基于波形特征量的變壓器平衡繞組故障診斷方法

王建明，李 鵬

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

變壓器是電力系統(tǒng)最重要的變電設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全，變壓器故障會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成重大的危害和影響，主變出現(xiàn)故障后，快速準(zhǔn)確地判斷故障原因及故障點(diǎn)，并及時(shí)加以排除，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于變壓器內(nèi)部故障、區(qū)內(nèi)外故障情況下的分析已經(jīng)較多。隨著微機(jī)變壓器保護(hù)的普遍應(yīng)用，變壓器差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作準(zhǔn)確率得到了提高，但有時(shí)保護(hù)動(dòng)作后并不易排查出故障點(diǎn)[2-7]。充分利用變壓保護(hù)的故障錄波數(shù)據(jù)，靈活運(yùn)行電網(wǎng)故障分析的理論和方法，仔細(xì)分析保護(hù)動(dòng)作原因，有助于明確主變故障點(diǎn)及故障類型。

1 故障及保護(hù)動(dòng)作情況

故障前系統(tǒng)如圖1所示。主變接線形式為，變比為220 kV/110 kV/35 kV，△繞組為平衡繞組，主變高/中/低壓側(cè)電流互感器（TA）變比分別為1200/5，1200/5及2000/5；110 kV母線上702線路、703線路運(yùn)行。

圖1 故障前系統(tǒng)接線圖

當(dāng)110 kV 702線路發(fā)生A相永久接地故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳開702開關(guān)，經(jīng)延時(shí)后702開關(guān)重合不成功三跳。702線路三跳后，主變2套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、重瓦斯動(dòng)作、壓力釋放閥動(dòng)作跳開主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。主變保護(hù)裝置錄波波形及時(shí)序如圖2所示。

圖2 主變保護(hù)故障錄波

從圖2錄波可見，故障過程可分為3個(gè)階段。其中t1時(shí)刻為702線路重合于故障，t2時(shí)刻702線路合于故障后三相跳開，t3時(shí)刻主變高壓側(cè)出現(xiàn)故障電流，t4時(shí)刻主變?nèi)齻?cè)跳開。

（1）第一階段（t1～t2）：702線路重合于故障后，主變高、中壓側(cè)A相出現(xiàn)故障電流，且方向相反，對(duì)主變?yōu)榇┰叫噪娏?，具有區(qū)外故障特征；主變中壓側(cè)TA發(fā)生飽和。

（2）第二階段（t2～t3）：702線路三跳故障切除后，主變高、中壓側(cè)電流恢復(fù)正常，110 kV母線電壓恢復(fù)正常，故障特征消失。

（3）第三階段（t3～t4）：主變高壓側(cè)出現(xiàn)故障電流，中、低壓側(cè)沒有故障電流，三側(cè)均沒有零序電流；且主變高壓側(cè)A相電流與B相、C相電流反向，約等于B相、C兩相電流之和取負(fù)值，B相、C相電流同相且基本相等，幅值約為A相電流的1/2。

2 故障分析

針對(duì)該事故過程所表現(xiàn)出來的特征，有如下疑問需要進(jìn)行合理的解釋：當(dāng)主變外部故障清除之后，主變高壓側(cè)再次出現(xiàn)故障電流，且主變差動(dòng)保護(hù)、重瓦斯及壓力釋放動(dòng)作，表明可能主變內(nèi)部發(fā)生故障，故障類型是什么，故障點(diǎn)在哪里，為了便于開展變壓器故障分析，首先對(duì)變壓器差動(dòng)電流進(jìn)行計(jì)算。

2.1 變壓器保護(hù)差動(dòng)電流計(jì)算

變壓器差動(dòng)保護(hù)在進(jìn)行判別之前需要進(jìn)行各側(cè)電流幅值相位校正，對(duì)于相間電流差動(dòng)保護(hù)原理，采用Y→△轉(zhuǎn)角方式，Y接線繞組轉(zhuǎn)角公式為：

式（1）中：φ取H，M或L分別表示主變高、中、低壓側(cè)；主變高壓側(cè)的平衡系數(shù)，中壓側(cè)平衡系數(shù)，低壓側(cè)的平衡系數(shù)KphL=；nH，nM及nL分別為高、中及低壓側(cè)TA變比；iAφ，iBφ及iCφ為主變?chǔ)諅?cè)Y接線繞組電流；iAφd，iBφd及iCφd為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角后電流。主變各相差動(dòng)電流iAcd，iBcd及iCcd計(jì)算公式為：

從式（2）可以看出，該轉(zhuǎn)角方式的變壓器差動(dòng)是相間差動(dòng)原理，在正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)，各相差流理論上等于0。將圖2所示主變各側(cè)電流代入式（1，2），得到圖3所示的轉(zhuǎn)角后主變各側(cè)電流及差動(dòng)電流。

