空冷电厂一起变压器平衡绕组故障的分析及处理

李泽财，程中岳，李喜荣，潘乐宏，袁兰成

(华能铜川电厂，陕西 铜川 727100)

0 引言

我国北方地区水资源比较匮乏，在火力发电项目中，要加强对传统的水循环冷却系统进行技术更新，在技术更新过程中，开始采用空冷岛风冷技术。空冷岛空冷风机较多，能耗比较大，为了节能，风机采用变频装置，效果较好。但是，大量的变频负荷会产生各次谐波，影响电动机正常运行，还会导致设备绝缘发热而降低寿命，甚至会使设备发出啸叫声，对周围电子产品影响很大。带有平衡绕组的变压器可有效滤除三次谐波，对于改善电压波形有着重要意义。然而，一方面由于国家相关标准中未对变压器平衡绕组额定容量、额定电压等参数作出明确规定，在工程设计中一般以经验值为依据;另一方面，平衡绕组在变压器中处于较为隐蔽的位置，检修维护人员对其了解甚少，在检修试验项目中也没有安排相关检修内容，变压器平衡绕组的监督管理存在漏洞，为变压器安全运行埋下了隐患。因此，对变压器平衡绕组的分析研究是十分必要的。

1 系统概况

某电厂600 MW空冷机组配备4台干式变压器及4段低压工作母线为空冷变频风机供电。每段接14台变频风机，每台机组共计56台风机。空冷变压器额定容量为2 500/2 500/625 kV·A，额定电压为6300/400/1300 V，有2种接线方式，一种连接组标号为Yyn0+d(如图1所示)，另一种连接组标号为Dyn11。变压器配备珠海拓普公司生产的TOP9720C－14H型差动保护装置。

图1 Yyn0+d变压器接线原理

2 平衡绕组的作用

(1)当变压器进行Yy连接时，绕组中不可能有三次谐波电流，此时的励磁电流为正弦波而磁通则为平顶波。其结果是感应的三次谐波电势数值可达基波电势的45% ～60%［1］，使相电势的最大值升高很多，波形呈尖顶波，威胁着绕组的绝缘安全。当附加1个平衡绕组后，情况发生了根本的变化。平衡绕组能够使铁芯磁通和电势接近正弦波，且三次谐波电流可借助三角闭合绕组流通，减少变压器的局部过热。电厂空冷风机较多，能耗比较大，为了节能，风机采用变频装置。采用变频装置后，大量的变频负荷会产生各次谐波，造成电能质量下降。带有平衡绕组的变压器可有效滤除三次谐波。

(2)变压器运行时可能会出现负载不平衡、短路、断路等现象。这些现象的发生会导致变压器三相电压的不对称，根据对称分量法的原理，可以把任何一组不对称分量分解成一定大小、一定相位的一组对称的正序分量、一组对称的负序分量和一组零序分量。当变压器带有封闭三角形的平衡绕组时，此零序分量磁通将会在三角形绕组中感应出零序电势，同时感应出零序电流，零序电流与绕组的匝数乘积便形成了磁势。根据磁势平衡原理，它将阻止零序磁通在铁芯柱中的流通，提高了为不平衡负载供电的能力［2］。

3 事故分析

2009－04－23 T 16:32:15，某电厂#2机组#2空冷变压器在运行中跳闸。保护人员现场调取综合保护装置历史记录和电厂电气控制系统(ECS)历史记录(见表1)。16:32:14.870，#2机组#2空冷变压器比率差动动作，16:32:15.033，切除故障。表1中空冷变压器B1即为#2空冷变压器。A相差流，8.77 A;B 相差流，8.74 A;C 相差流，17.46 A。C 相差流正好是A，B相差流的2倍，保护人员马上注意到了这一点，而这一现象正好符合Y，d11接线变压器△侧两相短路特征。

该变压器的高压侧为电源侧，而低压侧为负荷侧，能够提供短路电流的只能是高压侧。而空冷变压器连接组为Yyn0+d，d侧又以a头b尾，b头c尾，c头a尾的形式连接成封闭三角形，因此Y，d接线为11点方式。那么，当三角形侧两相短路故障时，也可等效成常见的Yd11连接组别接线方式来进行分析。

