*章 變壓器故障

　　油浸電力變壓器的故障常被分為內(nèi)部故障和外部故障兩種。內(nèi)部故障為變壓器油箱內(nèi)發(fā)生的各種故障，其主要類(lèi)型有：各相繞組之間發(fā)生的相問(wèn)短路、繞組的線匝之間發(fā)生的匝問(wèn)短路、繞組或引出線通過(guò)外殼發(fā)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(fā)生的各種故障，其主要類(lèi)型有：絕緣套管閃絡(luò)或破碎而發(fā)生的接地<通過(guò)外殼）短路，引出線之間發(fā)生相問(wèn)故障等而引起變壓器內(nèi)部故障或繞組變形等。變壓器的內(nèi)部故障從性質(zhì)上一般又分為熱故障和電故障兩大類(lèi)。熱故障通常為變壓器內(nèi)部局部過(guò)熱、溫度升高。根據(jù)其嚴(yán)重程度，熱性故障常被分為輕度過(guò)熱（一般低于150℃）、低溫過(guò)熱（150—300℃）、中溫過(guò)熱（300～700℃）、高溫過(guò)熱（一般高于700℃）四種故障隋況。電故障通常指變壓器內(nèi)部在高電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下，造成絕緣性能下降或劣化的故障。根據(jù)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(lèi)型。

    由于變壓器故障涉及面較廣，具體類(lèi)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(jié)構(gòu)劃分，可分為繞組故障、鐵心故障、油質(zhì)故障和附件故障。同時(shí)習(xí)慣上對(duì)變壓器故障的類(lèi)型一般是根據(jù)常見(jiàn)的故障易發(fā)區(qū)位劃分，如絕緣故障、鐵心故障、分接開(kāi)關(guān)故障等。而對(duì)變壓器本身影響zui嚴(yán)重、目前發(fā)生機(jī)率zui高的又是變壓器出口短路故障，同時(shí)還存在變壓器滲漏故障、油流帶電故障、保護(hù)誤動(dòng)故障等等。所有這些不同類(lèi)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(guò)熱故障同時(shí)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(guī)范劃分變壓器故障的類(lèi)型，本書(shū)采用了比較普遍和常見(jiàn)的變壓器短路故障、放電故障、絕緣故障、鐵心故障、分接開(kāi)關(guān)故障、滲漏油氣故障、油流帶電故障、保護(hù)誤動(dòng)故障等八個(gè)方面，按各自故障的成因、影響、判斷方法及應(yīng)采取的相應(yīng)技術(shù)措施等，分別進(jìn)行描述。

*節(jié)  短路故障

    變壓器短路故障主要指變壓器出口短路，以及內(nèi)部引線或繞組間對(duì)地短路、及相與相之間發(fā)生的短路而導(dǎo)致的故障。

    變壓器正常運(yùn)行中由于受出口短路故障的影響，遭受損壞的情況較為嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，一些地區(qū)110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器遭受短路故障電流沖擊直接導(dǎo)致?lián)p壞的事故，約占全部事故的50％以上，與前幾年統(tǒng)計(jì)相比呈大幅度上升的趨勢(shì)。這類(lèi)故障的案例很多，特別是變壓器低壓出口短路時(shí)形成的故障一般要更換繞組，嚴(yán)重時(shí)可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴(yán)重的后果和損失，因此，尤應(yīng)引起足夠的重視。

    出口短路對(duì)變壓器的影響，主要包括以下兩個(gè)方面。

    1．短路電流引起絕緣過(guò)熱故障

    變壓器突發(fā)短路時(shí)，其高、低壓繞組可能同時(shí)通過(guò)為額定值數(shù)十倍的短路電流，它將產(chǎn)生很大的熱量，使變壓器嚴(yán)重發(fā)熱。當(dāng)變壓器承受短路電流的能力不夠，熱穩(wěn)定性差，會(huì)使變壓器絕緣材料嚴(yán)重受損，而形成變壓器擊穿及損毀事故。

