2起干式變壓器燒毀的原因分析及對策

劉金亮

0 引言

隨著電氣化鐵路的發(fā)展，防火和環(huán)保的要求越來越高，土地價格的高漲又使變電所設(shè)計人員更加關(guān)注占地面積小、安全系數(shù)高的組合電氣設(shè)備。干式變壓器以其獨(dú)特的防火性能，在新建和改建的小容量組合變電站中列為首選，其應(yīng)用越來越廣泛，尤其在對防火要求高的地方更適宜使用干式變壓器。干式變壓器與油浸式變壓器相比，具有防火性能好，免維護(hù)，無污染，抗短路能力強(qiáng)，耐熱能力高，安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。但干式變壓器的價格比油浸式變壓器高，出現(xiàn)故障后不易修復(fù)也是不容忽視的缺點(diǎn)。在朔黃鐵路肅寧分公司管內(nèi)就曾經(jīng)發(fā)生2起干式變壓器損壞的故障，筆者希望通過對這2起干式變壓器損壞實(shí)例的分析，為干式變壓器生產(chǎn)廠家提供一點(diǎn)現(xiàn)場運(yùn)行資料并能和相關(guān)人員進(jìn)行交流。

1 事故及分析

1.1 第1起事故

1.1.1 事故起因過程

2008年5月2日10時16分，黃驊南變電所2#所用變壓器（下文簡稱所用變）所供交流盤突然斷電，經(jīng)巡視發(fā)現(xiàn)，2#所用變C相高壓繞組的絕緣體開裂，內(nèi)部流出黑色膠質(zhì)狀物體，經(jīng)試驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)，高壓A相繞組直流電阻值由原來的40.20 Ω變?yōu)?4.18 Ω，其余繞組狀態(tài)良好，初步分析認(rèn)為該變壓器的損壞系該繞組內(nèi)部匝間短路引起。

1.1.2 事故分析

該變壓器的損壞，由于當(dāng)時沒有留存圖片，只能采用文字描述。該變壓器損壞時并沒有出現(xiàn)絕緣物質(zhì)噴射現(xiàn)象，這說明該故障的出現(xiàn)經(jīng)歷了長時間的累積過程，損壞后測試低壓繞組的直流電阻與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，一直在12 mΩ，絕緣良好。低壓空氣開關(guān)容量選擇滿足過負(fù)荷跳閘要求，說明該故障與低壓回路無關(guān)。高壓繞組的損壞與繞組匝間絕緣不良導(dǎo)致局部介質(zhì)損耗增大，隨著時間的推移，運(yùn)行當(dāng)中過電壓的沖擊，其絕緣會進(jìn)一步下降，直到其局部絕緣電阻值小至能夠引起局部溫度比周圍溫度高的時刻，便是惡性循環(huán)的開始，發(fā)熱使絕緣進(jìn)一步下降，最終使溫度升高到超過135℃甚至更高時環(huán)氧樹脂開始熔化膨脹，由于絕緣厚度的存在，內(nèi)外溫度不一樣，致使內(nèi)外膨脹系數(shù)出現(xiàn)了嚴(yán)重的不一致，內(nèi)部壓力逐漸增高，導(dǎo)致外部不堪重負(fù)而開裂，繞組直接與空氣接觸，絕緣瞬間下降造成短路，高壓保險熔斷，故障結(jié)果產(chǎn)生。

1.2 第2起事故

1.2.1 事故起因過程

2010年6月2日8時18分，黃驊港配電所2#所用變在一聲沉悶的爆裂聲中損壞，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜的柜門因氣浪沖擊導(dǎo)致變形扭曲，觀察窗玻璃破裂，C相繞組絕緣體嚴(yán)重破裂，高壓側(cè)兩相6.3 A高壓保險熔斷，低壓繞組經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，繞組直流電阻由原來的12 mΩ變?yōu)? mΩ，黑色膠質(zhì)狀物體噴射至柜體的多個部位，空間彌漫著難聞的絕緣臭味。經(jīng)分析，該起故障的原因是因?yàn)榈蛪阂鼍€短路故障所致。

