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摘 要：通过对一次燃煤电厂故障跳闸变压器的试验及检查诊断，详细分析了故障时刻波形数据和事故后试验数据，对不能正确反映故障现象的色谱数据，多次取样，对典型低压侧bc相间短路特征波形故障判断通过设备解体检查，对三角形接法线圈的直流电阻测试数据利用计算机仿真软件进行验证分析验证，最终查明了原因，总结出能准确判断内部故障性质的科学方法。
关键词：燃煤电厂；变压器；相间短路；匝间短路；分析
中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0076-02
1 引 言
2017年12月12日上午10时10分50秒，某燃煤电厂01号高厂变跳闸，检查为01号高厂变“差动保护”动作出口跳变压器，同时变压器“轻瓦斯”动作发信号。01号高厂变跳闸时刻该厂220kV升压站正在进行拉开220kVⅠA母线（01号高厂变所挂母线）电容式电压互感器（CVT）刀闸的停电操作。
2 跳闸前运行工况
某燃煤电厂01号高厂变于1988年7月投运至今，期间运行正常。变压器型号为SFFZ-31500/220，接线组别为YN-d11-d11，额定电压为220/6.3/6.3kV，短路阻抗：高压-低压Ⅰ：17.16%，高压-低压Ⅱ：17.19%。2017年12月12日，一期1号机组运行，2号机组停备，01号高厂变低压Ⅰ、Ⅱ分支分别带2号机组厂用6kVⅢ、Ⅳ段运行，高压侧电流约为12.7A。01号高厂变高压侧接在220kV升压站内220kVⅠA母线段运行，升压站内采用双母线带旁路母线接线方式。
3 检查情况
3.1 保护及故障录波检查
01高厂变D、E柜为双重化保护柜，两柜电量保护配置相同，非电量保护配置在D柜。检查D、E柜均有“差动保护”动作出口，D柜“轻瓦斯”发信号，两柜录波基本相同。通过D柜录波波形来看，故障发生后01号高厂变高压侧电流A、B相电流相位相同，幅值大致相等，C相电流幅值约为A、B相之和，且相位相差180°。低压Ⅰ分支电压基本无变化，低压Ⅱ分支侧b2、c2相间电压在差動保护动作前有降低，约下降至正常时的65%，a2、b2相间和c2、a2相间电压基本无变化。
故障录波装置正常启动，其录波的01号高产变高压侧电流波形与保护所录波形一致。
查看与集控故障录波装置为同一对时装置受时的网控1号故障录波器显示，在10时10分49秒824毫秒母线电压3U0突变量启动录波。集控故障录波装置录波显示变压器高压侧电流变化事件较母线电压3U0突变事件滞后202毫秒，结合现场操作人员反馈几乎在分闸操作的同时听到断路器跳闸声音，可以判断母线电压3U0突变是由于当时分闸操作时产生，且在01号高厂变发生故障之前。
3.2 一次设备的外观检查情况
对变压器本体、低压各分支母线、配电柜及高、低压侧开关等进行目测检查无异常，未闻到有短路烧糊等异味。发现瓦斯继电器内存有少量气体。变压器高压侧开关和低压侧母线进行电气预防性试验项目均合格。
3.3 现场初步的检查和试验情况
对01号高厂变进行绝缘油色谱分析，并对变压器做绝缘电阻、绕组连同套管介损、直流电阻、电压比等常规试验。其中绝缘电阻、绕组连同套管介损、电压比等试验结果均正常。油色谱及直流电阻有异常，数据如下：
（1）开关跳闸后，先后两次取变压器油样进行色谱分析。第一次为故障后2h在取样阀处取样，C2H2含量为0.55μL/L；第二次为故障后29h取样，C2H2含量为56μL/L，明显超标，三比值为102，属电弧放电。
（2）01号高厂变高压绕组和低压Ⅰ分支绕组直流电阻数据正常，低压Ⅱ分支绕组b2、c2相间直流电阻较出厂值明显偏大，绕组线间不平衡率达13.8%，超过标准要求值。
3.4 故障的初步判断
（1）根据保护的动作情况和录波波形来分析，高压侧三相电流波形其幅值和相位关系符合典型的低压侧b、c相间短路特征。结合低压Ⅱ分支b2c2直流电阻偏大，且录波显示b2c2相间电压值在差动保护前已下降至正常的65%。由此初步判断很可能在低压Ⅱ分支b2、c2绕组间发生了相间短路。
（2）低压Ⅱ分支b2、c2相间直流电阻较出厂前明显偏大，初步判断c2绕组线圈内存在断股情况。
（3）从录波电流幅值看，最大故障电流C相电流幅值约为额定电流的三倍，初步判断为非金属性相间短路。
