重要起变压器雷击故障的分析与防范

HV CX(pf) tg(%) 16160 0.288
LV I 10730 0.29
LV II 12150 0.275
表 7 T1 变短路试验 气温 28℃ 湿度 65%
Z(Ω ) a1b1 b1c1 c1a1 ΔR(%) 2.54 2.52 2.53 0.39 P(W) 5 5 5 0 a2b2 b2c2 c2a2 ΔR(%) Z(Ω ) 2.45 2.45 2.46 0.40 P(W) 5 5 5 0
关键词：变压器 N 号发电机组采用发电机-变压器组单元制接线，发电机 G 经主变压器 T、并网 开关 S 接入 220kV 分段母线 B，然后并入电网；机端以三相封闭母线连接高压厂用变压器 T1 （简称高厂变） ， 高厂变低压侧以硬母线排经过 6.3kV 开关 S1 供电给 6.3kV 厂用母线 B1， 其电气接线如图 1 所示。Y 年 M 月 D 日，机组 G 带满负荷 200MW，并在 220kV 母线正常 运行，工况稳定，厂用电由发电机自带，高厂变没有异常现象发生。13 点 44 分许，伴随着 天空一声响雷，N 号高厂变差动保护动作、发变组差动保护动作，并网开关 S 跳闸、灭磁开 关跳闸，自带厂用电开关跳闸、备用厂用电开关自投成功，机组停运。复归有关开关，将 N 号发变组转入检修状态，就地检查发现 T1 高厂变上部有明火。
表 8 T 变和 T1 变油色谱数据
H2 T1 T 11 4 CH4 5.6 5.9 C2H6 0.4 1.5 C2H4 0.7 1.0 C2H2 0 0
单位：μl/L
C 6.76 8.4 CO 162 131 CO2 1120 2429
3
故障原因分析
据当地气象局档案室提供的气象资料， 当天电厂所处区域发生雷暴天气， 雷暴开始时间 13 时 28 分，雷暴终止时间 14 时 35 分。电厂现场人员在故障时间听到雷声，同时有人目视 故障发生地有弧光。 由于高厂变 T1 试验数据良好， 且其低压侧母线与高压侧封闭母线外壳有放电灼伤痕迹， 分析认为高厂变内部不存在故障，其故障起因为外部因素引起。 根据现场勘察，在高厂变和主变区域的 A 列墙顶上安装有三只避雷针，由于电厂地处 多砂石土壤地带， Rc 约为 15 ，故三只避雷针分别经引下线与主地网连接。结合当时雷声、 弧光和电弧烧损情况来推测， 可能是由于雷击造成的冲击反击过电压引发了低压侧母线与高 压侧封闭母线外壳间的电弧放电，造成低压侧 a、b 相间短路，进一步发展成为低压侧 a、b、 c 相三相短路。由于雷电的持续时间为 s 级，故现场的故障录波器未能记录到雷电数据。分 析如下：
表 1 高厂变设备参数
项 型 目 号 内 容
SFF10-31500/15.75 31500/20000-20000kVA 15.75/6.3-6.3kV 1154.7/1832.9-1832.9A Dd0-d0 ONAN/ONAF (60%/100%) 保定天威集团特变电气有限公司 2005 年 11 月 2006 年 1 月
50kA / s ，取避雷针
每米电感值为 1 H ，则 U s 和 U e 的幅值分别为（单位：kV） （3） U s 150Rc 50h （4） Ue 150Rc 空气绝缘的平均耐压强度为 500kV/m，为防止避雷针与电气设备间的最小空气间隙 d k 被击穿而危及电气设备， d k 应满足（单位：m）
图 4 高厂变绕组接线示意图
由于变压器等设备承受了较大的外部短路电流， 为检测故障后设备是否受损， 开展了高 厂变 T1 的油色谱、绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏、介损、低电压短路阻抗（高压侧加 5A 电流） 、交流耐压等相关试验项目，试验数据如表 2 至表 8 所示，数据均正常，可见该外部 短路故障没有造成变压器内部故障。同时，对主变、封母、发电机、6kV 开关、母线等进行 了检查，对保护装置、控制电缆进行了检查、传动试验，各项检查及试验数据均正常。
图 5 避雷针与被保护设备示意图
如图 5 所示，设电气设备高度为 h，其顶点与避雷针铁塔上的距离最近点为 S 点，当雷 击避雷针时，S 点电位 U s 和避雷针接地体上的电位 U e 分别为：
Us
iRc
L
di dt
（1） （2）
di dt
Ue
iRc
式中， Rc 为避雷针的冲击接地电阻， ；L 为从 S 点到地的电感， H 。 取雷电流 i 的幅值为 150kA[1]，波头形状为斜角波，其陡度取
图 1 电气接线示意图
2
检查试验
高厂变 T1 属三相双分裂无励磁调压变压器，低压侧出线非封闭母线结构，设备参数如 表 1 所示。检查发现，高厂变 T1 低压侧两组三相母线排的接头处有烧熔豁口，高厂变 T1
高压侧三相封闭母线外壳间存在明显电弧放电烧损痕迹， 现场故障情况见图 2 所示。 从 6.3kV 母线排外部检查情况来看，存在外部相间短路的痕迹。
(GΩ )
表 3 T1 变直流电阻 气温 28℃ 油温 31℃ 湿度 65%
