阳江核电厂1号主变B相C2H2含量突增问题的分析及处理

摘 要：阳江核电厂于2015年2月23日对1号主变进行油色谱分析，发现1号主变B相油中乙炔（C2H2）含量为1.23ppm，超过《DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程》中要求"运行中的500kV变压器乙炔含量1ppm的注意值"，且H2、C2H6、C2H4等伴随特征气体均有所增长。而在一周前 ，2015年2月15日，及2015年1月15日的月度油样中均未检出C2H2，且1号主变A、C相油样均未检出C2H2。1号主变B相C2H2含量的突然增长，引起高度关注，本文将对1号主变B相油中C2H2含量突增的问题的分析、查找、后续的评估、处理进行阐述。

关键词： 500kV主变，油色谱，C2H2，变压器铁芯，金属块异物，放电，铁芯片间短路，油处理

1.阳江核电厂1号主变简介

阳江核电厂1号主变设备型号为DFP-400000/500TH。具体参数：额定容量（单相）400000kVA；接线组别，YNdll （三相）I，iO （单相）；冷却方式，ODAF；一次绕组额定电压525/ kV；一次绕组额定电流，1319.7A；二次绕组额定电压，24kV；二次绕组额定电流，16666.7A。

主变出厂试验及到电厂后的交接试验均未发现异常，经过5次冲击试验于2012年12月送电投运，投运后一直运行稳定，投运前后油样及运行油样检测均无异常。

2.1号主变B相突增问题的查找、分析

阳江核电厂于2015年2月23日对1号主变进行油色谱分析，发现1号主变B相油中C2H2含量为1.23ppm，超过《DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程》中要求"运行中的500kV变压器乙炔含量1ppm的注意值"，且H2、C2H6、C2H4等伴随特征气体均有所增长，2015年2月24日再次对1号主变相取油样进行色谱分析，确认油中C2H2的存在且在增长，而在一周前2015年2月15日，及2015年1月15日的月度油样中均未检出C2H2（1号主变B相2015年1月25日-2015年2月24日的油样色谱检测结果如表1所示），1号主变A、C相油样均未检出C2H2。主变B相油温、绕组温度均未出现异常，未发生轻瓦斯报警。

出于设备安全考虑，2015年2月24日下午阳江核电厂申请紧急停运1号主变，并对阳江1号机主变B相（故障相）进行全面分析及检查。

1号主变停电后，首先对主变B相（故障相）进行高、低压绕组的直流电阻，铁芯、夹件绝缘电阻测量，试验结果合格，如表2所示，从试验结果分析，可排除铁芯多点接地或高低压绕组端接不良导致变压器内部放电或高温过热而引发主变油中C2H2突增；

经对阳江1号机主变B相油样数据和主变停电后的相关测量、试验数据进行了深入分析，并采用油样色谱的3比值法（三比值结果是002），初步判断认为油中产生C2H2应是内部有轻微放电或有局部高温过热点，可能原因有以下几点：

1）铁芯可能存在级间、或较大的片间短路；

2）内部引线、线圈抽头等部位可能有松动点，导致过热现象；

3）磁屏蔽、铜屏蔽等部位可能有接触不良；

为进一步确认故障原因，对1号主变B相进行了深入内检。对主变B相高压套管及其引线、低压套管及其引线、中性点套管及其引线、开关及其引线、铁芯压钉、铁芯拉带、铁芯磁屏蔽等部位进行了全方位检查，均未发现异常。最终在检查铁芯极间时，发现A铁芯柱上部第2-3级铁芯处有一金属块异物（尺寸约90*90*18mm）；结合变压器本体结构部件进行分析，确定该金属异物不是变压器本体的部件，经分析判断是变压器在厂内线圈器身整理装配过程中遗留的支撑千斤顶的金属垫块，其位置极为隐蔽，正常内检很难发现。与此金属块接触的铁轭有两点炭黑痕迹疑似放电点，如下图1所示：（说明：金属块本来是立于铁芯放电点旁边的，和铁芯放电点几乎挨在一起，具备将铁芯2、3级短路的放电、过热条件。该图为内检人员将金属块碰倒后的情况）。

由于空间狭小，用内窥镜和反光镜对放电或过热点进行了拍照观察，如图2、图3所示。发现第2级铁芯有1过热点（涉及3-4片铁芯硅钢片）。（说明：铁芯硅钢片的单片厚度为0.3mm，过热点的直径约1mm）

3.阳江主变铁芯结构、参数简介

内部接线图4所示。

3.1主变铁芯结构、参数简介

阳江主变为400000kVA/500kV发电机变压器，单相四柱式、两柱套线圈结构，高压线圈为两柱并联，低压线圈为双层螺旋式两柱并联。铁芯结构如图4所示，铁芯采用单相四柱式结构，全斜接缝，并采用高导磁、低损耗优质冷轧硅钢片叠积。铁心内设有油道，以提高其散热效果。

1）主变铁心硅钢片牌号30ZH110

2）硅钢片导磁截面

主柱截面：12057. 488cm2

旁柱和上铁轭：6601.432cm2

3）铁心磁通密度

主柱：B=1.689 （T）

旁柱和上铁轭：B=1.543 （T）

4.金属块与铁芯之间接触情况电场分析及放电分析

注：对于DFP-400000/500TH变压器的铁芯电/磁场、及温度场分析计算，均采用美国ANSYS公司的大型电磁场仿真软件包进行模拟分析计算。

图5是线圈与铁轭上端部之间等电位分布图形，图6是线圈与铁轭上端部之间电场强度分布云图（模拟电压依据金属块所处的位置，在主变高压侧中性点与主变低压绕组线圈端部之间，由于中性点直接接地，高压侧中性点端部电压按0V计算，模拟电场分布采用低压绕组线圈在出厂耐压试验额定短时感应或外施耐受最高电压值85kV值，主变正常运行中低压绕组电压低于该值）。

