由引线引起的电力变压器过热性故障分析

584 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国•海南 由引线引起的电力变压器过热性故障分析 韩洪刚 （东北电力科学研究院， 辽宁省 沈阳市 110006）

ANALYSIS OF POWER TRANSFORMER THERMIC MALFUNCTION Han Hong-gang （Northeast Electric Power Research Institute，Shenyang 110006 , Liaoning Province, China）

ABSTRACT: This paper opens out the mechanism of power transformer thermic malfunction caused by down-lead.

KEY WORDS: Down-lead; Power transformer; Thermic malfunction; Mechanism

摘要：通过一例电力变压器过热性故障的吊罩检查与现场处理，本文对其过热性缺陷进行了理论分析与定量计算，揭示了由引线与铜管内壁金属性接触后产生局部过热并产生引线断股故障的机理。闭合回路同时存在感应电势与引线电压是引线与铜管金属性靠接后发生故障的动因，不管是引线电压还是感应电势量值都是很小的，二者数值相当，具有可比性，因此以往采用“引线分流过热”的说法是不准确的，准确的说法应是 “引线分流环流过热”或“引线金属性靠接过热故障”。本文还对此类故障提出了预防措施。

关键词：电力变压器 ; 引线 ; 过热 ; 机理 1 前言 电力变压器过热性故障是较常见的。铁心多点接地、分接开关动静触头接触不良、绕组因绝缘膨胀堵塞油道等可以造成过热性故障，引起油色谱试验数据异常。这里介绍一例由引线原因引起的过热性故障，并通过理论分析与计算，对其机理进行较详细分析。

2 一则实例 辽宁某水电站主变B相（单相变压器，型号：DFP8-100000/220，额定电压：242/√3±2×2.5%/13.8kV）在2003年5月春检中发现绝缘油色谱试验数据异常（表1）。总烃含量超过注意值且增长速率很快。在可燃性气体组分中，甲烷 130.56μL/L，乙烯332.53μL/L，是主要组分。乙炔含量为1.19μL/L。根据三比值法分析，变压器内部存在超过700℃过热性故障。 2003年6月18日该变压器进行吊罩检查。发现中性点引线对应于套管尾端绝缘白布带已经破损，引

线断股3处（每股27根），断股处积有碳黑。很显然，过热是造成断股的直接原因（图1）。在中性点套管铜管底部亦对应存在着过热痕迹。 表1 色谱试验数据（2003年） μL/L 日期 H2CH4 C2H6C2H4 C2H2 总烃 CO2CO

1.13 13.619.8 10.321.3 0 51.3 217417

02.25 12.022.4 10.336.9 0 69.5 36672703.27 12.017.6 6.8 20.9 0 45.3 40053504.15 13.121.3 11.736.1 0 69.1 37068205.27 48.1135.577.3341.4 2.62 556.9 76364406.05 51.2130.662.4332.5 1.19 526.6 633664

图1 引线烧损情况 3 定量计算与机理分析 这种引线分流过热性故障并不少见，特别是早期66kV套管内穿缆引线发生此类故障的较多。这是因为，引线电缆外表半叠包的白布带，经过制作中工序的传递和引线装配，多数已不紧密和不完整。某些制造厂，甚至完全不要这一层白布带。引线大多不是直顺套管方向进入导管，一旦引线裸露部分与导管内壁靠接，造成分流，产生热故障。 对于过热机理，已有些分析，但并不完整。本文中国•海南 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 585 利用上述实例进行定量计算与理论分析，力求更加详细地揭示故障发展的过程。 将引线假设为位于铜管中心的一条直线，流通电流I（单相变压器，中性点电流等于相电流，假设电流是均匀分布的）。引线A点与铜管内壁B点靠接前，A与B点电位差uab应有两部分组成。一是电流在引线上

引起的电阻电压u；二是靠接点、铜管、引线、上端引线导电杆形成的闭合回路中由引线电流引起的交变磁通产生的感应电势e。 当电流参考方向确定时，则磁场方向如图2所示。对于有限长载流导线，所引起的磁感应强度为

απ

µsin40

R

IB=

为简化计，将导线看作无限长情况，则离它R远处磁感应强度为

RIBπµ20=

闭合回路所包围的磁通为：

BARRRRILBdsABln20

π

µφ==

∫

图2 磁场分布示意图 将L=2970mm,RA=10.2mm,RB=27.5mm,及I=1011A（幅值）代入公式，可得到磁通幅值φ=5.98×10-4Wb，对于正弦波闭合回路感应电势为 e=4.44fφN=0.133V（有效值） 引线(铜，室温时的电导率为5.8×107西/米)的横

截面积为325mm2,长度L=2970mm,则在75℃时，引线电阻（从靠接点到顶端）为Ryx=1.93×10-4Ω 由引线电流引起的电阻电压(有效值，以下简称引线电压)

uyx=1.93x10-4×715=0.138V

通过以上计算可以看出，无论是感应电势还是引线电压都是非常小的。 套管内黄铜管（室温时的电导率为1.5×107西/

米）横截面积为643 mm2,在75℃时，其电阻（从靠接点到顶端，以下简称铜管电阻）为Rtg=3.77×10-4Ω 当不计靠接点处的接触电阻时，闭合回路的电阻值为铜管电阻与引线电阻之和，等于Rhl=5.7×10-4Ω。

