护动作前几分钟#2高厂变内部发出了火光，将高厂变顶部10kV电缆终端附近的胶垫引燃，然后持续燃烧直至保护动作跳闸。

图1 厂高变内低压侧电缆布置接线情况（红圈为故障区）

2.2.2 电压谐振波形分析

现场检查调取数据时，发现高厂变差动保护动作前高厂变低压侧波形有畸变，如图1所示。根据图1波形数据分析，故障期间#2高厂变低压侧三相电压及零序电压最大瞬时值均超过100V，含有大量高次谐波，且故障过程中10kV二段PT柜内微机消谐装置投入动作。初步分析此故障期间是由于10kV电缆终端绝缘被烧损，导致电缆对地容抗参数发生变化，满足谐振触发条件进而发生高频谐振。微机消谐装置投入后，谐振消失，电压恢复正常。

图2 故障后电缆头烧损情况（红圈内为故障相接地点）

图3 #2高厂变低压侧电压谐振波形图

2.2.3 #2高厂变低压侧短路故障分析

由于运行值班人员在故障发生后的保护跳闸前期间拉开了#2高厂变低压侧10kV开关，此后的故障期间无法直接从故障录波装置上查看到#2高厂变低压侧的故障电压和故障电流，只能通过#2高厂变高压侧电流推算低压侧故障电流。

随着故障进一步发展，#2高厂变高压侧三相电流（二次值）急剧增大，分别为IA=6.7A∠82o、IB=3.3A∠-97o、IC=3.3A∠-97o。 根 据Y.d11联接中高低压侧电流关系，可计算#2高厂变低压侧三相电流（二次值）分别为Ia=[500×20×(IAIB)]/（1.732×10.5×750）=7.35A ∠82o，Ib=[500×20×(IB-IC)]/（1.732×10.5×750）=0A∠0o，Ic=[500×20×(IC-IA)]/（1.732×10.5750）=7.35A∠-102o，即#2高厂变低压侧A、C相电流大小相等，相位相反，B相电流为0，与不接地系统两相短路故障特征完全吻合。

随着时间推移，#2高厂变高压侧三相电流（二次值）发生了变化，分别为IA=6.4A∠-6o、IB=6.0A∠-128o、IC=6.0A∠115o， 同 理 可 以计算出#2高厂变低压侧三相电流（二次值）分别 为Ia=7.96A∠21o，Ib=7.96A∠-101o，Ic=7.96A∠141o，即#2高厂变低压侧A、B、C三相电流大小几乎相等，呈正序120o关系，且略大于两相短路电流值，这与不接地系统三相短路故障特征完全吻合。

图4 #2高厂变低压侧相间短路故障波形图

2.2.4 #2高厂变低压侧相间短路电阻计算

由#2高厂变铭牌参数可知，高厂变容量S=9.45MVA，短路阻抗标幺值XT=0.079，低压侧额定电压Un=10.5kV，则#2高厂变低压侧发生金属性短路时，其短路阻抗有名值X1=XT×Un2/S=0.079×10.5×10.5×106/(9.45×106)=0.92Ω。

当#2主变低压侧发生三相短路时，其高压侧故障电流标幺值Ik（3）=6.0A×500/273=11，可计算出短路阻抗标幺值XT'=1/Ik（3）=1/11=0.091，则短路阻抗有名值X1'=XT'×Un2/S=0.091×10.5×10.5×106/(9.45×106)=1.06Ω。

由上述计算可知，当#2高厂变低压侧发生三相短路故障时，其短路电阻与发生三相金属性短路时电阻相当，因此可以判断#2高厂变低压侧发生了三相金属性短路故障。

3 故障原因分析

经讨论分析，此次故障的根本原因为高厂变厂家设计的变压器低压侧电缆安装固定方式不合理，安装接线方式不合理，电缆头位安装工艺不到位，电缆主绝缘外层屏蔽未按照厂家工艺要求延伸至一定尺度的应力锥段，造成电缆导体在箱体开孔位置的电场严重畸变，另电缆设计布置的弯曲度过小进一步加重了该处电场的畸变，导致该位置在带电后出现局部放电，达到一定程度后绝缘严重下降，产生高频谐振后放电击穿，经历A相接地，A、C两相短路，最终导致三相短路故障后高厂变差动动作跳开发电机出口开关。