*章 變壓器故障

　　油浸電力變壓器的故障常被分為內部故障和外部故障兩種。內部故障為變壓器油箱內發生的各種故障，其主要類型有：各相繞組之間發生的相問短路、繞組的線匝之間發生的匝問短路、繞組或引出線通過外殼發生的接地故障等。外部故障為變壓器油箱外部絕緣套管及其引出線上發生的各種故障，其主要類型有：絕緣套管閃絡或破碎而發生的接地<通過外殼）短路，引出線之間發生相問故障等而引起變壓器內部故障或繞組變形等。變壓器的內部故障從性質上一般又分為熱故障和電故障兩大類。熱故障通常為變壓器內部局部過熱、溫度升高。根據其嚴重程度，熱性故障常被分為輕度過熱（一般低于150℃）、低溫過熱（150—300℃）、中溫過熱（300～700℃）、高溫過熱（一般高于700℃）四種故障隋況。電故障通常指變壓器內部在高電場強度的作用下，造成絕緣性能下降或劣化的故障。根據放電的能量密度不同，電故障又分為局部放電、火花放電和高能電弧放電三種故障類型。

    由于變壓器故障涉及面較廣，具體類型的劃分方式較多，如從回路劃分主要有電路故障、磁路故障和油路故障。若從變壓器的主體結構劃分，可分為繞組故障、鐵心故障、油質故障和附件故障。同時習慣上對變壓器故障的類型一般是根據常見的故障易發區位劃分，如絕緣故障、鐵心故障、分接開關故障等。而對變壓器本身影響zui嚴重、目前發生機率zui高的又是變壓器出口短路故障，同時還存在變壓器滲漏故障、油流帶電故障、保護誤動故障等等。所有這些不同類型的故障，有的可能反映的是熱故障，有的可能反映的是電故障，有的可能既反映過熱故障同時又存在放電故障，而變壓器滲漏故障在一般情況下可能不存在熱或電故障的特征。

    因此，很難以某一范疇規范劃分變壓器故障的類型，本書采用了比較普遍和常見的變壓器短路故障、放電故障、絕緣故障、鐵心故障、分接開關故障、滲漏油氣故障、油流帶電故障、保護誤動故障等八個方面，按各自故障的成因、影響、判斷方法及應采取的相應技術措施等，分別進行描述。

*節  短路故障

    變壓器短路故障主要指變壓器出口短路，以及內部引線或繞組間對地短路、及相與相之間發生的短路而導致的故障。

    變壓器正常運行中由于受出口短路故障的影響，遭受損壞的情況較為嚴重。據有關資料統計，近年來，一些地區110kV及以上電壓等級的變壓器遭受短路故障電流沖擊直接導致損壞的事故，約占全部事故的50％以上，與前幾年統計相比呈大幅度上升的趨勢。這類故障的案例很多，特別是變壓器低壓出口短路時形成的故障一般要更換繞組，嚴重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴重的后果和損失，因此，尤應引起足夠的重視。

    出口短路對變壓器的影響，主要包括以下兩個方面。

    1．短路電流引起絕緣過熱故障

    變壓器突發短路時，其高、低壓繞組可能同時通過為額定值數十倍的短路電流，它將產生很大的熱量，使變壓器嚴重發熱。當變壓器承受短路電流的能力不夠，熱穩定性差，會使變壓器絕緣材料嚴重受損，而形成變壓器擊穿及損毀事故。

    變壓器發生出口短路時，短路電流的值表達式為

                           （1-1）

式中  （n）——短路類型的角標；

   ——比例系數，其值與短路類型有關；

——所求短路類型的正序電流值。

    不同類型短路的正序電流值表達式為

                       （1-2）

式中  E——故障前相電壓

      X_l——等值正序阻抗

——附加阻抗。

  　變壓器的出口短路主要包括：三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路等幾種類型。據資料統計表明，在中性點接地系統中，單相接地短路約占全部短路故障的65％，兩相短路約占10％～15％，兩相接地短路約占15％一20％，三相短路約占5％，其中以三相短路時的短路電流值zui大，國標GBl094·5--85中就是以三相短路電流為依據的。

忽略系統阻抗對短路電流的影響，則三相短路表達式為

                        （1-3）

式中  ／5；’I三相短路電流；

    U－變壓器接人系統的額定電壓

    Z_t－變壓器短路阻抗；

    I_N－變壓器額定電流；

    U_N－變壓器短路電壓百分數。

    對220kV三繞組變壓罪而言，高壓對中、低壓的短路阻抗一般在10％一30％之間，中壓對低壓的短路阻抗一般在10％以下，因此變壓器發生短路故障時，強大的短路電流致使變壓器絕緣材料受熱損壞。

    2．短路電動力引起繞組變形故障

    變壓器受短路沖擊時，如果短路電流小，繼電保護正確動作，繞組變形將是輕微的；如果短路電流大，繼電保護延時動作甚至拒動，變形將會很嚴重，甚至造成繞組損壞。對于輕微的變形，如果不及時檢修，恢復墊塊位置，緊固繞組的壓釘及鐵軛的拉板、拉桿，加強引線的夾緊力，在多次短路沖擊后，由于累積效應也會使變壓器損壞。因此診斷繞組變形程度、制訂合理的變壓器檢修周期是提高變壓器抗短路能力的一項重要措施。