可见不计回路接触电阻时闭合回路电阻是很小的。 暂时不考虑接触电阻。计算分流电流。铜管电阻与引线电阻并联，可以计算出铜管中所流过的电流为242A，引线所流过的电流为473A；在感应电势作用下，闭合回路产生的环流等于233A。应当指出，铜管上流过的分流电流与在感应电势产生的环流相位是不同的，两者互差900。因此铜管上流过的最大电流值为

ITGMAX AITGMAX33624223322=+=

实际上，靠接点处存在接触电阻，其值受多种因素的影响。接触电阻的主要表现是接触处出现局部高温。根据接触电阻理论，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点（小面）发生了真正的接触，其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电。当电流流过这些很小的导电斑点时电流线必然会发生收缩现象。由于电流线收缩，流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因而电阻值相应增大。因电流线收缩形成的附加电阻成为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量。其次，由于金属表面有膜的存在，如果实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻称为膜电阻，它是构成接触电阻的另一分量。总起来说，接触电阻一般应包含三个部分：一个接触元件一边的收缩电阻、接触面间的膜电阻、另一接触元件的收缩电阻。接触电阻的理论公式为

aaRppjnn22

π

σρ+=

式中，接触元件材料的电阻率ρ和膜的面电阻率σ均为已知值，困难的是导电斑点个数n和平均半径586 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国•海南 ap无法确定。工程中常用的计算接触电阻的经验公式为

mjFK

R

−

=)102.0(

式中K值由实验确定，F为接触力，m与接触面变形的情况有关。对于点接触=0.5；对于面接触m=1；对于线接触m≈0.7。本例中引线与铜管的靠接情况是难以确定的。因此选择F=0.5N、1.0N、5.0N和接触形式为点接触、面接触、线接触三种形式分别计算接触电阻，以期得到接触电阻的大致范围（见表2）。一般情况情况引线与铜管应为点或面接触形式，其接触电阻在毫欧级。在本例中，靠接点处接触压力、接触面积、油膜、积碳等情况都是在变化的，因此，要准确的计算出接触电阻几乎是不可能的。为便于计算，本例取接触电阻0.5mΩ。 表2 接触电阻计算值（×10-4Ω） 点接触 线接触 面接触 F=0.5 N 29.7 53.8 131.4 F=1 N 21.0 33.1 65.7 F=5 N 9.4 10.7 13.1 计及接触电阻时的等效电路如图3，重新计算分流电流和环流。由引线电阻电压引起的在铜管上的分流电流为If=24.8A，这时引线中的电流为Iyx=690.2A；

由感应电势引起的环流电流为I=23.9A（一旦铜管中流过电流，由于闭合回路磁场的变化，感应电势会有所变化，但不会太大，这里仍按照感应电势不变计算的），铜管上流过的最大电流为Imax=33.4A。

图3 考虑接触电阻时的计算电路 尽管当计及接触电阻时流过接触点的电流迅速下降，但接触点在分流电流与环流作用下，仍由可能产生熔焊现象。一种是由接触电阻发热使导电斑点及其附近的金属熔化而焊接，称为静熔焊；另一种是因为接触点振动或接触点被电动斥力（当电流通过接触点，由于电流线在接触面附近发生收缩，会在接触面间出现电动斥力）斥开产生电弧，电弧的高温使接触点表面熔化和气化而导致接触点焊接，称为动熔焊。理论上讲当引线与铜管靠接时这两种情况都有可能发生。但是，实际上电动斥力是很小的，靠接点不太可能被电动力斥开而产生电弧，即使接触点被电动力

斥开，由于闭合回路的电势（电压）很小，也不可能提供足够的能量产生高能放电。因此，靠接点温度的升高主要是接触电阻发热所致。由此可以解释色谱试验数据表征的是过热性故障，而不是放电性故障。在可燃性气体组分中乙炔所占的比例很小（由于高温过热产生），在有些实例中甚至没有乙炔出现。当热量传递到引线绝缘时有可能引起CO与CO2增长，但往往不是很明显。由于引线往往是某一股中的某一根（或某几根）与铜管接触，该根铜线的电流密度很大（本例中约100A/mm2）,加之接触电阻发热，很容易就会将接触的该根铜引线烧断。然后其他根铜引线与铜管内壁接触。依次循环，引线会很快出现断股情况。实践中也证实一旦发生引线与铜管靠接情况，故障往往发展很快。绝大多数情况下，引线断股不会无限发展下去，这是因为引线断股后接触情况会有所改变，加之发热原因，在靠接处会出现积碳，改变了靠接处接触电阻值。 另外，由于铜管热容量比较大，热量传递迅速，因此靠接处铜管发生熔焊的比较少见。但当故障比较严重，时间长久时也可以烧熔铜管，形成坑斑。在这种情况下，对套管油进行色谱试验分析时会发现套管内也存在过热性故障。这就为通过同时分析变压器本体油色谱和套管油色谱从而发现引线过热性故障提供了可能。但正如前面分析，这样的几率是比较小的。