空冷電廠一起變壓器平衡繞組故障的分析及處理

李澤財，程中岳，李喜榮，潘樂宏，袁蘭成

(華能銅川電廠，陜西 銅川 727100)

0 引言

我國北方地區(qū)水資源比較匱乏，在火力發(fā)電項目中，要加強對傳統(tǒng)的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行技術(shù)更新，在技術(shù)更新過程中，開始采用空冷島風冷技術(shù)?？绽鋶u空冷風機較多，能耗比較大，為了節(jié)能，風機采用變頻裝置，效果較好。但是，大量的變頻負荷會產(chǎn)生各次諧波，影響電動機正常運行，還會導(dǎo)致設(shè)備絕緣發(fā)熱而降低壽命，甚至?xí)乖O(shè)備發(fā)出嘯叫聲，對周圍電子產(chǎn)品影響很大。帶有平衡繞組的變壓器可有效濾除三次諧波，對于改善電壓波形有著重要意義。然而，一方面由于國家相關(guān)標準中未對變壓器平衡繞組額定容量、額定電壓等參數(shù)作出明確規(guī)定，在工程設(shè)計中一般以經(jīng)驗值為依據(jù);另一方面，平衡繞組在變壓器中處于較為隱蔽的位置，檢修維護人員對其了解甚少，在檢修試驗項目中也沒有安排相關(guān)檢修內(nèi)容，變壓器平衡繞組的監(jiān)督管理存在漏洞，為變壓器安全運行埋下了隱患。因此，對變壓器平衡繞組的分析研究是十分必要的。

1 系統(tǒng)概況

某電廠600 MW空冷機組配備4臺干式變壓器及4段低壓工作母線為空冷變頻風機供電。每段接14臺變頻風機，每臺機組共計56臺風機?？绽渥儔浩黝~定容量為2 500/2 500/625 kV·A，額定電壓為6300/400/1300 V，有2種接線方式，一種連接組標號為Yyn0+d(如圖1所示)，另一種連接組標號為Dyn11。變壓器配備珠海拓普公司生產(chǎn)的TOP9720C－14H型差動保護裝置。

圖1 Yyn0+d變壓器接線原理

2 平衡繞組的作用

(1)當變壓器進行Yy連接時，繞組中不可能有三次諧波電流，此時的勵磁電流為正弦波而磁通則為平頂波。其結(jié)果是感應(yīng)的三次諧波電勢數(shù)值可達基波電勢的45% ～60%［1］，使相電勢的最大值升高很多，波形呈尖頂波，威脅著繞組的絕緣安全。當附加1個平衡繞組后，情況發(fā)生了根本的變化。平衡繞組能夠使鐵芯磁通和電勢接近正弦波，且三次諧波電流可借助三角閉合繞組流通，減少變壓器的局部過熱。電廠空冷風機較多，能耗比較大，為了節(jié)能，風機采用變頻裝置。采用變頻裝置后，大量的變頻負荷會產(chǎn)生各次諧波，造成電能質(zhì)量下降。帶有平衡繞組的變壓器可有效濾除三次諧波。

(2)變壓器運行時可能會出現(xiàn)負載不平衡、短路、斷路等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的發(fā)生會導(dǎo)致變壓器三相電壓的不對稱，根據(jù)對稱分量法的原理，可以把任何一組不對稱分量分解成一定大小、一定相位的一組對稱的正序分量、一組對稱的負序分量和一組零序分量。當變壓器帶有封閉三角形的平衡繞組時，此零序分量磁通將會在三角形繞組中感應(yīng)出零序電勢，同時感應(yīng)出零序電流，零序電流與繞組的匝數(shù)乘積便形成了磁勢。根據(jù)磁勢平衡原理，它將阻止零序磁通在鐵芯柱中的流通，提高了為不平衡負載供電的能力［2］。

3 事故分析

2009－04－23 T 16:32:15，某電廠#2機組#2空冷變壓器在運行中跳閘。保護人員現(xiàn)場調(diào)取綜合保護裝置歷史記錄和電廠電氣控制系統(tǒng)(ECS)歷史記錄(見表1)。16:32:14.870，#2機組#2空冷變壓器比率差動動作，16:32:15.033，切除故障。表1中空冷變壓器B1即為#2空冷變壓器。A相差流，8.77 A;B 相差流，8.74 A;C 相差流，17.46 A。C 相差流正好是A，B相差流的2倍，保護人員馬上注意到了這一點，而這一現(xiàn)象正好符合Y，d11接線變壓器△側(cè)兩相短路特征。

該變壓器的高壓側(cè)為電源側(cè)，而低壓側(cè)為負荷側(cè)，能夠提供短路電流的只能是高壓側(cè)。而空冷變壓器連接組為Yyn0+d，d側(cè)又以a頭b尾，b頭c尾，c頭a尾的形式連接成封閉三角形，因此Y，d接線為11點方式。那么，當三角形側(cè)兩相短路故障時，也可等效成常見的Yd11連接組別接線方式來進行分析。