    繞組受力狀態如圖1—1、圖1—2所示。由于繞組中漏磁中。的存在，載流導線在漏磁作用下受到電動力的作用，特別是在繞組突然短路時，電動力zui嚴重。漏磁通常可分解為縱軸分量月和橫軸分量月，。縱軸磁場月使繞組產生輻向力，而橫軸磁場月·使繞組受軸向力。軸向力使整個繞組受到張力P₁，在導線中產生拉伸應力。而內繞組受到壓縮力P₂，導線受到擠壓應力。

圖1—1  變壓器繞組漏磁及受力示意圖           圖l—2  變壓器繞組受力分析圖

    軸向力的產生分為兩部分，一部分是由于繞組端部漏磁彎曲部分的輻向分量與載流導體作用而產生。它使內、外繞組都受壓力：由于繞組端部磁場B’zui大因而壓力也zui大，但中部幾乎為零，繞組的另一端力的方向改變。軸向力的另一部分是由于內外安匝不平衡所產生的輻向漏磁與載流導體作用而產生，該力使內繞組受壓，外繞組受拉；安匝不平衡越大，該軸向力也越大。

    因此，變壓器繞組在出口短路時，將承受很大的軸向和輻向電動力。軸向電動力使繞組向中間壓縮，這種由電動力產生的機械應力，可能影響繞組匝間絕緣，對繞組的匝間絕緣造成損傷；而輻向電動力使繞組向外擴張，可能失去穩定性，造成相間絕緣損壞。電動力過大，嚴重時可能造成繞組扭曲變形或導線斷裂。

    對于由變壓器出口短路電動力造成的影響，判斷主變壓器繞組是否變形，過去只采取吊罩檢查的方法，目前一些單位采用繞組變形測試儀進行分析判斷，取得了一些現場經驗，如有些地區選用TDT—1型變壓器繞組變形測試儀進行現場測試檢查，通過對主變壓器的高、中、低壓三相的九個繞組分別施加l0kHz至lkHz高頻脈沖，由計算機記錄脈沖波形曲線并儲存。通過彩色噴墨打印，將波形繪制出圖，顯示正常波形與故障后波形變化的對比和分析，試驗人員根據該儀器*的頻率和波形，能比較科學地準確判斷主變壓器繞組變形情況。

    對于變壓器的熱穩定及動穩定，在給定的條件下，仍以設計計算值為檢驗的依據，但計算值與實際值究竟有*，尚缺少研究與分析，一般情況下是以設計值大于變壓器實際承受能力為準的。目前逐步開展的變壓器突發短路試驗，將為檢驗設計、工藝水平提供重要的依據。變壓器低壓側發生短路時，所承受的短路電流zui大，而低壓繞組的結構一般采用圓筒式或螺旋式多股導線并繞，為了提高繞組的動穩定能力，繞組內多采用絕緣紙筒支撐，但有些廠家僅考慮變壓器的散熱能力，對于其動穩定，則只要計算值能夠滿足要求，便將支撐取消，于是當變壓器遭受出口短路時，由于動穩定能力不足，而使繞組變形甚至損壞。

    3．繞組變形的特點

    通過檢查發生故障或事故的變壓器進行和事后分析，發現電力變壓器繞組變形是誘發多種故障和事故的直接原因。一旦變壓器繞組已嚴重變形而未被診斷出來仍繼續運行，則極有可能導致事故的發生，輕者造成停電，重者將可能燒毀變壓器。致使繞組變形的原因，主要是繞組機械結構強度不足、繞制工藝粗糙、承受正常容許的短路電流沖擊能力和外部機械沖擊能力差。因此變壓器繞組變形主要是受到內部電動力和外部機械力的影響，而電動力的影響zui為突出，如變壓器出口短路形成的短路沖擊電流及產生的電動力將使繞組扭曲、變形甚至崩潰。

    （1）受電動力影響的變形。

    1）高壓繞組處于外層，受軸向拉伸應力和輻向擴張應力，使繞組端部壓釘松動、墊塊飛出，嚴重時，鐵軛夾件、拉板、緊固鋼帶都會彎曲變形，繞組松弛后使其高度增加。

    2）中、低壓繞組的位置處于內柱或中間時，常受到軸向和輻向壓縮力的影響，使繞組端部緊固壓釘松動，墊塊位移；匝間墊塊位移，撐條傾斜，線餅在輻向上呈多邊形扭曲。若變形較輕，如35kv線餅外圓無變形，而內圓周有扭曲，在輻向上向內突出，在繞組內襯是軟紙筒時這種變形特別明顯。如果變壓器受短路沖擊時，繼電保護延時動作超過2s，變形更加嚴重，線餅會有較大面積的內凹、上翹現象。測量整個繞組時往往高度降低，如果變壓器繼續投運，變壓器箱體振動將明顯增大。