（4）通过变压器故障后油色谱试验数据三比值为102，判断变压器内部发生了电弧放电。
3.5 现场吊罩检查及返厂检修情况
（1）12月5日，现场进行01号高厂变吊罩检查，对变压器内部器身、夹件、铁芯、绕组端部引线、接线母排等外观进行检查，均未发现明显放电痕迹和故障点。在低压绕组角接未解开情况下，对低压Ⅱ分支绕组进行直流电阻测试做比对分析。结合之前此变压器的历史试验数据，并进行线-相电阻换算后得到，本次故障发生后，c2相电阻明显大于另外两相，相电阻最大不平衡率达到29%。
此外，对差动保护范围内的低压侧封母进行了绝缘电阻、交流耐压等试验，试验结果均合格。
（2）此变压器于2017年12月28日返厂进行解体检查。将变压器低压Ⅱ分支绕组角接解开，分别测试a2、b2、c2三相相电阻，其阻值分别为：6.776mΩ、6.771mΩ、8.023mΩ。检查低压绕组引线，每匝线圈由20股导线并联，c2线圈线规数目应为20×6.774/8.023=16.9≈17（6.774为相电阻a2和b2的平均值），由此推断c2线圈内存在大约3股导线断股。
高、低压线圈吊出后，高压线圈及低压Ⅰ分支线圈正常，低压Ⅱ分支a2、b2相正常，c2相发现有明显变形并存在线圈烧损痕迹。该线圈属于双层螺旋式结构，分内外层，每层30匝，共计60匝。外层线圈有多处位置发生变形，内层线圈无明显变形。以外层线圈引线部位当作起始匝，从上往下数第18匝与第19匝之间绕组有熔融、断股现象，且处于此高度内外层线圈均有不同程度熔融。由此分析认为绕组在此处发生内外层匝间短路（短路匝数较多，约22～24匝）。 4 模拟仿真计算
对于绕组内较多匝数间短路，由于电磁暂态过程较为复杂，因此借助Matlab仿真软件，搭建YNd11三相变压器计算模型。采用三相双绕组模型来模拟本次低压C相绕组匝间短路情况下高压侧相电流及低压侧电压变化特征。该模型以01号高厂变相关电气参数为基础，利用变压器等效电路，推导仿真模型中各类所需参数。
在总匝数60，短路匝数23的条件下，对应匝间短路下高压侧三相电流及低压侧三相电压，其特征表现：A、B相電流幅值、相位近似相同，C相电流幅值约为A、B相电流幅值的两倍（或者两者之和），且相位相差约180°；低压侧bc相电压下降。此电气量特征与低压侧bc相间短路特征一致。
之后进一步开展仿真实验，改变其电源系统阻抗、短路匝数百分比等参数，结果表明，当低压侧单相匝间短路的短路匝数达到一定数量、短路电流达到一定值时，高压侧三相电流开始出现低压侧相间短路时高压侧三相电流的特征，并且随着低压侧短路匝数的增多，高压侧三相电流的特征与低压侧相间短路时高压侧三相电流的特征越来越相似。
5 原因分析
（1）结合仿真分析、试验现象及故障录波，可以认为低压Ⅱ分支c2相线圈内匝间短路是导致01号高厂变跳闸的直接原因。对于初期的误判和漏判，后期通过变压器返厂解体检查及仿真分析进行纠正。
（2）对220kVⅠA母线（01号高厂变所挂母线）CVT分闸操作与变压器故障时序进行核对后，拉开CVT一次刀闸在01号高厂变故障发生之前约202毫秒。分析认为，CVT为容性负载，电流超前电压90°，在刀闸拉开时产生电弧引起系统震荡，产生操作过电压。
（3）该低压绕组属于双层螺旋式结构，其绕组内外层压沿轴向从上往下逐渐减小，绕组两端压差最大，为绕组相电压。考虑变压器在运行中过流或启机时励磁涌流的冲击，造成变压器低压Ⅱ分支绕组变形，经过时间的累积效应，内外层绕组绝缘距离减小，在操作过电压的作用下，绝缘被击穿，引起内外层匝间短路。
6 结束语
本文以一起220kV电力变压器匝间短路故障为脉络，从事故现象、电气量特征、气体特征等试验试验结果分析入手，采用基于Matlab仿真软件搭建的YNd11三相变压器计算模型仿真的手段模拟和分析验证故障原因。本文分析理论与实际相结合，希望对类似的故障分析起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1]陈化钢.电力设备异常运行及事故处理手册[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]王 成，黄宏华.电力变压器匝间短路故障分析及处理[J].电力科学与工程，2012（01）.