1.2.2 事故分析

發(fā)生故障的干式變壓器為2002年10月20日投入使用，運(yùn)行環(huán)境與2008年損壞的變壓器運(yùn)行在同一個電網(wǎng)當(dāng)中，類似的還有3臺SG8-50/10型干式變壓器分別使用在其他配電所。設(shè)計安裝在10 kV高壓開關(guān)柜的最下層間隔內(nèi)，處于密閉狀態(tài)，接線組別為 Dyn1，其主要功能是為配電所提供自用電，平時運(yùn)行負(fù)荷很小，不足容量的10%，故障后內(nèi)部有液體狀物體噴射在柜體周圍，保險兩相熔斷。圖1（均為2010年6月2日拍攝）是損壞的10 kV所用變側(cè)面圖，經(jīng)分析認(rèn)為造成故障的原因是變壓器的設(shè)計制造工藝不合理所致。

圖1 損壞的10 kV所用變側(cè)面圖

從圖1中燒毀的地方可以看到，內(nèi)部繞組的顏色已由原來的黃褐色漆包線變成了鐵青色，說明在變壓器爆裂燒毀之前內(nèi)部產(chǎn)生了高溫。其原因是內(nèi)部發(fā)生了匝間短路，殼體的損壞是由于內(nèi)部靠近繞組的部分熔化后體積變大而內(nèi)部壓力超過外部構(gòu)成容器壁的耐受能力所致。從工藝上看，該變壓器的制造工藝比較粗糙，低壓引出線纏繞的是普通的防水膠帶，而且間距很小，火線和零線幾乎密貼在一起，由于已經(jīng)燒毀不能做十分深入的分析，但低壓繞組的直流電阻值變小，由原來的 12 mΩ變?yōu)? mΩ，可以說明當(dāng)時的變壓器低壓側(cè)存在短路現(xiàn)象，由于低壓側(cè)引出線絕緣不良造成短路，然后高壓繞組處于過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，最終導(dǎo)致變壓器因過熱燒毀。另外，該變壓器高壓保險容量選擇不合適是事故范圍擴(kuò)大的另一原因。設(shè)計采用6.3 A熔斷器作為保護(hù)，該變壓器的額定電流為2.88 A，作為短路保護(hù)和躲過送電時的勵磁涌流，6.3 A的選擇是沒有問題的，但出現(xiàn)過負(fù)荷時就起不到保護(hù)作用，這也就是造成高壓繞組損壞的第3個原因。

2 對策

2.1 增加必要的保護(hù)

干式變壓器以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和免維護(hù)運(yùn)行特點(diǎn)受到了絕大多數(shù)人的歡迎，但是致命的缺陷就是過載能力較差，容量偏小，制造工藝復(fù)雜，絕緣材料膨脹系數(shù)較小，高寒地區(qū)不宜使用。干式變壓器一旦出現(xiàn)故障，故障線包只能報廢，絕緣材料不能重復(fù)利用，因此，干式變壓器必須在出現(xiàn)問題之前進(jìn)行預(yù)防才能有效的防止事故的擴(kuò)大。因干式變壓器損壞的真正原因多是絕緣損壞導(dǎo)致繞組燒毀，所有的變壓器損壞都與繞組溫度過高有關(guān)，即使是油浸式也是如此。如果能夠監(jiān)視變壓器的負(fù)荷狀況，防止過負(fù)荷，并納入報警回路，發(fā)生故障的幾率則會大大下降。

