35kV 电力变压器交流耐压试验故障原因分析
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35kV 电力变压器交流耐压试验故障原因分析
1 引言
电力变压器交流耐压试验的主要目的是检测其绕组对地及绕组之间的主绝缘强度， 是避免发生绝缘事故的重要手段， 对决定电力变压器能否继续投入运行具有决定性的意义，所以《电力设备预防性试验规程》规定，对66kV 及以下的变压器大修后必须进行交流耐压试验。其试验电压远远高于运行电压，因此它属于破坏性试验， 试验时必须严格按照规定接线和操作，否则会造成设备损坏。本文中中试控股对一台35kV 变压器大修后进行交流耐压试验时发生的10kV 套管表面放电和试验设备损坏故障进行分析，判定其原因是处于地网接地扁铁同一位置接地的试验接地线脱落后在试验回路产生了过渡过电压。
2 故障经过
2006 年7 月28 日，对一台大修后的35kV 变压器进行交流耐压试验。变压器型号为SF9-10000/35，额定电压为(35±2.5%)/10.5kV。大修后所有非破坏性试验(如绝缘电阻和介损等)数据合格且注油后静置时间超过24h， 变压器高压侧对低压侧及地的出厂交流耐压试验值为85kV，中试控股根据《电力设备预防性试验规程》规定，现场大修后试验电压为出厂试验电压的85%， 实际施加电压为72kV。试验变压器型号为ZSYD-25/150，额定容量为25kVA。变压器高压侧对低压侧及地的电容量为5569pF，当交流耐压值为72kV 时，可计算出试验变压器高压绕组输出电流为0.126A， 低压侧电流为47.25A，试验变压器完全满足现场试验的需要。
变压器低压绕组端头短接接地，高压绕组端头短接与试验变压器高压输出绕组相连，所有设备接地线在地网扁铁同一点E 处接地，经检查接线无误后调整保护球隙间距离，设定其放电电压为82kV，随后开始对变压器高压侧进行交流耐压试验，当试验电压升至72kV，正准备读取毫安表电流数据时，变压器10kV 侧套管表面发生火花放电，同时听见非常大的放电响声，试验变压器控制开关跳闸，调压器自动回零。经检查，所有设备接地线均在接地点E 处脱落，毫安表mA 及其短路刀闸K、高压数显电压表V 烧坏，分别测试试验变压器T2高压对低压、高压对地、低压对地的绝缘电阻全部为零，表明试验变压器绝缘遭到破坏。
3 原因分析
根据现场检查分析，中试控股认为此次试验故障主要原因是所有设备接地线缠绕一起后在接地点E 处捆绑在接地网扁铁上， 由于接地线采用多股细软铜丝线，而且只缠绕了一圈，铜线很容易散开，使得接地不牢固。当试验电压升至72kV 时，全部接地线在接地网扁铁处松散脱落，随后产生的过渡过电压造成变压器10kV 套管放电及试验变压器烧坏。
3.1 10kV 套管放电原因分析
用介损测试仪测得变压器高压绕组对低压绕组及地的电容量Cg为5 569pF，低压绕组对高压绕组及地Cd为9139pF，高低绕组对地Cg+d为6 329pF。
根据电力变压器介损和电容量接线原理列出以下三个公式：
Cg=C1+C12 (1)
Cd=C2+C12 (2)
Cg+d=C1+C2 (3)
计算出：C12= Cd+Cg-Cg+d2 =4 189.5pF
C1=Cg-C12=1 379.5pF
C2=Cd-C12=4 949.5pF
正常情况下被试变压器低压绕组短接接地，低压绕组各点与地等电位;当被试变压器低压侧接地线脱落后(低压绕组还是短接在一起，不考虑低压绕组电感影响)，相当于K1断开。假设t=0 时，K1断开，断开前瞬间(t=0-)，C2上电压U2(0-)还是与地等电位，则U2(0-)=0;K1断开后瞬间(t=0+)，由于电容C2的电压不能突变，其初始电压U2(0+)=U2(0-)=0，一定时间后，低压绕组对地电压将达到一个稳态电压值U2p，此时变压器低压绕组处于悬浮状态，位于高压对地的电场之中，稳态电压值U2p将取决于高低压绕组间电容C12和低压对地电容C2的大小，可列出公式：U2p= C12C12+C2U，则U2p=33kV。
由于初始电压与稳态电压不同，中试控股被试变压器低压绕组上电压从零变为稳态电压33kV 时必然有一个过渡过程，此过渡过程中会在低压绕组各点上产生远远超过33kV 的电压值，根据电路原理中三要素法得过渡过电压：U2=U2p+[U2p-U2 (0+)]e-δt，其中δ为时间常数，因此U2是随时间增加而逐渐衰减的，可以看出在断开后瞬间即t=0 时，U2有最大值且为：U2 最大=U2p+[U2p-U2(0+)]，则U2 最大=2×33=66kV。
电力变压器10kV 绕组出厂和大修试验电压值分别仅为35kV 和30kV，因此，U2 最大可能会造成变压器低压侧绕组绝缘损伤，经再次进行非破坏性试验及交流耐压试验合格，表明电力变压器没有损坏，可以继续投入运行。