收稿日期：2018-4-15
作者简介：邓阳源（1980-），男，工程师，硕士，主要从事电力系统一次设备检修及管理工作。
关键词：燃煤电厂；变压器；相间短路；匝间短路；分析
中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0076-02
1 引 言
2017年12月12日上午10时10分50秒，某燃煤电厂01号高厂变跳闸，检查为01号高厂变“差动保护”动作出口跳变压器，同时变压器“轻瓦斯”动作发信号。01号高厂变跳闸时刻该厂220kV升压站正在进行拉开220kVⅠA母线（01号高厂变所挂母线）电容式电压互感器（CVT）刀闸的停电操作。
2 跳闸前运行工况
某燃煤电厂01号高厂变于1988年7月投运至今，期间运行正常。变压器型号为SFFZ-31500/220，接线组别为YN-d11-d11，额定电压为220/6.3/6.3kV，短路阻抗：高压-低压Ⅰ：17.16%，高压-低压Ⅱ：17.19%。2017年12月12日，一期1号机组运行，2号机组停备，01号高厂变低压Ⅰ、Ⅱ分支分别带2号机组厂用6kVⅢ、Ⅳ段运行，高压侧电流约为12.7A。01号高厂变高压侧接在220kV升压站内220kVⅠA母线段运行，升压站内采用双母线带旁路母线接线方式。
3 检查情况
3.1 保护及故障录波检查
01高厂变D、E柜为双重化保护柜，两柜电量保护配置相同，非电量保护配置在D柜。检查D、E柜均有“差动保护”动作出口，D柜“轻瓦斯”发信号，两柜录波基本相同。通过D柜录波波形来看，故障发生后01号高厂变高压侧电流A、B相电流相位相同，幅值大致相等，C相电流幅值约为A、B相之和，且相位相差180°。低压Ⅰ分支电压基本无变化，低压Ⅱ分支侧b2、c2相间电压在差動保护动作前有降低，约下降至正常时的65%，a2、b2相间和c2、a2相间电压基本无变化。
故障录波装置正常启动，其录波的01号高产变高压侧电流波形与保护所录波形一致。
查看与集控故障录波装置为同一对时装置受时的网控1号故障录波器显示，在10时10分49秒824毫秒母线电压3U0突变量启动录波。集控故障录波装置录波显示变压器高压侧电流变化事件较母线电压3U0突变事件滞后202毫秒，结合现场操作人员反馈几乎在分闸操作的同时听到断路器跳闸声音，可以判断母线电压3U0突变是由于当时分闸操作时产生，且在01号高厂变发生故障之前。
3.2 一次设备的外观检查情况
对变压器本体、低压各分支母线、配电柜及高、低压侧开关等进行目测检查无异常，未闻到有短路烧糊等异味。发现瓦斯继电器内存有少量气体。变压器高压侧开关和低压侧母线进行电气预防性试验项目均合格。
3.3 现场初步的检查和试验情况
对01号高厂变进行绝缘油色谱分析，并对变压器做绝缘电阻、绕组连同套管介损、直流电阻、电压比等常规试验。其中绝缘电阻、绕组连同套管介损、电压比等试验结果均正常。油色谱及直流电阻有异常，数据如下：
（1）开关跳闸后，先后两次取变压器油样进行色谱分析。第一次为故障后2h在取样阀处取样，C2H2含量为0.55μL/L；第二次为故障后29h取样，C2H2含量为56μL/L，明显超标，三比值为102，属电弧放电。
（2）01号高厂变高压绕组和低压Ⅰ分支绕组直流电阻数据正常，低压Ⅱ分支绕组b2、c2相间直流电阻较出厂值明显偏大，绕组线间不平衡率达13.8%，超过标准要求值。
3.4 故障的初步判断
（1）根据保护的动作情况和录波波形来分析，高压侧三相电流波形其幅值和相位关系符合典型的低压侧b、c相间短路特征。结合低压Ⅱ分支b2c2直流电阻偏大，且录波显示b2c2相间电压值在差动保护前已下降至正常的65%。由此初步判断很可能在低压Ⅱ分支b2、c2绕组间发生了相间短路。
（2）低压Ⅱ分支b2、c2相间直流电阻较出厂前明显偏大，初步判断c2绕组线圈内存在断股情况。
（3）从录波电流幅值看，最大故障电流C相电流幅值约为额定电流的三倍，初步判断为非金属性相间短路。
（4）通过变压器故障后油色谱试验数据三比值为102，判断变压器内部发生了电弧放电。
3.5 现场吊罩检查及返厂检修情况