    3）繞組分接區、糾接區線餅變形。這是由于分接區和糾接區（一般在繞組首端）安匝不平衡，產生橫向漏磁場，使短路時線餅受到的電動力比正常區要大得多，所以易產生變形和損壞。特別是分接區線餅，受到有載分接開關造成的分接段短路故障時，繞組會變形成波浪狀，而影響絕緣和油道的通暢。

    4）繞組引線位移扭曲。這是變壓器出口短路故障后常發生的情況，由于受電動力的影響，破壞了繞組引線布置的絕緣距離。如引線離箱壁距離太近，會造成放電，引線間距離太近，因摩擦而使絕緣受損，會形成潛伏性故障，并可能發展成短路事故。

    （2）受機械力影響的變形。

    變壓器繞組整體位移變形。這種變形主要是在運輸途中，受到運輸車輛的急剎車或運輸船舶撞擊晃動所致。據有關報道，變壓器器身受到大于3g（g為重力加速度）重力加速的沖擊，將可能使線圈整體在輻向上向一個方向明顯位移。

    4．技術改進和降低短路事故的措施

    基于上述，為防止繞組變形，提高機械強度，降低短路事故率，些制造廠家和電力用戶提出并采取了如下技術改進措施及減少短路事故的措施。

 （1）技術改進措施。

　　1）電磁計算方面。在保證性能指標、溫升限值的前提下，綜合考慮短路時的動態過程。從保證繞組穩定性出發，合理選擇撐條數、導線寬厚比及導線許用應力的控制值，在進行安匝平衡排列時根據額定分接和各級限分接情況整體優化，盡量減小不平衡安匝。考慮到作用在內繞組上的軸向內力約為外繞組的兩倍，因此盡可能使作用在內繞組上的軸向外力方向與軸向力的方向相反。

    2）繞組結構方面。繞組是產生電動力又直接承受電動力的結構部件，要保證繞組在短路時的穩定性，就要針對其受力情況，使繞組在各個方向有牢固的支撐。具體做法如在內繞組內側設置硬絕緣筒，繞組外側設置外撐條，并保證外撐條可靠地壓在線段上。對單螺旋低壓繞組首末端均端平一匝以減少端部漏磁場畸變。對等效軸向電流大的低壓和調壓繞組，針對其相應的電動力，采取特殊措施固定繞組出頭，并在出頭位置和換位處采用適形的墊塊，以保證繞組穩定性。

    3）器身結構方面。器身絕緣是電動力傳遞的中介，要保證在電動力作用下，各方向均有牢固的支撐和減小相關部件受力時的壓強。在設計時采用整體相套裝結構，內繞組硬絕緣筒與鐵心柱間用撐板撐緊．以保證內繞組上承受的壓應力均勻傳遞到鐵心柱上；合理布置壓釘位置和選擇壓釘數量，并設計副壓板，以減小壓釘作用到絕緣壓板上的壓強和壓板的剪切應力。

    4）鐵心結構方面。軸向電動力zui終作用在鐵心框架結構上。如果鐵心固定框架出現局部結構失穩和變形，將導致繞組失穩而變形損壞。因此，設計鐵心各部分結構件時，強度要留有充分的裕度，各部件間盡量采用無間隙配合和互鎖結構，使變壓器器身成為—個堅固的整體。

    5）工藝控制和工藝手段。對一些關鍵工序，如墊塊預處理、繞組繞制、繞組壓裝、相套裝、器身裝配時預壓力控制等方面，進行嚴格的工藝控制，以保證設計要求。

    按上述措施構思設計生產的一臺31．5MVA、ll0kV雙繞組有載調壓電力變壓器，在國家變壓器質檢中心強電流試驗室一次通過短路試驗，試驗前后zui大的電抗差僅0．3％，取得了顯著的效果。

    （2）減少短路事故的措施。

    1）優化選型要求。選型應選用能順利通過短路試驗的變壓器并合理確定變壓器的容量，合理選擇變壓器的短路阻抗。

    2）優化運行條件。要提高電力線路的絕緣水平，特別是提高變壓器出線一定距離的絕緣水平，同時提高線路安全走廊和安全距離要求的標準，降低近區故障影響和危害，包括重視電纜的安裝檢修質量（因電纜頭爆炸大多相當于母線短路）；對重要變電站的中、低壓母線，考慮全封閉，以防小動物侵害；提高對開關質量的要求，防止發生拒分等。

    3）優化運行方式。確定運行方式要核算短路電流，并限制短路電流的危害。如采取裝備用電源自投裝置后開環運行，以減少短路時的電流和簡化保護配置；對故障率高的非重要出線，可考慮退出重合閘保護；提高速切保護性能，壓縮保護時間；220kV及以上電壓等級的變壓器盡量不直接帶l0kV的地區電力負荷等。

　　4）提高運行管理水平。首先要防止誤操作造成的短路沖擊；要加強變壓器的適時監測和檢修，及時發現變壓器的變形強度，保證變壓器的安全運行。