试验时看见的10kV 套管火花放电是由上述过渡过程中产生的过渡过电压U2使套管表面空气间隙击穿而产生的， 一般情况10kV 套管表面放电电压不低于74kV， 而过渡过电压U2的最大值仅66kV，不应该使套管击穿，但是，由于变压器低压侧短接接地线脱落后搭接在变压器低压套管上， 减小了低压套管表面沿面放电距离近一半， 其放电电压也大大减小，因此，过渡过电压U2加在套管剩余表面距离上很容易使其击穿而发生沿面放电现象。
3.2 试验设备损坏原因分析
试验变压器高压输出绕组简化等值电路如图3a 所示，在工频电压作用下，匝间电容很小，容抗特别大，不考虑匝间电容影响，另外与低压输入绕组间的电容和互感也忽略不计。毫安表并联的刀闸K 在升压过程中是闭合的，只有读毫安表时才断开。试验变压器高压输出绕组末端X 接地，相当于刀闸K2闭合，在工频电压下绕组上各点电压是均匀分布的，其值为U=U1 (1-xL)(其中L 为绕组长度，x 为绕组各点到首端A 处的距离)， 同样假设t=0 时刀闸K2断开，断开前瞬间t=0-时，U(0-)=U=U1(1-xL)，绕组首端A 处x=0，U(0-)=U1;在绕组末端X 处，x=L，U(0-)=0，如图3b 中斜线1。当K2断开后瞬间t=0+时， 由于试验变压器高压绕组对地电容上的电压不能突变，绕组各点初始电压U(0+)与t=0-时相同，即U(0+)=U(0-)=U1(1-xL);而K2断开后达到稳态时试验变压器高压输出绕组各点的稳态电压相同，都为Up=U1=72kV，如图3b 中直线2。
由以上分析可知，试验变压器高压输出绕组各点初始电压分布与稳态电压分布不同， 因此从初始分布到稳态分布也存在一个过渡过程，在绕组上各点产生过渡过电压， 它与被试电力变压器10kV 绕组各点过渡过电压不同，10kV 绕组各点过渡过电压大小相等且最大电压值出现时间一致， 而此处试验变压器高压绕组上各点的过渡过电压大小不等且出现最大电压值的时间也可能不同， 但电压最大值包络线为图3b 中虚斜线3，计算绕组各点最大过渡过电压值的公式与前面相同：U最大=Up+[Up-U (0+)]，则U最大=U1(1+xL)，当x=L 时，U最大=2U1=144kV，即过渡过程中试验变压器高压绕组各点都要产生一个最大电压值，但在其末端X 处产生的最大电压值比其他任何点要高
上述过渡过电压对试验设备危害非常大，一是由于试验变压器高压输出绕组越靠近末端X 处，其绝缘越薄弱，仅能承受3kV～5kV 左右电压，过渡过程中产生的高电压很容易造成其高压绕组对低压及地绝缘击穿， 中试控股经解体检查发现绕组部分绝缘材料烧焦，末端小套管表面有放电痕迹和末端引线烧断;二是接线脱落后绕组末端过渡过电压作用于毫安表mA 及其短路刀闸K 等试验设备上， 很容易使它们击穿烧坏;三是数显电压表V 接地线脱落后，试验变压器首端电压使其烧坏;四是如果接地线脱落时，试验人员正断开刀闸K 读取毫安表数据，会危及试验人员人身安全。
4 预防措施
针对此次交流耐压试验出现的故障情况，笔者从两个方面提出了预防措施：一是改善接地方法;二是改进毫安表接线和读数方法。
4.1 改善接地方法
在试验接地方面应采取以下预防措施： 一是对所有接地线与地网的连接采用螺栓等固定连接方式，且必须牢固可靠;二是不同设备的接地线其接地点不同，不能缠绕在一起接地，特别是被试设备的接地线与所有试验设备接地线应分开接地; 三是要求设备连接线或接地线的截面积足够大， 满足耐压时动稳定和热稳定要求;四是试验接好线后，应由专人进行检查，确认所有接线无误(包括是否牢固、对地距离、安全距离是否足够)后才能进行试验。
4.2 改进毫安表接线
本次试验中毫安表并联了一个刀闸K， 其作用是防止短路电流烧毁毫安表， 只有对毫安表读数才打开。从前面分析可知，试验过程中接地线脱落时试验变压器末端产生的高电压作用在刀闸和毫安表上会使其烧坏， 如果此时试验人员正打开并联刀闸K读数会危及试验人员人身安全。中试控股因此有必要对毫安表接线进行改进，可将刀闸K 改为LA 型常闭按钮，如图4 所示。此按钮在升压过程中是闭合的，只有在读毫安表时按下才打开，读完后自动闭合。读数时试验人员可站在一定的安全距离外用一根绝缘棒按下AN 按钮，这档不会对试验人员造成伤害，如果看不清楚毫安表刻度，可用望远镜读数。
5 总结
(1)变压器交流耐压试验主要用于考核其主绝缘状况，试验时应将被试绕组短接加压，非被试绕组短接接地，以防绕组局部电位升高，损伤绝缘。中试控股本次试验虽然变压器低压侧绕组电压突然升高到66kV，但没有造成损坏事故。
(2)对变压器交流耐压试验所施加的电压较高，现场试验接线时要求设备间连接线、设备外壳接地线、非被试绕组接地线必须保证连接良好可靠，且所有试验接地线应不在同一处接地。本次试验中，由于电力变压器非试验绕组接地线接地不良， 产生的过渡过电压达到试验电压的2 倍，烧坏了试验设备。
(3)交流耐压试验过程中读毫安表时，断开其并联刀闸可能危及人身安全， 可采用LA 型常闭按钮代替并联刀闸，站在安全距离外用绝缘棒操作按钮。
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