    變壓器發(fā)生出口短路時(shí)，短路電流的值表達(dá)式為

                           （1-1）

式中  （n）——短路類(lèi)型的角標(biāo)；

   ——比例系數(shù)，其值與短路類(lèi)型有關(guān)；

——所求短路類(lèi)型的正序電流值。

    不同類(lèi)型短路的正序電流值表達(dá)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(lèi)型。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明，在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)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(shí)的短路電流值z(mì)ui大，國(guó)標(biāo)GBl094·5--85中就是以三相短路電流為依據(jù)的。

忽略系統(tǒng)阻抗對(duì)短路電流的影響，則三相短路表達(dá)式為

                        （1-3）

式中  ／5；’I三相短路電流；

    U－變壓器接人系統(tǒng)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?jǐn)?shù)。

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

    2．短路電動(dòng)力引起繞組變形故障

    變壓器受短路沖擊時(shí)，如果短路電流小，繼電保護(hù)正確動(dòng)作，繞組變形將是輕微的；如果短路電流大，繼電保護(hù)延時(shí)動(dòng)作甚至拒動(dòng)，變形將會(huì)很?chē)?yán)重，甚至造成繞組損壞。對(duì)于輕微的變形，如果不及時(shí)檢修，恢復(fù)墊塊位置，緊固繞組的壓釘及鐵軛的拉板、拉桿，加強(qiáng)引線的夾緊力，在多次短路沖擊后，由于累積效應(yīng)也會(huì)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(xiàng)重要措施。

    繞組受力狀態(tài)如圖1—1、圖1—2所示。由于繞組中漏磁中。的存在，載流導(dǎo)線在漏磁作用下受到電動(dòng)力的作用，特別是在繞組突然短路時(shí)，電動(dòng)力zui嚴(yán)重。漏磁通常可分解為縱軸分量月和橫軸分量月，。縱軸磁場(chǎng)月使繞組產(chǎn)生輻向力，而橫軸磁場(chǎng)月·使繞組受軸向力。軸向力使整個(gè)繞組受到張力P₁，在導(dǎo)線中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。而內(nèi)繞組受到壓縮力P₂，導(dǎo)線受到擠壓應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)體作用而產(chǎn)生。它使內(nèi)、外繞組都受壓力：由于繞組端部磁場(chǎng)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(nèi)外安匝不平衡所產(chǎn)生的輻向漏磁與載流導(dǎo)體作用而產(chǎn)生，該力使內(nèi)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(shí)，將承受很大的軸向和輻向電動(dòng)力。軸向電動(dòng)力使繞組向中間壓縮，這種由電動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，可能影響繞組匝間絕緣，對(duì)繞組的匝間絕緣造成損傷；而輻向電動(dòng)力使繞組向外擴(kuò)張，可能失去穩(wěn)定性，造成相間絕緣損壞。電動(dòng)力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)可能造成繞組扭曲變形或?qū)Ь€斷裂。

    對(duì)于由變壓器出口短路電動(dòng)力造成的影響，判斷主變壓器繞組是否變形，過(guò)去只采取吊罩檢查的方法，目前一些單位采用繞組變形測(cè)試儀進(jìn)行分析判斷，取得了一些現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，如有些地區(qū)選用TDT—1型變壓器繞組變形測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢查，通過(guò)對(duì)主變壓器的高、中、低壓三相的九個(gè)繞組分別施加l0kHz至lkHz高頻脈沖，由計(jì)算機(jī)記錄脈沖波形曲線并儲(chǔ)存。通過(guò)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(duì)比和分析，試驗(yàn)人員根據(jù)該儀器*的頻率和波形，能比較科學(xué)地準(zhǔn)確判斷主變壓器繞組變形情況。

