一起500 kV变压器铁芯夹件绝缘异常分析

周榆晓，刘 畅，孙京阳，牛 李，唐 涛

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179； 3.长春市恒涛热电有限公司，吉林 长春 130000；4.特变电工沈阳变压器集团有限公司，辽宁 沈阳 110025)

1 设备情况和异常描述

2018年6月28日，该变压器在额定电压下进行第1次冲击合闸试验时，发现变压器铁芯和夹件接地电流分别为1400 mA和1810 mA，严重超标(不大于100 mA)[3-4]。设备停电后，测量该变压器铁芯、夹件绝缘电阻，铁芯、夹件对地绝缘电阻均合格，铁芯对夹件绝缘电阻为零，油中溶解气体结果无异常[5]。铁芯-夹件的绝缘电阻出厂值为3500 MΩ，实测值为8000 MΩ，发生异常后测量值为零。铁芯和夹件接地电流异常后的油中溶解气体结果如表1所示。

表1 铁芯和夹件接地电流异常后油中溶解气体结果 μL/L

变压器正常运行状态下铁芯和夹件电路如图1所示，此时铁芯和夹件间存在一个绝缘层，该绝缘层的绝缘电阻值为兆欧级别，产生的电流可忽略不计[6-7]。当铁芯和夹件之间存在金属异物导通时，铁芯和夹件电路如图2所示，此时铁芯和夹件间的绝缘层未起到绝缘作用，铁芯对夹件绝缘电阻为零，产生环流，铁芯和电流的监测装置监测到的电流超过正常运行值。因此，初步怀疑铁芯和夹件存在导通情况。

图1 正常状态下铁芯和夹件

图2 异常状态下铁芯和夹件

2018年7月10日，专业人员进入变压器内部进行检查，对本体的上下铁轭地屏、旁柱地屏、心柱地屏、拉带、各夹件磁屏蔽的绝缘进行测量，认为绝缘无问题，未发现故障点。

2 返厂试验和检查

2018年8月9日，变压器返厂后进行吊罩检查，测得铁芯-夹件绝缘电阻为零，器身吊起过程中，测量铁芯-夹件绝缘电阻为零。再次测量上、下铁轭地屏、旁柱地屏、心柱地屏、拉带、各夹件磁屏蔽的绝缘，未发现问题。检查上梁绝缘、上、下夹件绝缘未发现异物。该变压器返厂吊罩情况如图3所示。

图3 变压器返厂吊罩情况

拆除低压侧第1个级间绝缘的2个短接片后，面对低压侧右手边铁芯框靠近夹件侧的铁芯与夹件之间绝缘电阻为零，其他部分绝缘电阻为200 MΩ。具体情况如图4所示。

铁芯-夹件绝缘电阻为零区域的每1级电阻用万用表进行测量，测得最后4级的电阻为1～2 Ω，其他绝缘电阻为70 kΩ。根据以上试验数据，可判定面对低压侧右手边铁芯框最后4级与夹件导通。用瓶装氮气(大于1 MPa)检查怀疑存在金属异物的位置后，测得铁芯对夹件绝缘电阻为200 MΩ，但并未发现金属异物。

由于未明确找到故障点和异物，继续拆除上夹件及上铁轭，仍未找到故障点，最终将所有绕组提出，对检查下铁轭进行检查，未发现故障点和异物。拆除面对低压侧右手边下夹件磁屏蔽后，检查夹件绝缘，在主柱右侧第5与第6个垫块之间的空隙内发现长条状金属异物，金属异物所在位置如图5所示，金属异物整体如图6所示。

图5 金属异物所在位置

图6 金属异物整体

用强力磁铁取出异物后，测面对低压侧右手边铁芯框铁芯对夹件的绝缘电阻为200 MΩ。拆除剩余其他3个下夹件磁屏蔽，检查磁屏蔽覆盖位置下夹件绝缘，没有发现异物，对下夹件其他位置绝缘再次检查，没有发现异物。选择绝缘电阻表2500 V的档位测量铁芯对夹件绝缘电阻，绝缘电阻均不低于200 MΩ，故障点排除完毕。

3 铁芯对夹件绝缘异常原因分析

经核实，该金属异物存在于铁芯叠装工序中，为找平铁芯端面所使用的工具，工作人员由于工作疏忽，未及时收回该工具，铺下夹件绝缘时，该工具被卡在主柱右侧第5与第6个垫块之间的空隙内，安装铁芯垫脚及下夹件磁屏蔽时未发现该异物，导致异物被封在铁芯、夹件绝缘、垫脚和夹件磁屏蔽形成的空腔内。

工具外形尺寸为160 mm×30 mm×20 mm, 铁芯、夹件绝缘、垫脚和夹件磁屏蔽形成的空腔尺寸为500 mm×75 mm×32 mm，下夹件绝缘的高度与铁芯末级片高度相同，空腔下端80 mm高度内无夹件绝缘覆盖，如图7所示。当异物处于图8—图11所示位置时，铁芯与夹件不导通。当异物上端与末级片接触，下端与夹件接触时，铁芯与夹件导通，如图12所示。

图7 金属异物所在位置的结构

通过以上分析，怀疑该台变压器在厂内半成品试验、出厂试验、现场交接试验时，该金属异物均处于图8—图11所示的位置，现场冲击合闸试验后，可能是由于电动力的作用、绝缘油流动的作用或其他因素，造成金属异物处于图12所在的位置，造成了铁芯对夹件绝缘电阻为零。返厂后的检查过程中用氮气检查异物位置，使异物从铁芯夹件导通状态变为不导通状态。

图8 铁芯对夹件绝缘电阻正常(位置1)

图9 铁芯对夹件绝缘电阻正常(位置2)

图10 铁芯对夹件绝缘电阻正常(位置3)

图11 铁芯对夹件绝缘电阻正常(位置4)

图12 铁芯对夹件绝缘电阻为零(位置5)

4 仿真验证

根据所发现的工具外形尺寸和铁芯、夹件绝缘、垫脚和夹件磁屏蔽形成的空腔尺寸建立仿真模型，将金属异物放置于空腔中心，铁芯与夹件的电位差为2.5 kV(测量铁芯对绝缘绝缘电阻时施加的电压值)，仿真模型如图13所示。分别计算当空腔为绝缘油和空气时的电场分布和最高电场强度，计算结果分别如图14—图17所示。

图13 仿真计算模型

图14 电位分布(绝缘油中)

图15 电场强度分布(绝缘油中)

图16 电位分布(空气中)

图17 电场强度分布(空气中)

仿真结果表明，在绝缘油中，异物表面最大场强为0.93 kV/mm，在空气中，异物表面最大场强为0.98 kV/mm。无论在绝缘油中还是在空气中，异物表面的最大场强都远远小于击穿场强[8-10]，所以当金属异物处于空腔的中心位置时，不影响铁芯对夹件的绝缘电阻，从而验证了现场发生的实际情况。

5 结束语

本文介绍了一起500 kV变压器铁芯对夹件绝缘异常情况，通过现场的铁芯和夹件接地电流监测发现铁芯和夹件存在环流现象，从而判断铁芯对夹件绝缘异常，经过现场测量、返厂测量、返厂解体、仿真验证，最终发现了造成异常的原因是铁芯车间工作人员在铁芯打叠完成后将工具遗落在变压器所致。根据此情况提出以下避免此类事件发生的措施。

a.建议使用工器具时应做好核对，工作前领出的工器具工作结束后应仔细核对，不得缺少。

b.建议使用体积较大、颜色鲜明(明显区别于硅钢片颜色)的该类工器具，避免工作后遗留在变压器器身内。