变压器一次合闸送电不成功分析与处理

康晓义，李 刚，陈昌山，李 欣，郭克敏

(河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡 453636)

0 引言

某蓄能电站装备4台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1 200 MW，属日调节纯抽水蓄能电站，4台500 kV变压器分两个单元以角形接线形式通过一回线路接入电网。该电站变压器在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。

该电站在一次主变检修后发生了一起变压器一次送电不成功事件。从励磁涌流的形成和特性展开论述，阐述了变压器剩磁对变压器合闸送电的影响，进而锁定故障原因。

1 变压器励磁涌流的形成与特点

1.1 变压器励磁涌流的形成

变压器内部的绕组和铁芯是储存磁场能量的元件，因此变压器在空载合闸瞬间，电流从零开始到建立起正常空载电流，即变压器磁能从零开始到具有正常的磁能，使能量发生了变化。由于电路的能量不能突变，因此需要经历过渡过程，然后才能到稳定空载运行状态。变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复过程中，特别是在电压为零时刻合闸时，伴随着变压器磁通变化的过渡过程，由于铁芯饱和而产生很大的空载合闸电流，这个过渡过程中的电流就称为励磁涌流。励磁涌流值可达正常空载电流的50～80倍，可达额定电流的5～8倍。

1.2 励磁涌流特性分析

设变压器剩磁通为Φs。在稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90°。如果空载合闸时，正好在电压瞬时值U=0时接通电路，则铁芯中应该具有磁通-Φm，但是由于铁芯中磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+Φm。这样在经过半个周波以后，铁芯中的磁通就达到2 Φm+Φs。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将急剧增大，励磁涌流中包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。综上分析，关于励磁涌流的特性分析，得出以下几个结论。

(1) 影响励磁涌流大小的因素主要为变压器合闸时的相位(合闸角)和铁芯的剩磁两个方面。剩磁有可能增大励磁涌流。

(2) 励磁涌流会逐渐衰减，根据有关资料研究，由于绕组电阻r1的存在，合闸电流将逐渐衰减，一般是小容量变压器衰减快。对于一般的中小型变压器，励磁涌流经过0.5～l s后其值不超过额定电流的0.25～0.5倍；大型电力变压器励磁涌流的衰减速度较慢，衰减到上述值时约需2～3 s。这就是说，变压器容量越大衰减越慢，完全衰减需经过几十秒的时间。

(3) 根据励磁涌流波形分析其具备的特点：包含有很大的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴一侧(第一象限或第四象限)；包含大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主。

此外需要特别注意三相变压器合闸时的励磁涌流。在三相变压器中，由于三相电压彼此互差120°，因此合闸时总有一相电压的初相角接近于零，所以总有一相的合闸电流较大。

2 故障经过及分析处理

某电站在完成3，4号主变检修后开展送电操作过程中，执行至合5013开关时，5013开关合闸后立即跳开，现地操作人员反馈在3，4号主变观察主变送电时，合闸瞬间4号主变有较3号主变发出较大的异常声响，监控报警信息显示，4号主变非电气量保护跳闸继电器001XV动作。

2.1 问题初步排查

现地检查开关站500 kV设备保护动作情况：500 kV线路保护、5011/5012/5013开关保护均未动作，5013开关分相操作箱跳5013开关三相指示灯亮，5013开关三相均在分位。

地下厂房3，4号主变保护动作情况：3主变保护装置未动作，4号主变保护装置未动作，3主变非电气量保护继电器001XV未动作，4号主变非电气量保护继电器001XV动作。

随后对4号主变非电气量保护继电器001XV各回路开展排查，以下任一条件满足均可导致主变非电气量保护跳闸继电器001XV动作。

(1) 主变保护装置看门狗故障。

(2) 励磁变温度跳闸。

(3) 主变消防动作。

(4) 主变高压侧刀闸位置不一致。

(5) 跳闸继电器001XV误动。

(6) 主变重瓦斯保护动作。

根据图纸，专业人员对回路的绝缘性能、端子情况、寄生回路情况逐一进行排查，同时对各装置部件整定情况、变压器外观、变压器油色谱情况、瓦斯继电器情况、励磁变情况等进行检查，过程中除了发现4号主变重瓦斯保护上送监控报警回路端子松动外，未发现其他任何异常；考虑到电气保护均无动作，且瓦斯继电器内无气体集聚，初步推断故障原因为变压器重瓦斯保护误动所致。

