摘要：通过对一起35kV变电站双绕组变压器遭受雷击损坏进行深入分析，找出故障原因，并提出加强绕组稳定性的技术措施。
关键词：变压器 雷击损坏 故障分析 技术措施
1 前言
近年来，由于出线短路故障，特别是因雷击造成出线短路而引起的110kV和35kV变压器损坏的事故频频发生，短路因素、变压器本身设计结构缺陷已居变压器事故损坏诸因素的首位，而造成变压器损坏的主要原因是由于变压器抗短路能力不足、变压器某些部位绝缘薄弱所致。下面是我公司德胜变电所一台2号主变因雷击短路损坏的故障情况浅析。
2 变压器基本情况
2.1 设备参数
2.2 设备运行情况
根据国家电网PMIS系统的数据统计，该变压器自2003年投运以来承受10kV出线侧故障8次，其中两次由于10kV近区故障造成该主变跳闸。最近的一次发生在2012年8月9日，由于“海葵”的影响，导致2号主变多条出线跳闸，该主变承受多次雷电波和短路电动力的冲击。
2.3 设备故障情况
保护动作情况：35kV德胜变电所2号主变本体重瓦斯保护、差动保护动作，主变两侧开关跳开，差动故障相为A相。
防雷设施情况：主变35kV、10kV进线侧均在避雷器保护范围内。
雷电活动情况：查阅公司雷电定位系统记录，德胜变35kV德胜线进线电源有雷电记录，雷电流126kA。同一时间主变发生故障后跳闸，检查变电所避雷器动作情况，发现该35kV进线避雷器B相动作，次数为1次。
在主变故障发生前，2号主变供电的10kV 121青松线发生线路故障。
3 变压器损坏原因分析与判断
3.1 主变压器电气试验分析
根据现场检查情况，综合分析主变本体重瓦斯保护和差动保护动作情况，初步认定本次故障主要为变压器本体内部故障。
1）主变压器本体绝缘油色谱试验结果如表1所示
表1 变压器故障后油色谱试验数值
2）主变压器高压试验结果
直流电阻试验：高压侧A相直流电阻偏高，A相绕组存在问题。试验数值如表2所示。
表2 变压器高低压绕组直流电阻试验数值
注：有载分接开关处于3档。
高压介质损耗试验：高低压线圈电容量存在负偏差，高压侧线圈电容器误差在-10%以上，低压侧线圈电容器误差在-8%以上。线圈电容量测试数值如表3所示。
表3 高压介质损耗试验数据
注：因受天气影响（下雨），介质损耗值为负值，所以只提供线圈电容值作比较。
低电压空载试验：由测试数据而得高压A相线圈存在问题测试结果如表4所示。
表4 低压侧低电压空载试验电流测量值
注：在低压线圈侧施加相间电源200V
变压器绕组变形试验：高压线圈B、C相频谱曲线较吻合，A相曲线相差较大。
3.2 主变压器现场吊罩分析
2012年8月21日，此台变压器在华鹏变压器厂进行了故障后的吊罩。吊罩后发现A相线圈的中段区有明显的故障点。下节油箱内发现有铜线烧断后掉下的铜渣，线饼内的垫条已全部掉出。
A相故障点 变压器整体状况
1） 短路电流对绕组的冲击
（1） 短路径向电动力对绕组的冲击
由于低压绕组靠近铁心，正常运行时负荷电流较大，雷击短路后短路电流可能会达到正常运行时的数十倍。线饼中的短路电流与绕组所处的轴向漏磁场相互作用产生径向动态短路电动力，该电动力沿线匝整个圆周分布并压缩线匝，力求使绕组向内收缩。而高压绕组位于低压绕组外侧，产生的径向短路电动力沿线匝整个圆周分布并拉伸线匝，力求使绕组向外扩张[1]。如果此电动力大于绕组本身临界许用机械强度，可能导致低压绕组向内部弯曲，而高压绕组向外弯曲，最终导致绕组的永久稳定性丧失损坏，损坏处一般出现在电动力最大的若干个线饼。
（2） 短路轴向电动力对绕组的冲击
线饼中的短路电流与绕组所处的径向漏磁场相互作用产生轴向动态短路电动力。如果轴向电动力过大，会导致绕组发生位移，致使线饼与线饼之间、线饼与垫块之间出现间隙。随着短路电流的周期波动，线饼与线饼之间、线饼与垫块之间组成的整体如同一个弹簧，幅值发生周期性变化，使得线饼与线饼、线饼与垫块不断发生碰撞，最终导致绕组匝间绝缘的损害，形成匝间短路[2]。而且，由于垫块一般由纤维纸板制成，是一种可缩性材料，如果轴向电动力过大，使垫块失去弹性形变，必然引起绕组线饼的松动，间隙增大，加大了对匝间绝缘损坏的程度[3]。