从电场模拟分布图分析，在金属块与铁芯之间不可靠接触情况下，金属块上感应电位取决于其本身处于电场中位置。计算假设条件是铁块与铁心之间有1mm油隙，在主变低压线圈外施85kV电压下，金属块感应电位为2.42kV，金属块与铁芯之间电场强度为4.2kV/mm，金属块与铁芯之间有足够的油隙距离情况下放电也不会发生。但是，若由于震动等因素使油隙变化形成虚连，造成金属铁块与铁芯片之间的放电是完全可能的。

根据上述电场计算结果，若在厂内试验及运行前期时金属块与铁芯之间的接触情况与后来运行时不同，即金属块在当时与铁芯未形成虚连，在厂内出厂试验和到电厂后的交接试验合格及不发生放电是完全可能的，同样在之前近2年的运行中油样未检测出C2H2也是如此。

综上，可基本判断，主变B相内部放电的发生是由于主变后来运行时金属块与铁芯之间虚连造成的，进而在主变油中产生C2H2气体。

5.主变铁芯硅钢片片间短路的发热计算与评估

5.1主变铁芯硅钢片片间短路的磁场计算结果与分析

对1号主变B相铁心上铁轭处的烧灼点进行了理论与仿真分析计算：

假设该处硅钢片由于清理不干净还存在着连接情况，对这种情况下的硅钢片间产生的电位差、片间短路电流进行了分析计算如下：

硅钢片间产生的电位差可以通过电磁感应定律式（1）求出

式（4）中B为进入硅钢片的磁感应强度（上铁轭铁芯磁感应强度：B≈1.543 T），S为磁感应强度进入硅钢片的面积（铁轭铁芯导磁有效截面积：S≈6601.432cm2）。按dB/dt经过以上方法进行仿真计算，主变铁芯上铁轭每两片硅钢片之间感应的电压差应小于7mV。

通过计算出的硅钢片的最大片间电压，对其进行片间短路电流进行仿真计算，仿真电路如下图7所示：

图8中C为片间电容（C≈21.7μF），R为短路电阻（R≈0.24Ω 测量估算值）。通过仿真计算出的片间短路电流应小于30mA。

5.2主变铁芯硅钢片温度场计算结果与分析

在硅钢片片间连接处短路电流计算的基础上，对其产生的涡流损耗进行了进一步的计算。把涡流场计算得到的涡流损耗作为温度场计算的激励加载到温度场中进行计算，得到硅钢片的温度分布以及硅钢片连接处的热点温升。

计算出的上铁轭温升分布图如下图9所示，硅钢片连接处的温度分布放大图如图8所示；

从以上温升分布计算结果可以看出，连接处引起的铁心温升较其未连接处高出的温度小于0.5K。

5.3分析结论

1）假设上铁轭的放电点的3-4片硅钢片已经清理干净，没有连接短路情况，主变可以继续投入运行。

2）假设硅钢片未处理干净片间存在连接，通过计算，得出了片间电位差小于7mV，片间短路电流小于30mA，不会影响主变的安全运行。

3）通过以上计算分析，硅钢片连接处的温升较其未连接处高出0.5K，在没有大的电压冲击时不会引起油的裂变、分解，即使有较大的过电压冲击，一般持续时间很短，可能会产生少量的CH4、C2H6等低温气体，因此不会影响主变的安全运行。

6.处理方案及结果

1）取出主变B相内部的金属块异物，对主变B相铁芯的放电点用百洁布沾无水酒精进行适度檫磨处理，尽量消除或减小铁芯片间短路；

2）对主变B相进行72小时热油循环，除去变压器油中的C2H2；（主变B相油处理后，变压器油各项指标合格，未见C2H2）

3）主变B相油处理合格后，增加耐压及局部放试验来验证，并通过主变空载试验验证理后的主变在空载试验油中不再产生乙炔；

4）1号主变送电后每天取油样做色谱分析，持续1周，无异常后恢复1、4、10、30天的油样分析取样频率。（油中各项气体指标均满足标准要求，未见C2H2.）

结论：

1号主变运行后的各项指标表明，当初的故障分析及处理方案是得当的。 阳江1号主变B相中的金属异物与主变铁芯间在主变运行期间的虚连是导致阳江1号主变B相产生C2H2的单一故障；取出金属异物，并对其对铁芯的微小放电点进行适当处理，对主变进行热油循环，消除C2H2，再通过长时局放试验及空载试验验证合格后，主变可保持长期安全运行。

1号主变B相内部遗留金属异物，其根本原因是变压器生产厂家对防异物管理失效所致。变压器生产厂家需提高设备生产的防异物管理水平，制定有效的防异物改进方案，尤其是对工具附件等小物件的管理，并加强变压器设备出厂前的全面性内检，在内检中，可以借助反光镜、内窥镜等工具，对变压器内部的隐蔽角落进行深入检查，避免异物存留。

参考文献

[1] DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程

[2] GB/T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则

[3] GB/T16274-96 500kV油浸式电力变压器技术参数和要求

[4] 油浸式电力变压器设计手册 沈阳变压器有限公司 1999.7