巨建成,范 林,孫曉瑩,魏 譚,李 慶

(河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司,石家莊 050400)

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一起大負(fù)荷電機(jī)短路導(dǎo)致變壓器繞組變形的案例分析

巨建成,范 林,孫曉瑩,魏 譚,李 慶

(河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司,石家莊 050400)

通過一起高壓大容量電機(jī)短路事故,分析短路電流對(duì)發(fā)電廠高壓廠用電變壓器造成的損壞。同時(shí),運(yùn)用變壓器油色譜分析、直阻測(cè)量、頻率響應(yīng)法繞組變形試驗(yàn)來推斷變壓器的故障類型和受損程度,將其與吊罩檢查結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)實(shí)與試驗(yàn)推斷存在著差異。由此,提出應(yīng)結(jié)合多種試驗(yàn)方法和參考變壓器運(yùn)行經(jīng)歷,才能準(zhǔn)確推斷近區(qū)短路事故對(duì)變壓器造成的影響。

近區(qū)短路;變壓器;繞組變形;頻率響應(yīng)法

1 設(shè)備簡(jiǎn)介及故障現(xiàn)象

某電廠4號(hào)三相高廠變,型號(hào)SFF—31 500/20,冷卻方式為自然風(fēng)冷,1997年投入運(yùn)行,具體參數(shù)如表1所示。

表1 4號(hào)高廠變參數(shù)

1.1 事故經(jīng)過

2014年12月2日,該電廠4B循環(huán)水泵(額定電壓6 kV,功率200 kW)運(yùn)行中掉閘,后又經(jīng)強(qiáng)合一次再次掉閘。檢修人員發(fā)現(xiàn)4B循環(huán)水泵電機(jī)冷油器水管破裂,油水混合液溢到電機(jī)定子繞組上,造成電機(jī)絕緣擊穿、BC兩相短路和差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,兩次短路電流分別為17 880、16 560 A,持續(xù)時(shí)間分別為98、70 ms。

1.2 變壓器油色譜分析

事故發(fā)生后,對(duì)4B循環(huán)水泵斷路器、6 kV母線、變壓器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)6 kV母線電壓發(fā)生輕微波動(dòng),4號(hào)高廠變變壓器油色譜分析異常,檢查數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》,220 kV及以下的變壓器總烴、乙炔、氫氣含量注意值分別為150、5、150 μL/L。而此次4號(hào)高廠變變壓器油中乙炔含量高過注意值111%。

表2 4號(hào)高廠變變壓器油色譜分析

其他氣體含量雖然均在注意值以內(nèi),但對(duì)比歷史數(shù)據(jù),可以觀察出4號(hào)高廠變變壓器油中的氫氣、總烴出現(xiàn)異常增長(zhǎng),一氧化碳、二氧化碳含量增幅在合理范圍內(nèi)。

計(jì)算2014年4月29日至12月4日變壓器油中總烴和氫氣的絕對(duì)增長(zhǎng)速率。根據(jù)公式

計(jì)算可得總烴、氫氣、乙炔的絕對(duì)產(chǎn)氣速率分別為

γ總烴=5.446 mL/d

γ氫氣=7.742 mL/d

γ乙炔=0.646 mL/d式中:γn為絕對(duì)產(chǎn)氣速率, mL/d;Ci,2為第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度,μL/L;Ci,1為第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度,μL/L;Δt為兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間,d;m為設(shè)備總油量,t;ρ為油的密度,t/m3。

根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》,變壓器油中的總烴、氫氣和乙炔的絕對(duì)產(chǎn)氣速率注意值分別為6、5、0.1 mL/d,計(jì)算結(jié)果表明高廠變中氫氣、乙炔絕對(duì)產(chǎn)氣速率均超過了注意值,而總烴也接近注意值。這說明此次短路事故對(duì)4號(hào)高廠變內(nèi)部造成了損傷。