分析变压器保护差流问题，要搞清楚在变压器一侧短路时另一侧电流的大小和相位。而分析变压器两侧短路电流的大小和相位，通常采用的计算方法即众所周知的对称分量法，但这种方法涉及相量转角，复数运算太繁，工程中不太实用［3］。为了方便变压器保护问题的分析，本文采用一种快捷的变压器两侧电流的转换计算方法。

为了使变压器短路分析简单清晰，采用以下约定和简化条件:

(1)由于短路分析的原始参数均为标幺值，通常短路计算也采用标幺值，上述各电流应理解为标幺值，单相双绕组变压器两侧电流有=的关系。

(2)因为变压器各侧电流标幺值的基值均为各侧额定线电流，对于Y，d11变压器，若△侧线电流(标幺值)为，则 Y 侧电流(标幺值=。

(3)电流正向定义采用减极性标注法，即一侧电流相量由极性端入，另一侧电流必由极性端出。这时两侧电流相量为同相位。图2中绕组极性端为A，B，C 和a，b，c，非极性端为 X，Y，Z 和x，y，z(在图2中未标出)。

(4)不计变压器励磁电流，可忽略负荷电流。

(5)完全不考虑电流互感器误差，以一次电流的分析代替二次继电保护电流的分析。

(6)因为差动保护中使用相电流，所以，短路分析尽可能从相电流入手，避免繁琐的对称分量移相计算。

如图2所示［2］，Yd11 变压器△侧 b，c两相短路，已知=0==，在 △ 侧绕组中，不一定从 极性端流出，那么在 Y 侧感应的

综上分析可以判断，平衡绕组发生了b，c两相短路。

表1 ECS#2机组 #2空冷变比率差动动作历史记录

图2 Y，d11变压器△侧bc两相短路示意图

4 现场检查情况

检修人员检查变压器本体发现#2空冷变压器B相铁芯头部有放电痕迹(如图3所示)。对变压器绝缘进行了检查未发现异常，对变压器高、低压侧绕组直阻进行测试也未发现异常。结合保护人员的分析结果，检修人员对变压器平衡绕组进行了检查。变压器解体后，发现平衡绕组B相烧损严重。

图3 #2空冷变平衡绕组B相绕组头部对铁芯放电灼伤照片

在正常运行时，平衡绕组的A相尾部(C相头部)已强制接地，平衡绕组B相头部故障会对铁芯放电，造成B相头部接地。这样，变压器平衡绕组侧就形成了b，c两相短路。故障现象与保护人员的分析结果相吻合。

5 结束语

Yyn0+d连接组变压器平衡绕组出现故障后，对差动保护装置记录动作值的特征进行了分析，从C相差流是A，B相差流2倍关系的分析着手，采用一种快捷的变压器两侧电流转换计算的方法，从理论上详细分析了一起较为少见的Yyn0+d连接组别变压器平衡绕组的故障。从现场检查情况来看，结果与分析相吻合。该方法可为故障定位、故障处理、快速恢复供电提供参考。

对返修后的变压器平衡绕组进行了扩容，由原来的625 kV·A扩容至800 kV·A(即由额定容量的25%变为32%)，变压器平衡绕组扩容后运行效果良好。国家标准中未对平衡绕组的容量作出明确的规定，国外一般按变压器额定容量的33%进行选取。总结带平衡绕组空冷变压器在电厂运行中的经验是十分必要的，在平衡绕组的设计时，应充分考虑直接空冷系统变频器谐波的影响，容量宜设计为变压器额定容量的1/3。

［1］辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学［M］.3版.武汉:华中科技大学出版社，2010.

［2］董景义，段玉柱，张贤国，等.平衡绕组在变压器中的作用及接线方式浅述［J］.变压器，2009，46(12):21.

［3］王维俭.发电机变压器继电保护应用［M］.2版.北京:中国电力出版社，2004.