用户110KV变压器动稳定破坏事故分析及反事故措施

摘 要： 本文对变压器绕组变形故障案例进行了介绍，分析了在电动力作用下压环损坏以致造成变压器短路故障的原因，并提出预防变压器故障的技术措施。

关键词： 变压器； 短路故障； 反事故措施

中图分类号： TM407 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）08-0067-02

引言

变压器在运行过程中，不可避免的发生出口或近区短路故障，在短路电动力的作用下，变压器绕组在受力后将发生轴向或幅向的尺寸变化、器身位移、线圈扭曲等绕组变形现象。变压器绕组变形造成变压器的故障占了较大的比例，究其原因主要是制造厂在材质选用、结构设计中对电动力分析不足、措施不力造成的。同时在运输、吊装过程中发生意外碰撞造成绕组变形，变压器在运行过程中不可避免地遭受外部短路电流的冲击造成绕组发生局部变形，在多次冲击下，由于绝缘的累积效应会进一步促使绕组变形或绝缘状态更加劣化，当遭受故障短路电流冲击时，即使很小的故障短路电流，变压器因承受不住巨大的电动力而损坏。

一、故障经过

2012年3月8日，110KV用户变电站502、504、565出线开关因线路故障相继动作掉闸，在恢复开关送电过程中，由于565开关重合故障线路，565开关速断保护动作掉闸，与此同时2#主变重瓦斯保护动作，162开关动作掉闸，10KV母线失压。

二、变压器设计参数（技术协议书）

变压器型号：FZ10-16000/110 额定电压：110±8×1.5%/10.5KV

接线组别：Y/-11 出厂时间：2009年

有载调压开关：德国MR 变压器中性点额定电压：66KV

阻抗电压：高对低10.5%

系统短路表观容量：110KV绕组8000MVA、10KV绕组600MVA

评价：技术协议书标准要求较高

三、变电站母线实际短路容量

变电站母线短路容量：高压侧母线短路容量923MVA，低压侧母线短路容量164MVA。

评价：变电站母线实际短路容量小于设计短路容量。

四、故障后测试检查

（一）变压器故障测试

1.对主变本体油色谱数据故障前后比较，其色谱数据变化较大，故障后本体油内氢气、乙炔、总烃含量均超过规程注意值，根据三比值法判断为高能量放电性故障。具体数据见表1。

2.对变压器高低压绕组遥测绝缘电阻时发现：高压绕组绝缘电阻7000MΩ，低压绕组绝缘电阻0MΩ。

（二）返厂解体检查

1.10KVb相绕组冲垮，上部1-5饼、下部1-3饼严重变形，绝缘损坏，且b相绕组上部4饼至5饼间因绝缘损坏形成饼间短路，以致导线烧断。见图1、图2。

2.b相绕组压环一处断裂，且压环严重变形。见图3、图4。

3.a、c相绕组存在轻微变形。

4.检查时发现低压绕组硬纸筒绝缘无损伤放电情况，10KV绕组接地是由于故障时金属沫搭接接地造成的。

五、变压器故障分析

（一）变压器结构特点及故障情况下铁心绕组受力情况

1.变压器结构

该变压器为双绕组降压变压器，其绕组排列方式为变压器低压绕组在靠近铁心侧，高压绕组在低压绕组外部排列。

2.双绕组变压器故障情况下绕组受力特点

双绕组变压器具有抗短路能力差的特点，在正常运行状态下，当变压器遭受近区或出口短路电流冲击时，高低压绕组受电动力作用产生变形位移，其高低压绕组受力情况见图5所示：

3.变压器绕组铜导线受力特点

变压器绕组铜线抗拉强度较强，但变压器绕组铜线抗弯强度较差，在冲击电流作用下易失去稳定发生弯曲，促使低压绕组变形。

（二）变压器故障原因

变压器在运行过程中不可避免地遭受外部短路电流的冲击。变压器动稳定取决于系统短路容量的大小及变压器结构设计。当低压线圈在冲击电流形成的电动力作用下，低压绕组受辐向力作用向铁心方向位移，轴向力沿着铁芯轴线方向位移，当电动力大于低压绕组动稳定设计时，绕组稳定性破坏致使绕组变形位移。尤其是变压器遭受多次冲击短路后，在电动力作用下造成低压绕组向内变形位移和上下窜动冲击，造成饼间、匝间绝缘磨损，绕组机械性能下降，抗短路能力进一步降低。由于累积效应，即使数值不大的电动力也会造成绕组严重变形，甚至造成变压器损坏事故。