（1）12月5日，现场进行01号高厂变吊罩检查，对变压器内部器身、夹件、铁芯、绕组端部引线、接线母排等外观进行检查，均未发现明显放电痕迹和故障点。在低压绕组角接未解开情况下，对低压Ⅱ分支绕组进行直流电阻测试做比对分析。结合之前此变压器的历史试验数据，并进行线-相电阻换算后得到，本次故障发生后，c2相电阻明显大于另外两相，相电阻最大不平衡率达到29%。
此外，对差动保护范围内的低压侧封母进行了绝缘电阻、交流耐压等试验，试验结果均合格。
（2）此变压器于2017年12月28日返厂进行解体检查。将变压器低压Ⅱ分支绕组角接解开，分别测试a2、b2、c2三相相电阻，其阻值分别为：6.776mΩ、6.771mΩ、8.023mΩ。检查低压绕组引线，每匝线圈由20股导线并联，c2线圈线规数目应为20×6.774/8.023=16.9≈17（6.774为相电阻a2和b2的平均值），由此推断c2线圈内存在大约3股导线断股。
高、低压线圈吊出后，高压线圈及低压Ⅰ分支线圈正常，低压Ⅱ分支a2、b2相正常，c2相发现有明显变形并存在线圈烧损痕迹。该线圈属于双层螺旋式结构，分内外层，每层30匝，共计60匝。外层线圈有多处位置发生变形，内层线圈无明显变形。以外层线圈引线部位当作起始匝，从上往下数第18匝与第19匝之间绕组有熔融、断股现象，且处于此高度内外层线圈均有不同程度熔融。由此分析认为绕组在此处发生内外层匝间短路（短路匝数较多，约22～24匝）。 4 模拟仿真计算
对于绕组内较多匝数间短路，由于电磁暂态过程较为复杂，因此借助Matlab仿真软件，搭建YNd11三相变压器计算模型。采用三相双绕组模型来模拟本次低压C相绕组匝间短路情况下高压侧相电流及低压侧电压变化特征。该模型以01号高厂变相关电气参数为基础，利用变压器等效电路，推导仿真模型中各类所需参数。
在总匝数60，短路匝数23的条件下，对应匝间短路下高压侧三相电流及低压侧三相电压，其特征表现：A、B相電流幅值、相位近似相同，C相电流幅值约为A、B相电流幅值的两倍（或者两者之和），且相位相差约180°；低压侧bc相电压下降。此电气量特征与低压侧bc相间短路特征一致。
之后进一步开展仿真实验，改变其电源系统阻抗、短路匝数百分比等参数，结果表明，当低压侧单相匝间短路的短路匝数达到一定数量、短路电流达到一定值时，高压侧三相电流开始出现低压侧相间短路时高压侧三相电流的特征，并且随着低压侧短路匝数的增多，高压侧三相电流的特征与低压侧相间短路时高压侧三相电流的特征越来越相似。
5 原因分析
（1）结合仿真分析、试验现象及故障录波，可以认为低压Ⅱ分支c2相线圈内匝间短路是导致01号高厂变跳闸的直接原因。对于初期的误判和漏判，后期通过变压器返厂解体检查及仿真分析进行纠正。
（2）对220kVⅠA母线（01号高厂变所挂母线）CVT分闸操作与变压器故障时序进行核对后，拉开CVT一次刀闸在01号高厂变故障发生之前约202毫秒。分析认为，CVT为容性负载，电流超前电压90°，在刀闸拉开时产生电弧引起系统震荡，产生操作过电压。
（3）该低压绕组属于双层螺旋式结构，其绕组内外层压沿轴向从上往下逐渐减小，绕组两端压差最大，为绕组相电压。考虑变压器在运行中过流或启机时励磁涌流的冲击，造成变压器低压Ⅱ分支绕组变形，经过时间的累积效应，内外层绕组绝缘距离减小，在操作过电压的作用下，绝缘被击穿，引起内外层匝间短路。
6 结束语
本文以一起220kV电力变压器匝间短路故障为脉络，从事故现象、电气量特征、气体特征等试验试验结果分析入手，采用基于Matlab仿真软件搭建的YNd11三相变压器计算模型仿真的手段模拟和分析验证故障原因。本文分析理论与实际相结合，希望对类似的故障分析起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1]陈化钢.电力设备异常运行及事故处理手册[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]王 成，黄宏华.电力变压器匝间短路故障分析及处理[J].电力科学与工程，2012（01）.
收稿日期：2018-4-15
作者简介：邓阳源（1980-），男，工程师，硕士，主要从事电力系统一次设备检修及管理工作。