圖3 轉(zhuǎn)角后主變各側(cè)電流及差動(dòng)電流

2.2 主變故障分析

為了明確本次主變故障的故障點(diǎn)和故障類型，結(jié)合圖2和圖3的主變各側(cè)電流及差流，利用排除推理的方法進(jìn)行主變故障分析。

由圖3主變差動(dòng)電流可見，在702線路重合于故障期間（第一階段），重合后約9 ms主變保護(hù)A相、C相出現(xiàn)差流，且差流反向，這是由于區(qū)外故障使主變中壓側(cè)TA飽和導(dǎo)致中壓側(cè)A相電流發(fā)生畸變，差流計(jì)算時(shí)按式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)角，使A相、C兩相出現(xiàn)反向差流，且差流偏向時(shí)間軸的一側(cè)。由于主變差動(dòng)保護(hù)采用諧波制動(dòng)，區(qū)外故障主變差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，但并未動(dòng)作。第三階段主變A相、C相出現(xiàn)差流，且差流反向，B相沒有差流。由此可判斷主變未發(fā)生高/中/低壓側(cè)的兩相短路故障，因?yàn)椴盍饔?jì)算按式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)角，如果高/中/低壓側(cè)兩相短路會(huì)導(dǎo)致三相均出現(xiàn)差流。

圖2中主變故障電流波形表明第三階段主變?nèi)齻?cè)均沒有零序電流，據(jù)此可判斷主變高壓側(cè)故障電流不可能是由高/中/低壓側(cè)Y繞組發(fā)生單相接地故障引起的；同時(shí)，由于高/中/低壓側(cè)Y繞組或△繞組發(fā)生單相匝間短路時(shí)會(huì)出現(xiàn)零序電流，則排除發(fā)生了單相匝間短路故障的可能性[8]。進(jìn)一步由圖2波形可見，主變高壓側(cè)B相、C相電流同相且基本相等，與A相電流反向，幅值約為A相電流的1/2，具有的主變△側(cè)發(fā)生A相、C相兩相短路的特征。

結(jié)合以上現(xiàn)象及分析結(jié)果，推斷主變故障點(diǎn)為平衡繞組（△繞組）發(fā)生A相繞組首尾短路（類似主變△側(cè)A相、C相兩相短路），由于平衡繞組的電流不接入差動(dòng)保護(hù)，排查此類故障具有較大的難度。

2.3 故障電流分析

Yn/△-11接線變壓器△側(cè)a相、c相兩相短路及電流分布如圖4所示。

圖4 Yn/△-11接線變壓器△側(cè)兩相短路及電流分布

根據(jù)電網(wǎng)故障分析理論，a相、c相兩相短路時(shí)b相為特殊相，利用序分量方法，相應(yīng)邊界條件如下[8，9]：

各序分量關(guān)系如下：

則變壓器Y側(cè)電流相量關(guān)系如圖5所示。

圖5 變壓器△側(cè)兩相短路Y側(cè)電流相量

由圖5可見，變壓器△側(cè)A相、C相兩相短路時(shí)Y側(cè)及△側(cè)各電流滿足下面的關(guān)系。

對(duì)于圖1主變，平衡繞組A相繞組首尾短路時(shí)（類似于A相、C相兩相短路）根據(jù)式（1，2）可知主變差動(dòng)電流為：

可見，主變A相、C相有差流，且差動(dòng)電流反向，B相沒有差流，符合圖3中主變差動(dòng)電流的特征。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢查

故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一次設(shè)備開展檢查和試驗(yàn)。

（1）主變220 kV側(cè)C相套管中下部瓷套破裂。

（2）對(duì)故障變壓器采油樣進(jìn)行油色譜分析表明氣體成分及含量呈現(xiàn)高能量放電后的特征。

（3）主變繞組電容量數(shù)據(jù)測(cè)試異常，其中平衡繞組介損測(cè)試加壓10 kV后變壓器內(nèi)有明顯放電聲，降至2 kV，平衡繞組介損為0.94%，電容量比上次試驗(yàn)增大明顯。驗(yàn)證了故障分析的結(jié)果。

綜合保護(hù)動(dòng)作的行為、故障錄波分析以及現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備檢查，本次主變故障的原因：702線A相接地故障及重合于故障，使主變經(jīng)受兩次中壓側(cè)近區(qū)短路電流沖擊，造成內(nèi)部繞組變形，平衡繞組絕緣損壞，平衡繞組A相短路引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。變壓器內(nèi)部絕緣故障引起的壓力造成壓力釋放閥和重瓦斯動(dòng)作。故障過程中主變保護(hù)動(dòng)作行為正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用主變故障錄波，通過排除推理的方法進(jìn)行主變故障分析，明確了故障位置和故障點(diǎn)，有助于開展為一次設(shè)備檢查和故障處理。故障類型為主變平衡繞組A相短路故障，具有主變△側(cè)A相、C相兩相短路的特征，主變高壓側(cè)B相、C相電流同相且基本相等，而A相電流與其反向且大小相差2倍，與故障電流分析結(jié)論相符。故障過程中主變保護(hù)動(dòng)作行為正確。電網(wǎng)中有時(shí)會(huì)發(fā)生這種典型的故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，但故障點(diǎn)不易排查，建議現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合故障電流仔細(xì)分析排查故障點(diǎn)。

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