1.变压器绕组上压环（层压木板一次压制成型），在故障时在轴向力作用下发生严重变形、位移、断裂，造成绕组失稳位移变形形成变压器绕组短路故障。可以看出上压环抗轴向冲击力较差，成为变压器结构设计的薄弱环节，见图3。

2.正常情况下，上压环在压钉紧固下具有压紧绕组，起防止绕组变形和位移作用。从上压环变形情况看，压钉存在松动、变压器绕组压紧不牢，上压环受力面不均匀等缺陷，上压环在轴向力作用下形成喇叭状，是变压器出口频繁区外故障对10KV绕组变形位移冲击造成的后果，见图4。

3.根据系统短路容量计算，故障时变电站10KV侧母线短路容量为164MVA，远远小于变压器低压绕组应承受视在短路容量600MVA的要求，变压器在承受27%的系统视在短路容量情况下造成损坏。

4.上压环损坏原因分析

（1）上压环的固定模式

上压环为同心圆结构，每个绕组在铁芯两侧各由4个压钉压紧固定，以保证压力分布均匀。根据压钉的分布情况，可以确定上压环承压的薄弱部位在铁轭的下部。由于上压环与铁轭的间隙较小，不可能对上压环进行压紧固定。从图中看出上压环平面与铁轭距离约为3CM左右，具有一定间隙距离。见图7、图8。

（2）绕组上压环的结构情况

从图6中看出与铁轭对应的上压环上有切割的槽，分析是在绕组安装时考虑铁轭硅钢片插入深度不足而预留的位置。

（3）上压环的受力情况

在故障情况下B相上压环受到向上的冲击力，上压环的切割槽的端部对铁轭的冲击造成铁芯边角损伤。其位移距离较大。

（4）上压环的受力分析

故障情况下铁轭对应的上压环受向上冲击力，这个位置由于没有压钉的支撑，最易发生弯曲变形，尤其是上压环开槽后机械强度破坏，使其抗弯曲能力变的更差，其变形位移更大。对于压钉为刚性压接，其压紧部位不存在变形。但是上压环下部对绕组为柔性压接，对绕组存在一定的压缩系数。因此，当铁轭对应的上压环受向上冲击力时，上压环内圈向上位移，压钉部位必然要受到反作用力，致使上压环外圈受力向下位移，当弯曲力大于机械强度时造成上压环断裂见图9、图10。

图中表示为上压环受到向下的力，表示为上压环受到向上的力，表示为上压环断裂部位， 表示为上压环8个压钉固定位置。

结论

在铁轭对应的上压环的部位是抗冲击的薄弱环节，制造时采用带有切割槽的上压环将使压环机械强度降低，其压环在电动力冲击下发生严重变形、位移、断裂，是造成绕组失稳、位移、变形的主要原因，由于累积效应致使变压器绕组绝缘在小故障电流冲击下逐步损坏，最终形成变压器突发性短路故障。

变压器发生出口或近区短路故障后，应开展低电压电抗测试及变压器油中溶解气体分析，并结合电气特性试验及短路情况进行综合分析，以判断变压器绕组是否存在变形情况。

加强设备的安全环境治理是十分必要的，例如在继电保护动作及时间配合方面，动作时间必须满足小于2S的要求。在减少出线开关跳闸率方面，必须加强配电设备及配电线路的安全治理，淘汰老旧设备，提高设备整体安全运行水平。