    對(duì)于變壓器的熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定，在給定的條件下，仍以設(shè)計(jì)計(jì)算值為檢驗(yàn)的依據(jù)，但計(jì)算值與實(shí)際值究竟有*，尚缺少研究與分析，一般情況下是以設(shè)計(jì)值大于變壓器實(shí)際承受能力為準(zhǔn)的。目前逐步開(kāi)展的變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)，將為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、工藝水平提供重要的依據(jù)。變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，所承受的短路電流zui大，而低壓繞組的結(jié)構(gòu)一般采用圓筒式或螺旋式多股導(dǎo)線并繞，為了提高繞組的動(dòng)穩(wěn)定能力，繞組內(nèi)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(duì)于其動(dòng)穩(wěn)定，則只要計(jì)算值能夠滿(mǎn)足要求，便將支撐取消，于是當(dāng)變壓器遭受出口短路時(shí)，由于動(dòng)穩(wěn)定能力不足，而使繞組變形甚至損壞。

    3．繞組變形的特點(diǎn)

    通過(guò)檢查發(fā)生故障或事故的變壓器進(jìn)行和事后分析，發(fā)現(xiàn)電力變壓器繞組變形是誘發(fā)多種故障和事故的直接原因。一旦變壓器繞組已嚴(yán)重變形而未被診斷出來(lái)仍繼續(xù)運(yùn)行，則極有可能導(dǎo)致事故的發(fā)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(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)械沖擊能力差。因此變壓器繞組變形主要是受到內(nèi)部電動(dòng)力和外部機(jī)械力的影響，而電動(dòng)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(chǎn)生的電動(dòng)力將使繞組扭曲、變形甚至崩潰。

    （1）受電動(dòng)力影響的變形。

    1）高壓繞組處于外層，受軸向拉伸應(yīng)力和輻向擴(kuò)張應(yīng)力，使繞組端部壓釘松動(dòng)、墊塊飛出，嚴(yán)重時(shí)，鐵軛夾件、拉板、緊固鋼帶都會(huì)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(nèi)柱或中間時(shí)，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(dòng)，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(wú)變形，而內(nèi)圓周有扭曲，在輻向上向內(nèi)突出，在繞組內(nèi)襯是軟紙筒時(shí)這種變形特別明顯。如果變壓器受短路沖擊時(shí)，繼電保護(hù)延時(shí)動(dòng)作超過(guò)2s，變形更加嚴(yán)重，線餅會(huì)有較大面積的內(nèi)凹、上翹現(xiàn)象。測(cè)量整個(gè)繞組時(shí)往往高度降低，如果變壓器繼續(xù)投運(yùn)，變壓器箱體振動(dòng)將明顯增大。

    3）繞組分接區(qū)、糾接區(qū)線餅變形。這是由于分接區(qū)和糾接區(qū)（一般在繞組首端）安匝不平衡，產(chǎn)生橫向漏磁場(chǎng)，使短路時(shí)線餅受到的電動(dòng)力比正常區(qū)要大得多，所以易產(chǎn)生變形和損壞。特別是分接區(qū)線餅，受到有載分接開(kāi)關(guān)造成的分接段短路故障時(shí)，繞組會(huì)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(fā)生的情況，由于受電動(dòng)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(huì)造成放電，引線間距離太近，因摩擦而使絕緣受損，會(huì)形成潛伏性故障，并可能發(fā)展成短路事故。

    （2）受機(jī)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(yùn)輸途中，受到運(yùn)輸車(chē)輛的急剎車(chē)或運(yùn)輸船舶撞擊晃動(dòng)所致。據(jù)有關(guān)報(bào)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(gè)方向明顯位移。

    4．技術(shù)改進(jìn)和降低短路事故的措施

    基于上述，為防止繞組變形，提高機(jī)械強(qiáng)度，降低短路事故率，些制造廠家和電力用戶(hù)提出并采取了如下技術(shù)改進(jìn)措施及減少短路事故的措施。

 （1）技術(shù)改進(jìn)措施。

　　1）電磁計(jì)算方面。在保證性能指標(biāo)、溫升限值的前提下，綜合考慮短路時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從保證繞組穩(wěn)定性出發(fā)，合理選擇撐條數(shù)、導(dǎo)線寬厚比及導(dǎo)線許用應(yīng)力的控制值，在進(jìn)行安匝平衡排列時(shí)根據(jù)額定分接和各級(jí)限分接情況整體優(yōu)化，盡量減小不平衡安匝。考慮到作用在內(nèi)繞組上的軸向內(nèi)力約為外繞組的兩倍，因此盡可能使作用在內(nèi)繞組上的軸向外力方向與軸向力的方向相反。

