一起电力变压器雷电过电压事故分析

1事故经过
　　2003年8月22日，某变电所遭受雷暴袭击，12时43分该变电所66kV草通东线发生a、b相接地故障，保护动作跳闸，重合成功;同时2号主变(铝绕组薄绝缘变压器，型号为SFD一63000/220，双绕组结构，1976年出厂)轻、重瓦斯保护动作，主变两侧开关跳闸;66kVn段母线三相避雷器动作[FZ一63，残压值244kV(峰值)]。变电所系统简图如图1所示。
图一.doc
2现场检查试验情况
　　当天对2号主变进行检查，发现变压器压力释放阀、220kV中性点避雷器没有动作，主变本体无喷、漏油现象，外部检查未见异常。
　　从22OkV故障录波图显示故障持续时间约280ms，故障电流方均根值A相593名A，B相983.6A，C相416.4A。
　　气体继电器检测正常。绕组直流电阻测试无异常(见表1)。色谱试验表明变压器内部发生过高能量放电(见表2)。
　　采用频率响应法和低电压短路阻抗法对高低压绕组测试表明，绕组不存在明显变形。
为了确定变压器绕组绝缘是否损坏以及可能损坏的程度，进行了局部放电试验。测试中对高低压绕组同时进行监测。首先测试高压C相、低压c相，在低压bc加压。试验时发现在L3倍额定电压下，高低压局部视在放电量都很大，高压约为5000pC，低压侧约为4000pC。由于放电波形不稳定，很难比对高低压绕组放电量变化情况。测试高压A相、低压a相，在低压ca加压，施加电压约80%额定电压时，高低压绕组放电量突然增大，放电量达数万pC。于是降低施加电压，通过比对高低压绕组放电情况，认为很可能低压存在严重放电。随着时间的延长，放电趋于稳定，但高数值放电仍然时常出现。测试高压B相、低压b相时，高低压绕组均没有出现大的放电量，放电量为18OpC。重新测试高压C相、低压C相时，发现高低压绕组的放电量均已经很小，约为200PC。而重新测试高压A相、低压a相时仍然有幅值很大的放电波形时常出现。综合分析可以认定高压A相出现的大幅值的放电波形是低压a相传递过去的，低压a相局部纵向绝缘存在严重的损坏情况。第一次测试高压C相出现的大幅值放电波形实际也是从低压a相传递过去的。只不过随着加压时间的延长，损坏的匝间毛刺变小，低压a相起始放电电压上升，使得重新测试C相时低压a相放电量大大降低(这时低压a相施加的电压只有65%匝电压)。
　　局部放电试验后，进行了色谱试验(见表3)。由表3可见，CZH:数值有了较大的增长，从侧面说明了局部放电试验时变压器内部发生严重放电。

3解体检查

　　从图2可以看到，低压a相绕组部分匝间绝缘烧损严重，上数第11、12层，烧损处宽scm，匝间、股间均有烧损，股间有7一8股短路，烧蚀深度约smm。
从图3还可以看到另一处的烧损情况，低压a相上数第2层绝缘也已经烧损，且附近有大量积碳。
4事故过程及原因分析
　　输电线路上出现的雷电过电压有两种形式，一种是感应雷过电压，另一种是直击雷过电压。比较感应雷与直击雷的特点，从三相避雷器同时动作的特征看，此次雷击更符合感应雷过电压的特点。
　　当雷电波人侵到避雷器后，阀式避雷器动作。加在变压器66kV侧上的电压为避雷器残压。由于避雷器距离变压器有一段距离，因此变压器承受的最大冲击电压实际上要大于避雷器残压值。理论分析与实测均表明，避雷器动作后施加在变压器上的电压具有振荡的性质，其振荡轴为避雷器的残压。这是由于避雷器动作后产生的负电压波在避雷器与变压器之间多次反射而引起的。这种波形与全波相差较大，对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近。实测表明，在相同幅值情况下，截波作用时绕组的最大电位梯度将比全波作用时为大。因此常以变压器绝缘承受截波的能力来说明运行中该变压器承受雷电波的能力。当雷电波人侵变电所时，若变压器受到的最大冲击电压值小于变压器本身的多次截波耐压值(见式1)，则变压器不会发生事故;反之，则可能造成雷害事故。

