一起 500kV电力变压器雷电冲击试验击穿故障分析

一起 500kV电力变压器雷电冲击试验击穿故障分析
发表时间：2019-11-15T09:12:45.267Z 来源：《中国电业》2019年14期作者：刘枝
[导读] 电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其运行状况直接影响着供电的安全性、可靠性。

摘要：电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其运行状况直接影响着供电的安全性、可靠性。

在运行过程中，变压器不仅需要承受长期工作电压，还会遇到雷电过电压、操作过电压、工频过电压等情况，其绝缘强度会不断受到考验，近年来已发生数起500kV电力变压器绝缘故障，造成了重大的损失。

究其原因，一个重要的方面是制造过程遗留的微小缺陷未能在出厂前及时发现，经过长时间运行后引起变压器内部局部放电，最终导致内部绝缘破坏等严重故障的发生。

本文以一起500kV电力变压器雷电冲击试验击穿故障进行详细的分析。

关键词：电力变压器；雷电冲击;试验
1试验情况
1.1设备信息
实验变压器铁心采用单相四柱三框式结构，主柱绕组从内到外依次为低压绕组、中压绕组、高压绕组；激磁绕组和调压绕组位于旁柱上，采用线性调压的方式。

调压绕组采用内外两层串联的结构。

1.2试验过程
按照试验方案，雷电冲击试验前完成了绕组对地绝缘电阻测量、绕组绝缘系统电容及介质损耗因数测量、套管试验、电压比测量及联结组别检定和绕组电阻测量等试验，试验结果均符合相关标准及技术协议要求。

雷电冲击试验首先在高压绕组线端进行，分别施加1次50%电压和3次100%电压下的雷电冲击。

试验过程中无异常放电现象，电压波形波头、波尾时间、电压幅值、过冲等均符合标准要求，50%电压冲击波形与100%电压冲击波形相似，电流波形无截断，试验通过。

在中压进行试验时变压器位于1分接。

施加50%冲击电压和首次施加100%冲击电压试验均顺利通过；第二次施加100%冲击电压试验时出现异常放电：试验人员听到清脆异响，电压异常降低，电流波形出现大幅振荡。

