一次变压器工程事故的理论解读和反思
中钢集团吉林机电设备有限公司的研究人员刘天明，在2015年第5期《电气技术》杂志上撰文，当变压器发生故障后，根据故障现象和结果并运用正确的理论方法对故障后所有的试验检测数据进行综合分析，抓住主要矛盾，找出关键所在，如有可能与非故障时的相关同项试验检测数据记录进行对比，从而对故障状态和结果进行正确判断与描述，对制定出符合实际的检修方案具有指导性的作用和意义；做好总结便于今后借鉴。
某石墨电极厂的采用双反星型整流电路、六脉波、大电流整流二极管前没有任何保护措施的整流机组（图一），在更换A相一只被击穿的整流二极管后合闸送电，发生了采用27级有载正反调压方式调压的9000kVA整流变压器的压力释放阀喷油和重瓦斯报警并跳闸的工程事故。
事故后对该整流变压器分别做了高压线圈（含调压线圈）直流线电阻测量（表二）和变压器油色谱检验（表一）及吊芯检查（1），其结果如下。
表一 变压器故障后的变压器油色谱分析结果（2014年12月）
|
项目 |
结果 |
|
|
1 |
H2（μL/L） |
60.71 |
|
2 |
CH4（μL/L） |
27.24 |
|
3 |
C2H6（μL/L） |
6.52 |
|
4 |
C2H4（μL/L） |
72.96 |
|
5 |
C2H2（μL/L） |
106.89 |
|
6 |
CO（μL/L） |
100.07 |
|
7 |
CO2（μL/L） |
1046.5 |
|
8 |
总烃（μL/L） |
213.61 |
表二 变压器故障后的高压线圈直流线电阻测量结果（2014年12月）
|
AB（Ω） |
BC（Ω） |
CA（Ω） |
|
|
1 |
1.698 |
1.265 |
1.699 |
|
2 |
1.676 |
1.241 |
1.666 |
|
3 |
1.660 |
1.218 |
1.657 |
|
4 |
1.632 |
1.200 |
1.632 |
|
5 |
1.608 |
1.173 |
1.611 |
|
6 |
1.586 |
1.150 |
1.588 |
|
7 |
1.562 |
1.130 |
1.564 |
|
8 |
1.541 |
1.104 |
1.540 |
|
9 |
1.531 |
1.084 |
1.516 |
|
10 |
1.495 |
1.060 |
1.500 |
|
11 |
1.472 |
1.039 |
1.472 |
|
12 |
1.449 |
1.016 |
1.452 |
|
13 |
1.427 |
0.994 |
1.430 |
|
14 |
1.402 |
0.966 |
1.402 |
|
15 |
1.425 |
0.994 |
1.428 |
|
16 |
1.445 |
1.014 |
1.450 |
|
17 |
1.469 |
1.038 |
1.473 |
|
18 |
1.493 |
1.060 |
1.494 |
|
19 |
1.516 |
1.081 |
1.520 |
|
20 |
1.540 |
1.105 |
1.540 |
|
21 |
1.557 |
1.128 |
1.564 |
|
22 |
1.589 |
1.150 |
1.586 |
|
23 |
1.607 |
1.173 |
1.608 |
|
24 |
1.631 |
1.196 |
1.630 |
|
25 |
1.650 |
1.217 |
1.654 |
|
26 |
1.672 |
1.236 |
1.675 |
|
27 |
1.695 |
1.263 |
1.697 |
（1）高压侧B相低压线圈出头有两处向外弹出高度约20毫米的变形……。
表三 变压器非故障时的高压线圈直流线电阻测量结果（2014年9月）
|
AB（Ω） |
BC（Ω） |
CA（Ω） |
|
|
1 |
1.341 |
1.344 |
1.341 |
|
2 |
1.317 |
1.320 |
1.316 |
|
3 |
1.294 |
1.296 |
1.293 |
|
4 |
1.269 |
1.272 |
1.269 |
|
5 |
1.246 |
1.247 |
1.245 |
|
6 |
1.221 |
1.224 |
1.220 |
|
7 |
1.199 |
1.200 |
1.198 |
|
8 |
1.174 |
1.176 |
1.174 |
|
9 |
1.154 |
1.154 |
1.152 |
|
10 |
1.125 |
1.128 |
1.125 |
|
11 |
1.103 |
1.104 |
1.103 |
|
12 |
1.078 |
1.081 |
1.078 |
|
13 |
1.055 |
1.057 |
1.055 |
|
14 |
1.027 |
1.027 |
1.026 |
|
15 |
1.054 |
1.057 |
1.054 |
|
16 |
1.078 |
1.081 |
1.078 |
|
17 |
1.101 |
1.104 |
1.102 |
|
18 |
1.124 |
1.127 |
1.124 |
|
19 |
1.148 |
1.152 |
1.149 |
|
20 |
1.172 |
1.175 |
1.172 |
|
21 |
1.196 |
1.199 |
1.197 |
|
22 |
1.219 |
1.221 |
1.219 |
|
23 |
1.244 |
1.246 |
1.244 |
|
24 |
1.268 |
1.270 |
1.268 |
|
25 |
1.292 |
1.294 |
1.293 |
|