依據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》,變壓器油中甲烷、乙烷一般生成于變壓器油低能量故障,如局部的放電,而乙烯多是在高于甲烷、乙烷的溫度(500 ℃左右)下生成,乙炔則需要更高的反應(yīng)溫度,如800～1200℃之間生成,當(dāng)變壓器油中發(fā)生劇烈

拉弧放電故障時(shí),會(huì)生成大量乙炔。CO、CO2取決于變壓器中固體絕緣物質(zhì)的分解,氫氣則是變壓器油中受潮或水分的分解。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),采用三比值法對(duì)電抗器故障進(jìn)行分析。計(jì)算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值分別為0.22、0.206、1.261,故障類型編碼為101,經(jīng)驗(yàn)故障為電弧放電。這說明變壓器內(nèi)部絕緣薄弱處在短路電流作用下發(fā)生拉弧放電,變壓器油受熱分解,產(chǎn)生了乙炔等其他烴類氣體。

1.3 高壓常規(guī)試驗(yàn)

4號(hào)高廠變高壓常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可以發(fā)現(xiàn),絕緣電阻及吸收比、繞組直流電阻等各項(xiàng)數(shù)值均符合DLT 596-2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求。但與歷史數(shù)據(jù)相比較,發(fā)現(xiàn)此次4號(hào)高廠變低壓側(cè)B分支三相測(cè)量數(shù)據(jù)變化較大:三相直流電阻及相互差均上升,相互差由0.4%變化為0.55%,Cx由11 430 pF變化為13 920 pF,變化率為21.78%。高壓繞組與低壓A分支在上述項(xiàng)變化較小,在tgδ方面三者數(shù)據(jù)均呈增加趨勢(shì);在泄漏電流方面三者增幅均在16倍以上。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,可以判斷此次短路事故對(duì)變壓器低壓側(cè)B分支繞組影響最大,Cx較大變化說明B分支繞組存在較大變形,高壓繞組以及低壓A分支受影響較小,可能存在較小變形。

1.4 變形試驗(yàn)

變形試驗(yàn)一般分為阻抗法和頻率響應(yīng)法。阻抗法即常規(guī)測(cè)量變壓器變比、阻抗及感抗來檢測(cè)線

表3 高壓常規(guī)試驗(yàn)

圈的變形,這一方法缺點(diǎn)是測(cè)量靈敏度較低,只有線圈嚴(yán)重變形時(shí)才能在測(cè)量數(shù)據(jù)上凸顯出來[1]。根據(jù)對(duì)變壓器常規(guī)高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及變壓器油色譜分析結(jié)果,初步判斷短路電流造成4號(hào)高廠變內(nèi)部發(fā)生短時(shí)過熱故障,變壓器低壓側(cè)B分支繞組可能存在變形[2]。因此,結(jié)合前面試驗(yàn)分析,對(duì)4號(hào)高廠變采用了頻率響應(yīng)法實(shí)施了變形試驗(yàn)。頻率響應(yīng)分析法試驗(yàn)接線如圖1所示。

P—頻率響應(yīng)分析儀;K—50 Ω同軸電纜;Z—匹配阻抗

觀察頻響法測(cè)試結(jié)果,對(duì)于高壓繞組,試驗(yàn)頻率在0.5 MHz以下時(shí),波形趨勢(shì)、波動(dòng)幅度均呈現(xiàn)高度一致性,A、B、C三相之間相關(guān)系數(shù)分別為1.05、1.07、1.04;試驗(yàn)頻率在0.5～1 MHz時(shí),三相響應(yīng)波形趨勢(shì)相近,波動(dòng)振幅有輕度區(qū)別,相關(guān)系數(shù)均在1.07～1.19?？傮w觀察,高壓側(cè)三相響應(yīng)波形一致性較好。

觀察低壓繞組A分支,試驗(yàn)頻率在0.25 MHz附近時(shí),AB曲線與其他兩相波形與振幅差異較大,AB與BC相關(guān)系數(shù)為1.03,但AC與其AB、BC相關(guān)系數(shù)為0.81、0.78。

