辅助变压器非预期失电问题分析与处理

楼建勇

摘要：针对某核电厂220kV辅助变压器零序差动保护动作导致非预期失电问题，分别从继电保护装置、变压器本体绕组绝缘、共箱母线、中压开关柜电压互感器绝缘降级等方面进行分析和排查，找到了非预期失电的根本原因，并为后续厂用电系统变压器、共箱母线的设计、运行和维护提供参考。

关键词：220kV变压器；共箱母线；跳闸；接地故障

1事件简介

2020年8月10日13:00，某核电厂1号机组主控出现"ZAS-EY-XB04-86T4B1"、"ZAS-EY-XB04-86T4B4"等一系列报警，同时主控火警控制盘出现设备联动报警。主控检查发现G-ZBS-EZ02-1Q1（1号机辅助变压器220kV开关）跳闸，电动消防泵和柴油机消防泵全部启动，同时消防水箱A液位迅速下降。后经检查确定为220kV辅助变压器（以下简称辅助变）低压侧零序差动保护动作，进而导致220kV开关1Q1跳闸，同时触发火警保护信号引起消防水喷淋，机组厂用电系统丧失辅助电源，辅助锅炉房失去正式电源，机组运行可靠性降级。

2 厂用电源系统介绍

2.1 厂用电源中压系统接线

厂用电源中压系统接线及供电方式如图1所示。在正常运行工况下，厂用电源中压系统的1-6段中压母线由厂用变A/B提供电源（以下简称正常/优先电源），中压母线与变压器之间采用共箱母线进行连接，当厂用变A/B不可用时，通过快速切换、并联切换或残压切换的方式切至由辅助变A/B供电（以下简称辅助电源），其中快速切换、并联切换功能可以保证在正常/优先电源不可用(或退出运行)时厂用中压母线切换至辅助电源，切换过程厂用中压负荷不失电。辅助锅炉房内中压母线7、8段由辅助变压器B提供正式电源，辅助锅炉作为辅助蒸汽的重要来源之一，在没有主蒸汽的情况下（例如电厂初次启动），为电厂特定用户提供辅助蒸汽^[1]。

辅助变220kV开关跳闸将导致厂用中压电源系统丧失辅助电源，辅助锅炉房失去正式电源，影响厂用电源快速切换、并联切换功能实现，严重影响电站厂用电源系统的可靠性。

图1 厂用电源中压系统接线及供电方式

2.2 220kV辅助变压器

辅助变压器采用特变电工沈阳变压器厂生产的SFFZ10-CY-88000/230 型变压器，额定容量88MVA，变比为230kV/10.5kV，有载调压范围-12%-4%，冷却方式为强迫风冷。

辅助变铁芯采用三相三柱式结构采用高导磁、低损耗冷轧硅钢片叠积，铁芯和夹件分别通过套管接地。低压线圈采用双层螺旋式结构，高压线圈采用纠结连续式，线圈具有一定的整体强度和抗短路能力。有载调压开关通过开关头部与变压器顶盖相连接，为双电阻过渡型，切换方式为油中切换。

2.3 共箱母线结构

共箱母线结构包括母体铜导体、铝合金封闭外壳、绝缘子、氧化锌避雷器、紧固件及支撑结构，具有足够的机械强度，能保证在正常情况下连续运行，并在外部短路时仍保持其各自的功能而不会损坏。

2.4 零序差动保护

零序差动保护回路由变压器中性点侧零序电流互感器和变压器星型侧电流互感器的零序回路组成，此保护对变压器绕组的接地故障反应较为灵敏。零差保护不受变压器涌流及励磁电流的影响，不受变压器电流相移的影响，在变压器高压侧或低压侧发生接地故障时能快速动作。

3 故障原因分析

3.1 继电保护误动作

现场220kV辅助变压器继电保护装置采集零序回路电流信号，输入至故障继电器，若采集装置出现故障将会使采样信号不准确，从而导致故障继电器误动作，但辅助变同时配置两套相同保护装置，两套装置同时误动的可能性较小。经调取现场故障录波器记录，两台故障录波器均在同一时间启动，记录差动保护，因此可以排除继电保护误动可能性。

3.2 辅助变本体绕组绝缘降低

变压器绕组绝缘可靠是高压变压器安全运行的重要特征，若本体绕组绝缘降低将直接影响变压器绝缘性能。辅助变为有载调压式变压器，绕组接头与分接开关接触不良，变压器停送电或雷电波使绕组绝缘过电压、绝缘自然老化或局部绝缘损伤、绝缘油劣化，均有可能导致绕组绝缘降低，从而引发接地跳闸。