    2）繞組結(jié)構(gòu)方面。繞組是產(chǎn)生電動(dòng)力又直接承受電動(dòng)力的結(jié)構(gòu)部件，要保證繞組在短路時(shí)的穩(wěn)定性，就要針對(duì)其受力情況，使繞組在各個(gè)方向有牢固的支撐。具體做法如在內(nèi)繞組內(nèi)側(cè)設(shè)置硬絕緣筒，繞組外側(cè)設(shè)置外撐條，并保證外撐條可靠地壓在線段上。對(duì)單螺旋低壓繞組首末端均端平一匝以減少端部漏磁場(chǎng)畸變。對(duì)等效軸向電流大的低壓和調(diào)壓繞組，針對(duì)其相應(yīng)的電動(dòng)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(wěn)定性。

    3）器身結(jié)構(gòu)方面。器身絕緣是電動(dòng)力傳遞的中介，要保證在電動(dòng)力作用下，各方向均有牢固的支撐和減小相關(guān)部件受力時(shí)的壓強(qiáng)。在設(shè)計(jì)時(shí)采用整體相套裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)繞組硬絕緣筒與鐵心柱間用撐板撐緊．以保證內(nèi)繞組上承受的壓應(yīng)力均勻傳遞到鐵心柱上；合理布置壓釘位置和選擇壓釘數(shù)量，并設(shè)計(jì)副壓板，以減小壓釘作用到絕緣壓板上的壓強(qiáng)和壓板的剪切應(yīng)力。

    4）鐵心結(jié)構(gòu)方面。軸向電動(dòng)力zui終作用在鐵心框架結(jié)構(gòu)上。如果鐵心固定框架出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和變形，將導(dǎo)致繞組失穩(wěn)而變形損壞。因此，設(shè)計(jì)鐵心各部分結(jié)構(gòu)件時(shí)，強(qiáng)度要留有充分的裕度，各部件間盡量采用無(wú)間隙配合和互鎖結(jié)構(gòu)，使變壓器器身成為—個(gè)堅(jiān)固的整體。

    5）工藝控制和工藝手段。對(duì)一些關(guān)鍵工序，如墊塊預(yù)處理、繞組繞制、繞組壓裝、相套裝、器身裝配時(shí)預(yù)壓力控制等方面，進(jìn)行嚴(yán)格的工藝控制，以保證設(shè)計(jì)要求。

    按上述措施構(gòu)思設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一臺(tái)31．5MVA、ll0kV雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器，在國(guó)家變壓器質(zhì)檢中心強(qiáng)電流試驗(yàn)室一次通過(guò)短路試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yōu)化選型要求。選型應(yīng)選用能順利通過(guò)短路試驗(yàn)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(yōu)化運(yùn)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(shí)提高線路安全走廊和安全距離要求的標(biāo)準(zhǔn)，降低近區(qū)故障影響和危害，包括重視電纜的安裝檢修質(zhì)量（因電纜頭爆炸大多相當(dāng)于母線短路）；對(duì)重要變電站的中、低壓母線，考慮全封閉，以防小動(dòng)物侵害；提高對(duì)開(kāi)關(guān)質(zhì)量的要求，防止發(fā)生拒分等。

    3）優(yōu)化運(yùn)行方式。確定運(yùn)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(kāi)環(huán)運(yùn)行，以減少短路時(shí)的電流和簡(jiǎn)化保護(hù)配置；對(duì)故障率高的非重要出線，可考慮退出重合閘保護(hù)；提高速切保護(hù)性能，壓縮保護(hù)時(shí)間；220kV及以上電壓等級(jí)的變壓器盡量不直接帶l0kV的地區(qū)電力負(fù)荷等。

　　4）提高運(yùn)行管理水平。首先要防止誤操作造成的短路沖擊；要加強(qiáng)變壓器的適時(shí)監(jiān)測(cè)和檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的變形強(qiáng)度，保證變壓器的安全運(yùn)行。