在0.25～0.5 MHz頻段,三相波形和振幅較為一致;在0.5～0.8 MHz頻段,波形的趨勢(shì)相近,振幅差距在10 dB以下,三者相關(guān)系數(shù)也接近1?？傮w觀察A分支波形一致性較好。

針對(duì)B分支,試驗(yàn)頻率在0.25 MHz以下,三相頻率響應(yīng)曲線一致性較好;試驗(yàn)頻率在0.25～0.75 MHz頻段時(shí),AB曲線與其他兩相波形與振幅差異較大,BC與CA相關(guān)系數(shù)接為1.07,但AB與其BC、CA相關(guān)系數(shù)為1.27、1.32;振幅差異在15 dB以上時(shí),波形的趨勢(shì)相近;在0.75 MHz至1 MHz頻段時(shí),三相波形又回歸一致,振幅差距較小?？傮w觀察B分支波形一致性較差。

變壓器繞組頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

通過分析波形圖2可以推斷,4號(hào)高廠變高壓側(cè)繞組波形一致性較好,應(yīng)該不存在繞組變形。低壓繞組B分支AB相一致性較差,無論是波形趨勢(shì)還是波形振幅都存在較大差異,結(jié)合短路事故發(fā)生在AB相,判斷B分支A、B相繞組發(fā)生變形,低壓A分支各相繞組可能存在輕度變形。

圖2 變壓器繞組頻率響應(yīng)曲線

2 吊罩檢查

2014年12月22日,對(duì)4號(hào)高廠變進(jìn)行吊罩檢修。檢查整體器身外觀,發(fā)現(xiàn)B相線圈有輕微變形傾斜,且目測(cè)觀察AB相線圈相間距小于BC相線圈的相間距。吊出器身并入位后,鐵軛未發(fā)現(xiàn)異常,斷開鐵心與夾件連接片,測(cè)量鐵心對(duì)夾件絕緣電阻為500 MΩ。

產(chǎn)品斷線、拆鐵后,上部鐵壓板與端圈無異常。取下端圈后,檢查線圈發(fā)現(xiàn)三相線圈均有不同程度轉(zhuǎn)動(dòng),其中,A相高壓與外低壓線圈相對(duì)內(nèi)低壓線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大位移為20 mm;B相外低壓線圈相對(duì)高壓與內(nèi)低壓線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大位移為30 mm;C相高壓與外低壓線圈相對(duì)內(nèi)低壓線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大位移為10 mm。由于線圈的相對(duì)移位,導(dǎo)致繞組多處絕緣墊塊錯(cuò)位,絕緣紙崩裂。

接著對(duì)線圈進(jìn)行散拔,測(cè)量每個(gè)線圈垂直度，發(fā)現(xiàn)以下問題(以上端為基準(zhǔn)):

1) A相內(nèi)低壓線圈下部順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大處位移18 mm。

2) B相外低壓線圈下部逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大處位移35 mm。

3) C相高壓線圈下部逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大位移10 mm。

4) C相外低壓線圈下部順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最大位移10 mm。

可見,以上7個(gè)線圈均出現(xiàn)了不同程度變形,其他線圈未見明顯變形,檢查線圈出頭,發(fā)現(xiàn)B相外低壓線圈上部出頭電磁線匝絕緣碳化,其他處未發(fā)現(xiàn)放電痕跡。