3.3低压绕组避雷器接地

辅助变低压侧避雷器采用无串联间隙式氧化锌避雷器，具备优良的伏安特性，在正常系统工作电压下呈现高电阻态仅有微安级电流通过，而在过电压大电流作用下呈现低电阻态，若变压器停送电或雷电波产生过电压条件下，避雷器电阻可能急剧下降，产生接地电流；或者避雷器瓷套发生老化产生裂纹，外部潮气侵入避雷器内腔导致避雷器绝缘下降，在正常工作电压下发生击穿接地，或者避雷器瓷套表面污秽物过多，在系统正常电压下击穿污秽物在避雷器表面形成爬电电弧，产生接地电流。

3.4 共箱母线存在接地点

辅助变低压侧出线通过三相共箱母线从室外变压器区域连接至室内8段中压母线进线柜内，整体跨度较大，距离较长，可能存在内部绝缘子老化或者连接件松动下坠，产生接地点，与金属外壳接地。此外，共箱母线曾实施过部分改造，导致共箱母线与空气直接接触，可能引入了部分潮湿气体，在箱体内形成凝露，累积到一定程度，可能导致内部母线接地。

3.5 中压母线进线柜电压互感器绝缘损坏

8段中压母线进线柜均配置电压互感器（简称PT），额定参数为 ,一、二次侧为星型直接接地，PT一次侧依靠梅花动触头与静触头可靠连接，若梅花动触头产生形变、磨损，将会导致触头接触不良，发热增加，异常高温环境可能会导致PT一次绕组绝缘下降、直阻异常，最终导致母线接地。

图2 原因分析故障树

4 故障原因确认及处理

4.1 故障处理

基于上述分析对辅助变本体绕组的绝缘介损、低压侧氧化锌避雷器、共箱母线、8段中压母线进线柜的电压互感器进行重点检查，检查发现共箱母线B4BY分支三相绝缘均低于验收标准10MΩ（故障处理记录见表1）。沿线检查，发现在B4BY分支厂房进线侧发现大量凝露积水，潮气严重，随即对箱内积水进行清理，搭设大功率风机吹扫，减少内部潮气，维持24小时后母线绝缘回升至10MΩ以上，拆开B4BY段共箱母线进线软连接，对其A/B/C三相进行耐压试验，无放电闪络现象。耐压前后绝缘无明显变化，确认绝缘良好后复役辅助变，运行状态良好，故障消除。

表1 故障处理记录

检查项目	检查结果
低压侧氧化锌避雷器表面检查、绝缘测量	无异常
辅助变低压绕组绝缘、介损测试	无异常。
ES-1至ES-8段进线PT一次绕组绝缘、直阻测试	无异常。
共箱母线绝缘检查	B4BY分支三相绝缘均低于验收标准10MΩ（A相：8.34 MΩ、B相;8.37 MΩ、C相：5.77 MΩ），其余分支母线无异常。

4.2 故障分析

共箱母线作为辅助变低压侧出线从室外区域连接至室内区域，长度较长,8段母线共有1520m，且部分区域存在较大倾斜角度，在室外进入室内部分存在L型垂直攀升部分，室内外存在温差，夏季温差最大（室内恒温22℃左右，室外共箱母线金属外壳在夏季阳光直射下可以达到55℃以上）且该区域位于海边，空气湿度常年在60％以上，容易产生凝露，若潮气渗入共箱母线箱体内，在室内外交界处热空气接触到温度较低的箱壁极易产生凝露，凝露通过重力作用聚集在共箱母线底部，造成母线接地。

4.3 改进建议

（1）对共箱母线厂房进线侧进行保温材料包裹。根据凝露产生曲线，空气与环境温差越大，越容易产生凝露。厂房进线侧温差最大，对厂房进线侧共箱母线进行保温材料包裹后，一方面可以避免阳光直射造成的母线箱体温度过高，另一方面保温区域可以对箱内热气体进入低温厂房前进行缓冲，由于气体热平衡，高温气体进入保温区后温度将会缓慢下降至进线侧室温。减少空气与环境的温差后，凝露也会相应减少。

（2）搭设微正压干燥环境。使用干燥气体，在靠近共箱母线室内外交界处搭设微正压干燥环境，由于空气湿度极低，在较大温差下也不会产生凝露。

（3）设置吸潮包。在共箱母线内分段设置吸潮包，降低共箱母线内空气湿度，并定期更换吸潮包。根据季节特性和吸潮包的有效性，可以考虑在三四月梅雨季节和八九月高温天气两个凝露高发时期进行更换。

（4）增加盖板气密性。共箱母线盖板气密性差会导致外部潮气进入，增加箱内空气湿度。通过更换盖板密封垫圈、间隙打胶等方式可以增加盖板气密性，营造相对密封的环境，从而减少外部湿气进入。

5 结语

空气与设备温差大、空气湿度高均会导致凝露现象的发生，因此，高温天气和梅雨天气极易产生凝露，电气设备中的凝露将会导致元器件绝缘降低，严重情况下将会导致设备短路或者接地故障。本文对输电设备中的共箱母线的设计构造以及运行维护中如何避免凝露现象的产生提出了改进建议，为后续类似问题提供借鉴。

参考文献

[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京:原子能出版社,2010.