HV(III 档) AB(0) BC(0) CA(0) ΔR(%) mΩ 34.02 34.09 34.03 0.20 LV I 7.005 7.046 7.005 0.58 LV II 11.22 11.21 11.25 0.35
额定容量 额定电压 额定电流 联结组别 冷却方式 生产厂家 出厂日期 投运日期
（a）
（b）
图 2 高厂变上方放电烧伤痕迹
经调查保护和故障录波，继电保护在故障后 36ms 动作出口，高厂变带厂用电开关、并 网开关、灭磁开关在故障后 50-74ms 相继跳闸。故障发生后高厂变 T1 的高压侧最大故障电 流达到了其额定电流的 14.4 倍，S1 开关的最大故障电流达到其额定电流的 3.6 倍。由于发 电机 G 与故障点之间无开断点隔离， 高厂变 T1 高压侧电流 819ms 衰减为零， 发电机机端电 压衰减为剩磁电压。 图 3 为高厂变低压侧电压 6.3kV 母线段电压录波图， 纵轴代表电压二次 值，其额定值为 100V。
dk Us 500 0.3Rc 0.1h
（5）
将电厂 Rc =15 、高厂变放电位置高度 h=3.19m 代入式（5）得到间隙距离 d k 不得小于 4.819m， 而现场测量 A 列墙顶中间避雷器裸露在外的接地引下线和 T1 高厂变的高压侧封闭 母线间的距离仅为 4m。 由于裸露在墙顶的避雷针引下线对被保护设备的空气间隙 d k 不够大，这就使得雷击避 雷针时，雷电流流经接地引下线，在接地电阻和避雷针铁塔本身的电感上产生的压降，在这 一空气间隙中发生击穿放电， 形成雷电反击过电压击穿放电， 从而使设备外壳与设备的导电 部分之间产生了高电压。 与此类似，由式（4）可以计算出图中避雷针的接地装置对被保护设备接地装置之间的 反击电压约为 2250kV，该电厂土壤电阻率 500 m ，而在这种土壤电阻率条件下，冲击 波沿地中埋线流动 15m 后，幅值才可以衰减到原来的 22%[1]，而现场测绘避雷针引下线入 地点与高厂变接地引下线入地点，沿接地体的长度距离 d 为 5.1m，算上高厂变接地引下线 位置到高压侧封母放电点间的金属外壳距离也不够 15m。如果按照 15m 计算，衰减后幅值 约为 495kV。 而在高厂变低压侧硬母排 a1、b1 两相与高压侧封闭母线 A 相外壳间的直线距离仅为 0.65m，如图 6 所示。以空气绝缘的平均耐压强度为 500kV/m 计算，只要有 325kV 就可以将 其击穿。
一起变压器雷击故障的分析与防范
王成亮 1，王光亮 2 （1.江苏方天电力技术有限公司，南京市，211102） （2.安徽滁州供电公司，滁州市，239000）
摘要：本文描述了某电厂高压厂用变压器在雷击后造成机组停运、高厂变低压侧母线排接头烧熔、高压侧
三相封闭母线外壳烧痕的情况，通过分析录波得出故障首先为两相短路， 约三个周波后发展成为三相短路。 给出了高厂变的油色谱、绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏、介损、低电压短路阻抗、交流耐压等检查试验 情况，结果表明承受了较大短路电流后的变压器状况正常。在现场测绘防雷接地布置的基础上，结合电厂 土壤情况、雷声弧光情况，计算并推断了雷电反击过电压使得绝缘闪络，后在工频电压作用下持续电弧放 电，造成高厂变低压侧母排两相及三相短路的过程，分析得出故障原因为变压器区域墙顶的避雷器接地引 下线布置安装不能满足标准《交流电气装置的接地》 、 《交流电气装置的过电压和绝缘配合》的要求。最后 提出了避雷针接地装置的接地电阻必须足够小，避雷针引下线与被保护设备导电部分或接地金属部分之间 的空气中距离必须足够大，在冲击接地电阻不能做到很小的情况下，可将避雷针的接地体与变电所的地网 相连，但应该特别注意避雷针接地体与变电所地网的连接点到35千伏及以下设备的接地线入地点，沿接地 体的地中距离应大于15米的防范措施，为类似雷电反击事故的分析提供具有重要参考价值的信息。
表 2 T1 变绝缘电阻 气温 28℃ 油温 21℃ 湿度 65%
15s 绕组 (GΩ ) HV LV I LV II 铁芯 2.30 2.50 2.50 7.50 7.70 8.00 11.00 12.00 13.00 3.20 3.08 3.20 5.00 1.47 1.55 1.63 60s 600s R60/R15 R600/R60
图 3 高厂变低压侧 6.3kV 母线电压波形
从图 3 可以看出，波形在 2ms 时出现畸变，之后的 62ms 内 a、b 相的电压幅值趋近、 相位趋同，而 C 相的电压幅值为两相之和、相位与之相反。由于 a、b、c 相是三角形连接， 如图 4 所示，可以确定这是明显的 a、b 相相间短路特征，故障首先为 a、b 相短路。a、b 相故障约 3 个周波后，a、b、c 三相电压幅值大致趋于相等，相位恢复正常，可以确定故障 已发展成为三相短路。
表 4 T1 变直流耐压泄漏 气温 28℃ 湿度 65%
HV 施加电压(kV) 泄漏电流(μA) 5 0.5 10 1 5 0.5 LV I 10 1 LV II 5 0.5 10 1