一起变压器低压绕组匝间短路故障分析

叶 芳 朱旻哲

（苏州供电公司）

0 引言

电力变压器作为变电站最主要的电力设备之一，其状态、 性能与电力系统运行的安全性、 可靠性和稳定性直接相关。近年来随着电力系统容量的增长， 电力变压器的数量日益增多， 变压器故障的数量也有上升趋势， 其中变压器短路故障就是十分常见的一种。文献[1］针对某220kⅤ变压器在下级输出线路相间短路故障切除后重瓦斯保护动作的问题， 通过诊断性试验及返厂解体， 判断半截油道垫块引起线圈局部绝缘薄弱， 匝间短路最终造成重瓦斯保护动作。文献[2］对一起500kⅤ变压器主变短路故障的原因进行了分析， 并详细介绍了故障概况、 试验结果及分析过程，提出了相应的处理措施和预防措施。本文就一起110kⅤ变压器低压绕组匝间短路故障， 结合油中溶解气体、 单相低电压空载、 变比、 绕组直流电阻、 解体检查详细分析了故障原因。

1 故障实例

1.1 故障描述

2022 年8 月18 日下午17： 30 左右， 110kⅤ某变电站#3主变轻瓦斯、 重瓦斯保护动作发生跳闸。故障变压器为某电力变压器有限公司产品， 型号SZ10-50000/110， 接 线 组 别YNd11， 额 定 电 压110+5-3 ×2%/10.5kⅤ， 2017 年7 月投运， 铭牌信息如表1 所示。投运前该变压器的各项电气试验、 油化试验结果均正常， 本体瓦斯继电器校核结果合格。

表1 故障变压器铭牌信息

1.2 分析处理

根据故障现象， 从气体继电器的动作原理分析，当变压器内部出现匝间短路、 绝缘损坏、 接触不良、铁心多点接地等故障时， 都将产生大量的热能， 使油分解出可燃性气体， 向储油柜方向流动。当气体沿油面上升， 聚集在气体继电器内超过一定量， 将造成轻瓦斯保护动作。当气体流速超过气体继电器的整定值时， 气体继电器的挡板收到冲击， 将使断路器跳闸，重瓦斯保护动作[3］。

因此， 故障发生后， 现场立即组织对该台变压器进行了取油样以及相关电气试验。故障后油中溶解气体成分如表2所示：

表2 故障后油中溶解气体成分 （mL/L）

由表2 试验结果可见， 故障后油中特征气体组分明显升高， 其中氢气产气量超出150μL/L， 乙炔产气量 超 出5μL/L， 总 烃 产 气 量 超 出150μL/L。同 时，C2H2/C2H4 = 1.02， CH4/H2 = 0.40， C2H4/C2H6 =12.72， 根据5 种特征气体的比值， 对照三比值法的编码规则， 得出编码为102， 以此判断故障类型为电弧放电[4］。

对故障变电器进行单相低电压空载试验， 空载试验可以通过测量空载电流和空载损耗， 分析其变化规律来发现铁心故障、 绕组匝间短路等缺陷[5］， 试验数据如表3所示。

表3 单相低电压空载试验数据

由表3 中所列数据可见： ①空载损耗Pbc与Pca远大于Pab，Pca/Pbc≈0.97， 不符合正 常 关系式Pab＝Pbc，Pca＝（1.4～1.55）Pab＝（1.4～1.55）Pbc； ②凡是涉及c相时， 空载电流、 空载损耗均明显增大； ③当短接c相时， 其他两相损耗都小。

由此初步判断可能存在以下几种情况：

①变压器铁芯存在故障； ②低压c 相绕组发生匝间/层间短路故障， 由此导致在一定试验电压下，Pbc、Pca显著增加； ③高压C相绕组发生匝间/层间短路故障， 由此导致电流、 损耗增加。

根据以上分析， 随后对变压器的变比进行测试，结果如表4 所示， 根据《输变电设备状态检修试验规程》[6］要求， 变压器额定分接头外的其他分接头的变比初值差不应超过±1%， 由此可见低压c 相绕组可能存在匝间短路。

表4 变比试验数据

为进一步验证故障原因， 对高压绕组运行档 （第7 档） 、 低压绕组进行直流电阻试验， 结果如表5所示。

表5 直流电阻试验数据

由表5 可知， 高压绕组的相电阻相对误差为0.77%， 满足《输变电设备状态检修试验规程》[6］中“各相绕组电阻相间的差别不大于三相平均值的2%”的要求， 试验结果合格； 低压绕组的线电阻相对误差为39.45%， 不满足《输变电设备状态检修试验规程》[6］中“无中性点引出的绕组， 线间差别不应大于三相平均值的1%”的要求， 试验结果不合格。

为确定具体的故障位置， 下面将低压绕组的线电阻换算至相电阻进行比较：

其中，

调取该变压器的交接试验报告， 低压绕组的线电阻试验值， 以及将其换算至53℃时的相电阻值如表6所示。

表6 直流电阻交接试验数据

由此可见， 低压c相绕组的直流电阻， 与交接试验结果相比发生显著增加。

综合变压器油中溶解气体分析[7］、 单相低电压空载、 变比、 直流电阻的试验结果， 推断如下： 该变压器低压c 相绕组发生匝间短路， 在故障下， 变压器内部产生大量气体， 造成瓦斯动作。

2 解体及事故原因分析

返厂对故障变压器进行了解体， 在解体过程中发现： 低压c 相线圈已经局部烧损， 在下半部出线处存在大面积的熔断、 碳化现象， 如图1所示， 故障产生的油气造成轻瓦斯、 重瓦斯保护动作， 故障原因与诊断试验结果分析吻合。

图1 故障主变返厂解体后低压线圈烧损情况

导致低压c 相绕组匝间短路的主要原因可能为：①变压器的制造工艺存在缺陷， 如制造时使用了表面存在毛刺且有损伤的铜线， 绝缘纸有破损等， 在运行中缺陷部位局部场强过高， 产生局部放电， 虽然局部放电能量小， 但由于长时间存在， 其累计效应使放电点周围的绝缘材料逐渐劣化； ②变压器长时间过负荷运行， 在夏季高温重负荷下， 线圈发热严重， 导致缺陷扩大， 最终导致绝缘击穿、 匝间短路事故的发生[8］。

3 结束语

为了提高电网运行可靠性， 防止类似变压器损坏事故， 建议从生产工艺、 监造、 设备状态评估三方面加强管理。

①加强变压器从选型、 生产、 验收到投运的全过程管理， 提高变压器抗短路能力。变压器制造阶段应选用优质的电磁线， 并加强对电磁线的质量监督。

②严格按照监造关键控制点的要求进行监造， 及时发现设备制造工艺的缺陷， 在变压器制造阶段消除事故隐患。

③控制变压器的负荷率， 避免变压器长时间过负荷运行， 并加强设备状态评估， 根据在线监测、 变压器运行、 油中溶解气体分析等情况， 结合历年态势对变压器进行全面评估， 发现异常应缩短试验周期并及时处理。