分析變壓器保護差流問題，要搞清楚在變壓器一側(cè)短路時另一側(cè)電流的大小和相位。而分析變壓器兩側(cè)短路電流的大小和相位，通常采用的計算方法即眾所周知的對稱分量法，但這種方法涉及相量轉(zhuǎn)角，復(fù)數(shù)運算太繁，工程中不太實用［3］。為了方便變壓器保護問題的分析，本文采用一種快捷的變壓器兩側(cè)電流的轉(zhuǎn)換計算方法。

為了使變壓器短路分析簡單清晰，采用以下約定和簡化條件:

(1)由于短路分析的原始參數(shù)均為標幺值，通常短路計算也采用標幺值，上述各電流應(yīng)理解為標幺值，單相雙繞組變壓器兩側(cè)電流有=的關(guān)系。

(2)因為變壓器各側(cè)電流標幺值的基值均為各側(cè)額定線電流，對于Y，d11變壓器，若△側(cè)線電流(標幺值)為，則 Y 側(cè)電流(標幺值=。

(3)電流正向定義采用減極性標注法，即一側(cè)電流相量由極性端入，另一側(cè)電流必由極性端出。這時兩側(cè)電流相量為同相位。圖2中繞組極性端為A，B，C 和a，b，c，非極性端為 X，Y，Z 和x，y，z(在圖2中未標出)。

(4)不計變壓器勵磁電流，可忽略負荷電流。

(5)完全不考慮電流互感器誤差，以一次電流的分析代替二次繼電保護電流的分析。

(6)因為差動保護中使用相電流，所以，短路分析盡可能從相電流入手，避免繁瑣的對稱分量移相計算。

如圖2所示［2］，Yd11 變壓器△側(cè) b，c兩相短路，已知=0==，在 △ 側(cè)繞組中，不一定從 極性端流出，那么在 Y 側(cè)感應(yīng)的

綜上分析可以判斷，平衡繞組發(fā)生了b，c兩相短路。

表1 ECS#2機組 #2空冷變比率差動動作歷史記錄

圖2 Y，d11變壓器△側(cè)bc兩相短路示意圖

4 現(xiàn)場檢查情況

檢修人員檢查變壓器本體發(fā)現(xiàn)#2空冷變壓器B相鐵芯頭部有放電痕跡(如圖3所示)。對變壓器絕緣進行了檢查未發(fā)現(xiàn)異常，對變壓器高、低壓側(cè)繞組直阻進行測試也未發(fā)現(xiàn)異常。結(jié)合保護人員的分析結(jié)果，檢修人員對變壓器平衡繞組進行了檢查。變壓器解體后，發(fā)現(xiàn)平衡繞組B相燒損嚴重。

圖3 #2空冷變平衡繞組B相繞組頭部對鐵芯放電灼傷照片

在正常運行時，平衡繞組的A相尾部(C相頭部)已強制接地，平衡繞組B相頭部故障會對鐵芯放電，造成B相頭部接地。這樣，變壓器平衡繞組側(cè)就形成了b，c兩相短路。故障現(xiàn)象與保護人員的分析結(jié)果相吻合。

5 結(jié)束語

Yyn0+d連接組變壓器平衡繞組出現(xiàn)故障后，對差動保護裝置記錄動作值的特征進行了分析，從C相差流是A，B相差流2倍關(guān)系的分析著手，采用一種快捷的變壓器兩側(cè)電流轉(zhuǎn)換計算的方法，從理論上詳細分析了一起較為少見的Yyn0+d連接組別變壓器平衡繞組的故障。從現(xiàn)場檢查情況來看，結(jié)果與分析相吻合。該方法可為故障定位、故障處理、快速恢復(fù)供電提供參考。

對返修后的變壓器平衡繞組進行了擴容，由原來的625 kV·A擴容至800 kV·A(即由額定容量的25%變?yōu)?2%)，變壓器平衡繞組擴容后運行效果良好。國家標準中未對平衡繞組的容量作出明確的規(guī)定，國外一般按變壓器額定容量的33%進行選取。總結(jié)帶平衡繞組空冷變壓器在電廠運行中的經(jīng)驗是十分必要的，在平衡繞組的設(shè)計時，應(yīng)充分考慮直接空冷系統(tǒng)變頻器諧波的影響，容量宜設(shè)計為變壓器額定容量的1/3。

［1］辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學(xué)［M］.3版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2010.

［2］董景義，段玉柱，張賢國，等.平衡繞組在變壓器中的作用及接線方式淺述［J］.變壓器，2009，46(12):21.

［3］王維儉.發(fā)電機變壓器繼電保護應(yīng)用［M］.2版.北京:中國電力出版社，2004.