2.2 加強(qiáng)溫度的實(shí)時監(jiān)測并使用通風(fēng)散熱裝置

干式變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命，很大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全可靠。繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器不能正常工作的主要原因之一，因此對變壓器運(yùn)行溫度的監(jiān)測及其報警控制是十分重要的。容量較小的變壓器因其造價較低，可能會在這方面的投資較小，甚至不設(shè)溫度監(jiān)測，這都給變壓器的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，貼示溫蠟片不失為一選擇，但是需要運(yùn)行人員的精心觀察。因上述2臺變壓器的損壞都在繞組的中上部，許多廠家的溫度傳感器都裝在繞組的頂部，并不能準(zhǔn)確反映變壓器的器身整體狀況，最好是利用紅外線測溫裝置進(jìn)行報警，可以對變壓器的過熱點(diǎn)及時反應(yīng)。這2臺燒毀的變壓器不屬于環(huán)境過熱，高壓室有制冷設(shè)備，當(dāng)時的環(huán)境溫度也只有22 ℃，因此屬于變壓器內(nèi)部故障，但是局部過熱是存在的。如果有溫度監(jiān)測設(shè)備，能夠監(jiān)測局部過熱，及時增加通風(fēng)散熱，及時提醒運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)故障的存在，故障或許可以避免。

2.3 建議加大繞組間絕緣間隙

干式變壓器在試驗(yàn)中，主要是測試?yán)@組的直流電阻、絕緣和工頻耐壓、局部放電等指標(biāo)，現(xiàn)場做局部放電幾乎不具備條件，尤其是電氣化鐵路，干擾嚴(yán)重。工頻耐壓屬于破壞性試驗(yàn)，一般運(yùn)行中不建議對干式變壓器實(shí)施該項目，而絕緣電壓的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使變壓器燒毀了，在進(jìn)行絕緣檢測時，仍然是完好的，不能準(zhǔn)確反映繞組內(nèi)部的絕緣狀況，因?yàn)橐话愣际窃诶@組對地和高低壓繞組之間做絕緣試驗(yàn)，不能反映匝間的情況。局部放電是最好的檢測手段，直流電阻試驗(yàn)因其試驗(yàn)結(jié)果一旦出現(xiàn)異常，變壓器基本處于損壞的邊緣狀態(tài)，且一般的低壓繞組只有十幾個毫歐，高壓繞組對于50 kV·A的變壓器一般在40 Ω左右，即使有一匝的絕緣不良，也未必能準(zhǔn)確的反應(yīng)出來。所以建議生產(chǎn)廠家在繞制繞組時應(yīng)該給繞組的匝間留有足夠的絕緣間隙，這樣雖然會使變壓器的體積有所增加，但是損壞的幾率可能為零。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，體積較大的干式變壓器運(yùn)行時間比體積較小的變壓器時間長，在朔黃鐵路肅寧分公司管內(nèi)的19臺干式變壓器（分屬4個廠家）中，只有體積小的損壞，建議加大干式變壓器的幾何尺寸，這樣，不僅絕緣水平可以提高，而且散熱效果也會大大改善。

3 結(jié)束語

上述2起變壓器故障，1起為高壓繞組本身故障，另1起為低壓繞組引出線故障引起的高壓繞組損壞。尤其是第2起故障，變壓器本體的低壓側(cè)繞組引出線發(fā)生短路故障導(dǎo)致高壓繞組過載發(fā)熱而損壞，設(shè)備在運(yùn)行中因其處于密閉的狹小的空間內(nèi)導(dǎo)致熱量不易散發(fā)，加速了防水絕緣膠帶的老化龜裂最終導(dǎo)致短路。而設(shè)備在制造過程中過分考慮空間的適應(yīng)性而忽略了其應(yīng)有的絕緣幾何尺寸，最終導(dǎo)致變壓器的壽命縮短，在故障中被淘汰。在故障發(fā)生后，肅寧分公司將開關(guān)柜的觀察窗改為通風(fēng)孔，變壓器在最熱時，60℃的試溫蠟片不再變色，鐵心溫度也在 70℃以下，同時對低壓引出線進(jìn)行絕緣加固，截止目前，變壓器運(yùn)行狀況良好。可見，干式變壓器安裝在散熱、通風(fēng)良好，空間較大的間隔內(nèi)是可以避免故障再次發(fā)生的。

另外，干式變壓器的故障由于沒有可重復(fù)性，所以，筆者的分析不一定正確，望同行批評指正。