保护系统故障引发的绕组变形事故分析

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受稳定短路电流作用的时间长,也是造成绕组变形事故的原因之一。例如,某DFPSF—250000/500型电力变压器,由于互感器事故导致35kV侧发生三相短路后,使其引线支架多处断裂,绕组严重变形。运行中,由于220kV侧单相短路发展为B、C 相短路,持续220ms,电力变压器压力释放阀动作,高压套管爆破,油箱焊缝开裂10处,绕组严重变形。

造成变压器绕组变形的主要原因有:

1.短路故障电流冲击

电力变压器在运行过程中,不可避免地要遭受各种短路故障电流的冲击,特别是变压器出口或近距离短路故障,巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很大的电动力 (是正常运行时的数十倍至数百倍),并使绕组急剧发热。在较高的温度下,导线的机械强度变小,电动力更容易使绕组破坏或变形。

电动力的产生是绕组中的短路冲击电流与漏磁场相互作用的结果。

绕组中漏磁场的分布如图1-9所示。它可分解为两个分量,即纵轴磁场B 和横轴磁场B′。纵轴磁场对绕组产生辐向力,这个作用力,使外部绕组受向外张力Fp1,在导线中产生拉应力,拉应力过大时,导线被拉长,匝绝缘会被损坏,造成匝间短路;内部绕组受到压缩力Fp2,导线受压应力,如压应力过大,可引起绕组局部变形。受力状态如图1-10所示。

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图1-9　绕组中漏磁分布

横轴磁场使内、外绕组均受到轴向压缩力Fi,如图1-11所示。如果两个绕组沿高度方向安匝分布均匀,此力很小,安匝分布越不均匀,轴向力越大。轴向电动力过大,可使绕组发生永久性变形,并产生纵向位移等。

在运行中,由于辐向和轴向电动力同时作用,可能使整个绕组发生扭转。

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图1-10　绕组的辐向力

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图1-11　绕组的轴向力

(a)横轴磁场产生的轴向力;(b)安匝分布不均匀引起的轴向力

国内外运行事故分析表明,短路事故是引起变压器损坏的主要原因之一。例如,我国1985～1989年110kV及以上电压等级的电力变压器,因外部短路事故烧损110kV变压器,容量为649 MVA,占110kV变压器事故的15%,1989～1993年,110kV级电力变压器的事故统计结果表明,因受外部短路电流冲击而直接导致变压器烧毁的共有57 台,约占该等级变压器总事故台次的35.5%(其中有载调压变压器占48%)。双分裂厂用变压器因短路造成绕组变形而烧损的事故就更多,仅1982～1992 年就烧损35 台,总容量为1387.5MVA。在国外,法国电力系统发生在变压器端头汇流排上的三相短路事故为每年0.03%,发生在变电站附近的三相短路占400kV事故率的1%～2%,占220kV事故率的3%～4%。

2.在运输或安装过程中受到冲撞

电力变压器在长途运输或安装过程中,可能会受到意外的冲撞、颠簸和振动等,导致绕组发生变形。有的电力变压器投入时间不长就发生突发性事故,很可能与上述情况有关。

例如,1990年,某供电局曾发生一起110kV、31.5MVA 主变压器运输中遭受强烈撞击而损坏的故障。该变压器在交接吊罩检查时,发现油箱下部固定器身的4个螺栓全部开焊裂断,上部对器身定位的4 个定位钉全部松动,并在定位板上划出小槽。器身向油枕方向纵向位移11mm,横向位移23mm,绕组对端圈错位,最大达30mm,可看到器身已经完全没有固定装置而处于自由状态,并经过长途运输及多次编组,器身在油箱中摇晃,必然造成变压器损坏。

再如,某发电厂的220kV、360MVA 主变压器,在运输途中因火车紧急刹车而受到冲击,造成变压器内部损伤。在返制造厂修复时发现,变压器器身对下部油箱位移5～6cm,下部油箱分支胶木导油管开裂损坏8 只 (共12 只)。变压器下铁轭绝缘垫块参差不齐,向外逸出最大达10mm。C相下铁芯阶梯木垫块明显歪出。压紧绕组的蝶形弹簧油缸压钉普遍松弛9mm 左右,并多数向同一方向歪斜。铁芯夹件在C 相侧有15mm 左右斜缝等。

3.保护系统有死区,动作失灵

目前,电网的继电保护配置中,电力变压器的主保护有气体保护、差动保护,它们都满足快速切除 (小于0.2s)的要求。但是,由于变电所设备布置上的原因,在变压器出口总断路器间隔的断路器与电流互感器之间发生的故障,是在变压器差动保护区外,母线差动保护区内,在断路器的电源侧。当母线差动保护动作,断路器跳闸后却不能切除故障,由变压器供给的短路电流依然存在。这个区域只有两个电力设备 (断路器、电流互感器),数米导线和几只瓷瓶,往往以为故障概率小而被忽视成为死区。但是,在这个区域内一旦发生事故,后果是相当严重的。保护系统存在死区或动作失灵都会导致变压器承受稳定短路电流作用的时间长,也是造成绕组变形事故的原因之一。如某SFSZ7—31500/110型主变压器,因10kV系统故障导致直流消失,由于手动操作跳闸,电力变压器因受长时间短路作用而损坏。粗略统计结果表明,在遭受外部短路时,因不能及时跳闸而发生损坏的变压器约占短路损坏事故的30%。

4.绕组承受短路能力不够

当变压器绕组出现短路时,会因其承受不了短路电流冲击力而发生变形。例如,某DFPSF—250000/500型电力变压器,由于互感器事故导致35kV侧发生三相短路后,使其引线支架多处断裂,绕组严重变形。实际上事故时的短路电流只有105k A,低于变压器应承受的水平,而且保护动作也正常,但变压器绕组却损坏了。只能说明是变压器绕组承受短路电流冲击能力不够。

又如,某台SFP—360000/220型电力变压器,在机组与电网解裂时,机组纵向差动保护、主变压器重瓦斯保护和发电机负序、主变压器零序保护动作,压力释放阀动作喷油、起火,导致A 相高压绕组变形,偏离轴线倾斜;A 相低压绕组有几十根线匝从铁芯柱和压板间冒出,严重变形;A 相铁芯严重损坏。

再如,某发电厂2 号联络变压器为120000/500单相自耦电力变压器,继1990年B相事故后,又发生C相类似事故。运行中,由于220kV侧单相短路发展为B、C 相短路,持续220ms,电力变压器压力释放阀动作,高压套管爆破,油箱焊缝开裂10处,绕组严重变形。

上述例子均说明变压器绕组承受短路能力不够。近5年来,现场对全国110kV及以上电压等级电力变压器事故统计分析表明,因短路强度不够引起的事故已成为电力变压器事故的首要原因,严重影响了电力变压器的安全、可靠运行。

保护系统故障引发的绕组变形事故分析

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