从A相故障点图中可以看出，中断点向上的第二段线饼轴向有明显的弯曲变形，这主要是由于绕组的第二段线饼在轴向和径向短路电动力的共同作用下導致该线饼的轴向失稳，致使线饼弯曲变形[4]。同时从下图高压线圈结构图可以看出，分接区在不同分接头下运行时，由于不同分接头位置上下不对称，对轴向电动力的影响较大。
高压线圈结构
2） 雷电波对绕组的冲击
变压器的波过程中，当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上会达到绕组首端的两倍[5]。由于短路电动力对绕组绝缘在不同部位的损坏程度不同，在一定程度上削弱了原来的绝缘强度。而第二段线饼距离中性点最近，最考验该段线饼的绝缘强度，该线饼也最容易被击穿。当雷电波强度大于该段线饼最薄弱的绝缘强度时，绝缘即被放电击穿，击穿后在附近产生大量的热量，烧坏了上部线饼的匝绝缘，从而引起匝间短路，促使故障进一步扩大。显然从A相故障图可以看出，制造厂家对此也有了考虑，将第二段线饼间的油道在原来的基础上放大了很多，以使产生的热量能尽可能的散发出去，但是由于油道的放大，在雷电波来袭时，此处的电压梯度也会比原来放大很多，导致的结果是产生的热量远大于未改造之前。
另外从下图的高压线圈结构也可以看出，该台变压器的高压线圈采用的是上下倒置的中性点调压结构，这种结构使得中断点两侧在正常运行时的电压差很大。
绕组的绕线采用梯度换位的方式，那么在导线弯折出可能会因为人为包扎绝缘、导线材质、轴向电动力作用等诸多因为导致该处绝缘比其他地方薄弱，导致绝缘击穿。因此该台变压器在结构设计上存在多方面不合理的隐患。
4 提高绕组稳定性的技术措施
（1）对垫块进行预压密化处理
采用预压密化处理即在使用绝缘垫块之前，首先给其施加一定的压力，使其密度增大，残余变形相应地减小，从而减小轴向浮动时的间隙大小，减少对绕组绝缘的损伤。
（2）将上下倒置的中性点调压绕线方式改为上下并联线圈中间抽头方式
原来采用上下倒置的中性点调压绕线方式，中性点反连接的断开处油隙，正常工作中要承1/2相电压，在绕组首端遭受雷电冲击时会承受大70%左右的冲击电压，因此绝缘的处理非常重。采用上下并联线圈中间抽头绕线方式之后，使得中断点两侧在正常运行时电压差较小，且在雷电波的冲击下，该处的电压梯度较低，同时分接区在不同分接头运行下，上下对称对轴向电动力的影响不大。
（3）在中性点加装避雷器
在中性点假装避雷器后，当雷电波来袭，电压升为首端绝缘的两倍时对地放电，降低雷電波陡度，尽可能的避免对与中性点电气距离最近绕组绝缘强度的损害，更好的保护绝缘。
（4）采用自粘换位导线
采用自粘换位导线是增加绕组抗扭曲机械强度的一种有效方式，在导线的绕制过程中应充分考虑到导线强度和刚度与短路应力的配合，首选半硬铜及自粘性换位导线。
（5）对绕组进行干燥处理
对绕组进行干燥处理之后绕组的轴向尺寸保持稳定。因为匝间绝缘和垫块的厚度受含水量的影响很大，进行干燥恒压处理之后，匝间绝缘和垫块就会在此过程中受压定型，将残余变形和轴向尺寸固定下来，确保绕组的轴向稳定性。
结语
以上是本人对35kV德胜变在遭受雷击之后变压器故障原因进行的分析，并提出了加强绕组稳定性的技术措施。
参考文献
[1] 李英，林刚，等.大容量自耦变压器的结构与短路性能[J].变压器，2002，39（3）：1-6.
[2] 朱维璐，刘振永，甄然.浅谈短路电流对变压器轴向稳定性的危害[J].变压器，2002，39（3）：22-24.
[3] 李英，董振华，等.特大容量变压器短路径向稳定性的模型模拟实验[J].变压器，2003，40（11）：1-7.
[4] 张亚杰，康爱花.SZ10_31500_35电力变压器高压绕组直接抽分接头结构分析[J].变压器，2010，47（4）：13-16.
[5] 周泽存，沈其工，方瑜，等.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2004.