2.2 故障录波数据分析

调取故障录波装置中4号主变高压侧电流波形，可以看出其电流波形具备以下几个特点：

(1) 5013开关跳闸后4号主变高压侧A相电流最大，二次电流值0.621 A，电流互感器变比为1 250/1，折算到一次侧电流为776.25 A (4号变压器高压侧额定电流为396 A，空载电流为0.07 %)。根据计算结果，此次5013开关合闸4号主变产生了1.96倍额定电流，形成了较大的冲击电流。

(2) 4号主变合闸后高压侧电流波形中直流分量较大，其中基波分量约为0.616 A，直流分量约为0.628 A，直流分量为基波分量的1.02倍，电流波形包含了很大的非周期分量。

(3) 变压器A相电流波形偏于时间轴第一象限，B/C相电流波形偏于时间轴第四象限。

(4) 高次谐波分量中以二次谐波为主。

2.3 故障原因确认和处理

2.3.1 故障原因确认

根据跳闸过程变压器高压侧电流波形分析，比对1.2节论述中励磁涌流的特性，该次变压器送电合闸失败的原因应是4号主变压器合闸瞬间形成的励磁涌流过大导致。基于以上分析，进一步了解发现该电站在完成了变压器预防性试验后开展了送电操作，最后试验项目为变压器直流电阻测试，在试验过程中由于试验人员为赶时间，将试验电流由5 A，调整为20 A，由于选取电流较大，测试时间比较长，虽然测试装置具有消磁功能，但仅为一次操作且不是专用消磁仪，还是造成了变压器绕组中出现大量剩磁，导致变压器充电时在剩磁作用下主变铁芯饱和从而产生较大的励磁涌流和较大的电动力，引起主变线圈、器身振动形成油流涌动，致使变压器内部的油液面波动增大，最终导致4号主变重瓦斯保护动作引起主变一次送电失败。

所以变压器合闸瞬间产生的励磁涌流导致该次主变一次送电不成功的直接原因，而变压器修后直流电阻试验的不规范操作是导致故障的根本原因。

2.3.2 故障处理

基于原因分析，该电站对主变进行重新消磁处理，查询有关资料采取消除剩磁的措施有以下几个。

(1) 在变压器高压绕组两端正反向通入直流电流，并逐渐减小，缩小铁芯的磁滞回环，达到消除剩磁的目的。

(2) 提高铁芯的环境温度，加速铁芯材料的分子热运动，使有序排列的磁极重新紊乱，达到消磁的目的。

(3) 发变组零起升压方式消磁。

(4) 降低电压等级的外加交流消磁。即用一个低于变压器额定电压的交流电源给变压器空载充电，这种方式适合于普通的变电所变压器。

综合现场条件情况，该电站最终选择在主变低压侧使用“TD-6910变压器消磁及验证装置”分别对ab，bc，ca三相进行消磁，该装置采用先进的电源控制及测量技术，不仅快速对电力变压器进行消磁，还具有消磁验证的功能，对保护电力变压器免受励磁涌流冲击和安全投运有重要作用。该次消磁过程中施加220 V AC电压、1 A电流，直至消磁进度达到100 %，消磁完成。重新对变压器开展送电操作，变压器一次送电成功，该次故障消除。

3 结论

该次故障暴露了以下两个问题。

(1) 检修中对重瓦斯继电器报警回路检查不仔细，导致重瓦斯动作后监控无报警信息，对故障分析处理造成了困难。

(2) 运维及试验人员对试验可能导致的变压器剩磁认识不足，试验操作不够规范。

为避免类似情况发生，应做好以下几点。

(1) 细化变压器非电气量保护检修作业项目，进一步规范作业验收流程，确保各跳闸及报警回路正常。

(2) 进一步规范变压器试验工序，对可能造成变压器铁芯剩磁的试验应专门消除剩磁。

(3) 针对变压器剩磁和励磁涌流问题，对运维人员开展专项理论和实践技能培训，以提升运维人员素质。