试验未通过，初步判断变压器内部放生了绝缘击穿。

随后再次施加冲击电压，并利用局部放电超声波自动定位系统判断击穿位置。

在油箱4个面的上部和下部分别布置2个传感器，施加70%电压试验，又发生击穿，听到内部放电声，冲击电压波形出现截断。

此时，布置在变压器油箱侧面下部人孔附近的超声信号传感器测得的时域信号最超前，该处为铁心旁柱所在位置，怀疑调压绕组下部出线位置附近发生绝缘击穿。

冲击试验后对该变压器油样进行采集。

三比值法编码为102，判断变压器内部发生了电弧放电。

CO、CO2含量也发生突变，判断故障涉及固体绝缘材料。

1.3吊罩检查
首先工作人员对故障设备外观进行了全方位检查，油箱无变形，套管无裂纹，非电量保护装置正常无动作，无渗漏油。

外观检查后厂家组织吊罩检查。

拆除套管等附件后将上节油箱吊起，发现油箱底部散落有瓦楞纸和绝缘纸碎片。

进一步观察到内层调压绕组下部引线下部出头与托板槽口左侧、下侧贴合紧实，绝缘被击穿，引线出头沿托板对夹件腹板放电，有明显电弧灼烧痕迹，其他位置均无放电痕迹。

将绕组拔出，对主柱和旁柱主体进行检查：各组绕组排列整齐，间隙均匀；绕组间、绕组与铁心及铁心与轭铁间的绝缘垫，完整无松动；绝缘板绑扎紧固。

绕组绑扎牢固，无移动变形现象，绝缘层完整，表面无变色、脆裂或击穿等缺陷。

因此判断击穿仅发生在调压绕组下部引线位置。

剥除所有调压绕组下部引线外绝缘层发现放电点为调压绕组下部2分接出头，其余分接无放电痕迹，调压绕组其他位置无放电痕迹和损伤。

调压绕组和励磁绕组之间的围屏以及内部励磁绕组未受损伤。

2原因分析
故障发生后，厂方与业主单位的专家及技术人员共同分析，从设计、制造工艺控制、关键点检查等方面归纳出故障原因。

2.1设计方面
针对击穿处的绝缘，未将绕组出头处沿垫板对地的爬距考虑在内。

经实际测量发现，纸板沿面爬距为120mm。

而变压器制造厂家均认可的设计绝缘距离为220kV等级引线表面包10mm绝缘时油中对地距离为190mm、沿纸板爬电距离为620mm。

因此该部位绝缘裕度严重不足，是造成该变压器绝缘击穿及沿绝缘表面爬电的主要原因。

2.2制造工艺控制方面
与该变压器同批次生产的同类型变压器共三台，其中一台通过了全部出厂试验。

为了与发生击穿的变压器进行对比，对通过所有出厂试验的变压器进行吊罩检查。

发现该变压器调压绕组下部引线的挝弯位置明显高于故障变压器，且出线与槽口两边距离相当，其调压绕组下部出头与托板间有一定的油隙，该油隙可以提高引线出头与夹件间的耐电强度，使其顺利通过绝缘试验。

但纸板沿面爬距仍不满足要求。

因此制造过程中工艺控制不严谨、不规范也是造成变压器发生绝缘击穿的原因之一。

2.3关键点检查方面
在产品的生产过程中，厂方质量监督人员和业主驻厂监造人员均应当对绕组绕制、器身装配、绝缘包扎等关键环节，绕组出头放置、绝缘距离等关键尺寸进行现场核对。

但双方在核对各部件接口时忽视了调压内层下部出线引线对铁心夹件的距离校核，没有及时发现该部位的绝缘距离不足，是造成变压器发生绝缘击穿的又一个原因。

3结果及建议
3.1整改措施
（1）改变外层调压绕组的下部出线方式，由原来的轴向出线方式改为辐向出线方式。

进而有效提高外层调压绕组的出头位置，增加了与下夹件间的纸板沿面爬距，有效提升了绝缘强度。

（2）调整内层调压绕组的出头档位，使内层调压出线位置向远离夹件的方向转动1个档位，进一步拉开调压出线与下夹件的爬电距离。

（3）改进内层调压绕组的出头包扎方式，首先在出线外包裹瓦楞纸板，再通过加包纸浆成型件，伸出托板辐向尺寸约200mm，并在调压绕组出线下部的两层托板间增加1层反角环。

通过以上措施进一步分割油隙，增大爬距，进而起到增强绝缘的作用。

通过更改设计方案和更换
绝缘件等整改措施，故障变压器及同批次其他两台变压器顺利通过所有出厂试验，各项数据满足设计和技术协议要求，产品合格。

3.2建议与意见
变压器的绝缘结构设计是保证设备性能和现场安全可靠运行的基础和保障，采用线性调压方式进行大范围调压的有载调压变压器调压绕组出线较多，需布置在狭小空间内，绝缘距离的把控更是至关重要。

存在绝缘设计缺陷的变压器在出厂试验或运行过程中极有可能发生内部绝缘击穿，造成重大的安全、财产损失。

通过分析此次故障，从设备供应商和电网用户单位方面总结出以下经验教训：（1）对设备供应商：产品设计、原材料质量、制造装配工艺、试验方案等因素都可能对变压器最终的质量产生重大影响，尤其是设计方面。

若由于设计人员能力经验不足或者疏忽原因导致出现关键结构不合理，违反设计规范，则产品极大可能无法通过绝缘试验考核，且整改过程相当复杂，会造成产品成本的增加和工期的滞后。

尤其是对首台（套）类设备，务必严把设计关，产品设计方案要经过权威专家的认证，并且在制造过程中严格控制工艺流程和质量，对每一个关键工序都进行现场核对，提升设备的一次性合格率；（2）对电网用户单位：电网的安全稳定运行很大程度依赖一次设备的可靠性，因此必须在设备招标环节对供应商资质条件、业绩成果和技术水平等方面进行严格考评。

同时，电网用户单位需加强关键设备在产品规划、设计和制造等阶段的监督，通过查阅设计规范和现场核对关键结构和参数进行把控，发现问题及时解决，提升入网设备和工程质量。

参考文献：
[1]周海滨,杨春梦,龙启.500kV变压器故障诊断与措施[J].电工技术,2017(2):92-93.。