26 |
1.315 |
1.317 |
1.315 |
|
27 |
1.340 |
1.342 |
1.341 |
图一 整流系统示意图和整流输出波形示意图如下
分析判断：由高压侧的B相低压线圈出头有两处向外弹出高度约20毫米的变形（1），可解读出——B相低压线圈在故障时受到了大于额定电流的冲击。由故障后高压线圈直流线电阻测量结果（表二）可知——变压器故障后的高压线圈（包括调压线圈）直流线电阻严重不平衡。
表四 应用IEC三比值法［1］对故障后变压器油的色谱分析数（表一）可导出下表计算结果
|
比项 |
数据 |
计算结果 |
编码结果 |
|
|
1 |
C2H2/C2H4 |
106.89/72.96 |
1.47 |
1 |
|
2 |
CH4/H2 |
27.24/60.71 |
0.45 |
0 |
|
3 |
C2H4/C2H6 |
72.96/6.52 |
11.19 |
2 |
由应用IEC三比值法的计算结果（表四）可以推断出变压器的电路部分有承受高能量作用后留下的故障点存在；由特征气体C2H2的含量=106.89（μL/L）（表一）可推得故障点的温度可能＞1000℃。
由变压器故障后的高压线圈直流线电阻测量结果（表二）可导出下列计算式成立：
由上述计算可以解读出：
（A）调压线圈的直流线电阻=｛0.296、0.293、0.299、0.297、0.297、0.295｝Ω，去除调压引线长度不等的结构原因后，调压线圈的直流线电阻平衡，初步判断调压线圈没有故障。
（B）高压线圈（不包括调压线圈）直流线电阻不平衡，初步判断故障点位置在高压线圈。
由非故障状态时变压器的直流线电阻测量结果（表三）可导出下列计算式成立：
由（B）计算可以解读出：
（C）非故障状态时调压线圈的直流线电阻=｛0.314、0.313、0.317、0.315、0.315、0.315｝Ω，去除调压引线长度不等的结构原因后，调压线圈的直流线电阻平衡。
（D）用动态的方法引进合理因子去除9月和12月环境温度影响因素，对比用间接计算法得到的变压器在故障状态和非故障状态情况下的各个调压线圈直流线电阻相等，由此可确切判断出调压线圈没有故障。
由变压器在非故障状态时的直流线电阻测量结果（表三）可以判断出变压器的高压线圈直流线电阻=｛1.027（RAB14）、1.027（RBC14）、1.026（RCA14）｝Ω（9月天气温度的测量值），由变压器故障后的直流线电阻测量结果（表一）可以判断出变压器的高压线圈直流线电阻=｛（1.402（RAB14）、0.966（RBC14）、1.402（RCA14）｝Ω（12月天气温度的测量值），引进合理因子去除环境温度的影响，将变器故障前后的两者高压线圈线电阻数据相比对，可以解读出BC两相高压线圈的线电阻两次测量结果几近相等，由此可以判断出高压线圈的故障点在A相线圈。
（E）在判定故障点就在高压A相高压线圈的同时，依据变压器故障后测量的高压线圈线电阻（表二）RAB、RBC、RCA的相关数据，有下列计算式成立：
RAB/RBC≈RCA/RBC≈（1.342~1.451）≠1
因为三相高压线圈的导体长度LA=LB=LC、有效工程导电截面积SA=SB=SC，根据导体电阻公式R=ρ*L/S，可以判断出线圈故障点的有效工程导电截面积有一定程度的减少。
（F）由高压侧B相低压线圈出头有两处向外弹出高度约20毫米变形（1）的吊芯结果和整流输出波形示意图（图一），可以判断出故障爆发时间位于输出的波头至1/2波段之间。
综上所述，本次变压器工程事故的原因应是——因整流系统的整流二极管前端没有配置快速熔断器和其它保护设施（图一），当A相整流二极管击穿后形成了低压AB两相线圈之间的瞬间短路，导致产生了大于额定电流数倍的短路电流，基于磁势相等原理，此时高压的A相线圈也产生了大于额定电流同样倍数的短路电流，如此大的短路电流同时以热和力两种方式作用于线圈，首先在各自线圈最薄弱处的绝缘轻度破裂炭化击穿，绝缘轻度破裂炭化击穿后，进一步的加剧短路故障向纵深发展，直至变压器从电源上切除为止。
变压器已无继续工作的可能，需要进行大修处理。
变压器解体后的检查结果如下：
（Ⅰ）B相低压线圈高压侧有两处出头向外弹出约20毫米的变形。
（Ⅱ）A相高压线圈下部第一段与出头间隔一挡处匝间短路，短路点的绝缘严重炭化并可见部分电磁线融化后飞溅的铜瘤（图二）。
（Ⅲ）上述结果与前述的判断结果吻合。
图二 变压器故障部位照片
反思：
本案例指向的整流系统，在整流二极管的前端没有设置应该有的快速熔断器和其它保护设施等，两台完备的整流柜被简单的24只整流二极管代替，在设备的投资阶段确实节省了一定的经济费用和空间占用，简化了系统的复杂性，也可为后期的设备安装和拆卸带来一定的方便，但同时也为后期的运行留下了极大的安全隐患。
如果本案例指向的整流系统的整流二极管的前端设置了快速熔断器和其它保护设施，就可能不发生本文开篇介绍的整流变压器的压力释放阀喷油和重瓦斯信号报警并跳闸的工程事故。
此时几只快速熔断器和其它保护设施之和的价值与变压器的大修费用和因工程事故停产造成的间接损失之和相比较，谁大谁小、谁轻谁重、谁重要谁非重要就已经很清楚了；留下的教训不仅深刻而且惨痛。
一套装置、一个流程、一项工程即一个系统不只是由一台（套）设备和一个工序（工艺）及一个子工程或者只有主要设备和关键工序及主体建筑就可实现并完全达到目的，还需要与之配套的相关设备设施和辅助工序（工艺）及其它建筑物构筑物，否则如此，暂时尚可或者一时尚可，纵观全局和长远，还是完善设备设施或工艺流程及整体建筑和整个系统为上策，如此将事半功倍。
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