　　变压器受到人侵波后，其内部将发生极其复杂的过渡过程。为便于定性分析，将变压器单相绕组简化等值为纵向电容、对地电容与电感组成的等值网络，以直角波人侵时的情况为例进行分析。对于普通连续式绕组，无论末端开路还是接地，沿绕组的初始电位分布近似简化为:

　　对于普通连续式绕组来说(事故变压器66kV侧绕组即为这种形式)，无论是其末端接地还是开路，其初始电位分布可近似看成相同的。绕组中的初始电位分布是很不均匀的。初始电位分布不均匀的原因是因为对地电容的存在，大部分电位降落在绕组首端附近，绕组首端的电位梯度最大。在初始瞬间，绕组首端的电位梯度为平均电位梯度的a倍。因此，绕组首端绝缘相对来讲是最容易被破坏的。在此次事故中，变压器绕组实际损坏情况也符合这一点。
　　由于绕组中初始电位分布与稳态电位分布不同，因此从初始分布到稳态分布必然有一个过渡过程，电感与电容的存在又使得此过渡过程必将具有振荡性质。振荡过程与作用在绕组上的冲击电压波形有关。冲击电压波头时间越短，上升速度越快，初始电位分布与稳态电位分布就相差越远，振荡过程也就更加激烈，绕组各点对地的最大电位和纵向电位梯度也将较大。所以降低人侵波的陡度对绕组的主绝缘特别是纵绝缘的保护很重要。此外，冲击电压波波尾的长短对振荡过程也是有影响的，若波尾较短，则振荡过程发展不充分，外加冲击电压幅值已有较大衰减，故绕组各点的对地最大电位也会较低。
　　改变初始电位分布，使之接近稳态电压分布可以降低绕组各点在震荡过程中出现的最大电位与最大电位梯度。常用的措施一是采用补偿对地电容影响的办法，因为对地电容是引起绕组初始电位分布不均匀的主要原因;二是采用增加纵向电容的方法使绕组对地电容的影响相对减小。
　　对于三角接线，因绕组对冲击波的阻抗远大于线路波阻，所以当一相进波时，变压器其它两个端点可视为接地，其情况与末端接地的单相绕组相同。两相或三相进波时可以采用叠加法，这时绕组中部对地最高电位可达2倍稳态电压值。
　　另外，当冲击波人侵时，由于绕组间的电磁祸合，因此其它绕组会出现静电分量和电磁分量的传递过电压。但对本文中所涉及的变压器影响很小，故不进行详细分析。
　　电站式阀式避雷器在相当范围内的雷电流作用下残压值是大致相同的。既然三相避雷器同时动作，角形接线的三相绕组也应该遭受同样的冲击波作用，但为什么只有a相绕组绝缘遭到破坏，其它两相绝缘完好呢?其主要原因是除了三相避雷器特性之间存在个体差异引起冲击波时间上的差异外，更主要的是变压器经过20多年的运行，三相绕组绝缘已经老化，三相绕组绝缘强度存在差异，尤其是低压a相绕组最为薄弱。
5结论
　　通过以上分析可以看出，雷电冲击引起三相阀式避雷器动作，以残压为中心轴的冲击波是破坏变压器66kV侧绕组纵绝缘的直接原因。当纵绝缘不可恢复地受到破坏后，22OkV侧(电源侧)尚未跳闸，施加在匝间的工频电压引起强烈的电弧放电，进一步使匝间绝缘遭到破坏，导线严重烧蚀。电弧放电使绝缘油裂解产生大量气体，造成重瓦斯保护动作，变压器跳闸。此外，引起三相避雷器同时动作的很可能是感应雷过电压，感应雷过电压与地形有较密切的关系，知道这一点对当地的防雷有一定意义。