3 分 析

變壓器吊罩檢查結(jié)果與試驗(yàn)判斷結(jié)果有一定的差異。

B相外低壓線圈上部出頭電磁線匝絕緣碳化,符合針對(duì)乙炔生成的判斷:繞組絕緣薄弱點(diǎn)或鐵芯尖端處發(fā)生短時(shí)放電拉弧,變壓器油受熱分解產(chǎn)生乙炔。低壓繞組B分支變形程度較大,其中B相整體傾斜,墊塊移位、絕緣紙破裂現(xiàn)象嚴(yán)重,這符合先前B相受破壞程度較大的判斷。在短路電流作用下變壓器繞組受到與變壓器鐵芯垂直的輻向電磁力和平行于鐵芯的軸向電磁力,觀察到在徑向上高壓繞組伸長(zhǎng),低壓繞組收縮,在軸向上高壓繞組斜向上拉伸,這些都符合發(fā)生變壓器繞組變形事故的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象。但變壓器9個(gè)繞組中7個(gè)發(fā)生變形,同時(shí)高壓繞組的變形程度大于預(yù)測(cè)。原因是在進(jìn)行變形試驗(yàn)時(shí),沒有對(duì)比歷史波形,只是三相之間互相比較,造成了判斷誤差。另一方面該變壓器在2010年經(jīng)歷一次短路沖擊,當(dāng)時(shí)變壓器油色譜分析正常,并未對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩檢查?？紤]到繞組的

變形具有積累效應(yīng)[3],因此,確認(rèn)此次繞組的變形為這兩次短路電流沖擊的結(jié)果。

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)本次變壓器繞組變形事故的試驗(yàn)分析與吊罩驗(yàn)證,得出近區(qū)短路是變壓器繞組變形的重要誘因。

2) 變壓器油色譜分析技術(shù)、高壓常規(guī)試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確、全面反映變壓器內(nèi)部狀態(tài),在運(yùn)用頻響法變形試驗(yàn)等手段來診斷變壓器繞組時(shí),應(yīng)與歷史曲線進(jìn)行對(duì)比,才能準(zhǔn)確判斷變壓器繞組變形情況。

3) 對(duì)于遭受過短路沖擊的變壓器,應(yīng)做好跟蹤統(tǒng)計(jì)工作,確保設(shè)備狀態(tài)的可靠可控,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)高壓電機(jī)操作人員的技術(shù)水準(zhǔn),在未確定電機(jī)故障原因的情況下切勿盲目重合閘,否則會(huì)導(dǎo)致變壓器遭受短路電流二次沖擊。

[1] 鄒國(guó)平,何文林,董雪松,等.一起變壓器近區(qū)短路沖擊的診斷與分析[J].高壓電器,2013,49(12):95-98.

ZOU Guoqing, HE Wenlin, DONG Xuesong, et al. Diagnosis and analysis of nearby short-circuit impact on transformer [J]. High Voltage Apparatus, 2013,49(12):95-98.

[2] 胡海寧,周立行,李季高,等.近區(qū)短路對(duì)變壓器的影響及診斷方法[J].變壓器, 2013,50(11):73-76.

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MU Yongbao. Diagnosis and reasons analysis of winding deformation defects in 220 kV transformer [J]. Transformer, 2014,51(11):62-65.

(責(zé)任編輯 侯世春)

Case analysis of high capacity motor’s short circuit caused by transformer’s winding deformation

JU Jiancheng, FAN Lin, SUN Xiaoying, WEI Tan, LI Qing

(Hebei Xibaipo Power Generation Co. Ltd., Shijiazhuang 050400, China)

On the basis of the high-voltage large-capacity motor short circuit accident, this paper analyzed the damage of short circuit to high voltage transformers in power plants, and used the chromatographic analysis, dc resistance measurement and frequency response analysis to judge the transformer’s winding deformation. Through the comparison of the result of the method mentioned above and that of hanging checking, it was discovered that there was difference between fault reality and testing judgment. It proposed that, therefore, the combination of diverse testing methods and transformer operation experience should be taken to accurately judge the influence of close-in short circuit accident on transformers.

close-in short circuit; power transformer; winding deformed; frequency response analysis

2015-08-14。

巨建成(1986—),男,高級(jí)工程師,從事發(fā)電廠電氣一次設(shè)備檢修、運(yùn)行、維護(hù)工作。

TM407

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2095-6843(2016)01-0081-04