變壓器運行異常發(fā)熱問題分析

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摘要：文章分析了變壓器在運行過程中異常發(fā)熱的原因，避免因過熱產(chǎn)生安全隱患，提高運行可靠性。

關(guān)鍵詞：變壓器；發(fā)熱異常；缺陷；

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運行穩(wěn)定關(guān)乎到整個國民經(jīng)濟的發(fā)展。變壓器運行時鐵芯通過渦流損耗和磁滯損耗產(chǎn)生鐵耗，載流導(dǎo)體通過其自身電阻產(chǎn)生銅損，鐵耗和銅損即為變壓器運行時產(chǎn)生的熱量。在產(chǎn)生熱量的同時，變壓器又通過傳導(dǎo)和輻射等方式消耗熱量。正常狀態(tài)變壓器的發(fā)熱與散熱時時平衡，溫度趨于穩(wěn)定。但變壓器本身部件的異常及缺陷會影響上述熱平衡關(guān)系，使變壓器的溫度發(fā)生變化。

1.載流導(dǎo)體

變壓器運行時，載流導(dǎo)體在傳輸能量的同時產(chǎn)生銅損。變壓器的T型等效電路如圖1所示。

圖1 變壓器T型等效電路

通過對圖1分析的可知，正常運行時變壓器的銅損為：

當(dāng)載流導(dǎo)體有異常及缺陷時，銅損會增加，引起變壓器發(fā)熱。同時，載流導(dǎo)體的發(fā)熱可能會產(chǎn)生其他促進變壓器的溫升的異常及缺陷。

1.1 匝間短路

匝間短路是指同一線圈相鄰幾匝由于絕緣損壞（縱絕緣損壞），使匝數(shù)減少，同時形成一個獨立于線圈的閉合環(huán)路。匝間短路的情況如圖2 所示。

圖2 匝間短路

發(fā)生匝間短路時，短路的閉合環(huán)路包圍了鐵芯內(nèi)的主磁通。僅作定性分析時，可以把變壓器一次所接系統(tǒng)視為理想電壓源。由于一次電壓U1短路前后沒有變化，所以一次繞組感應(yīng)電動勢E1及主磁通фm未變。фm在閉合環(huán)路上的感應(yīng)電動勢為E′=-n×dфm/dt（n為短路匝數(shù)），由于短路環(huán)路的電阻很小，所以感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的電流很大，使短路匝附近溫度升高。局部的高溫又會導(dǎo)致油的劣化加快、鐵芯絕緣和接地遭到破壞等新的情況，這些情況會進一步促進變壓器的溫升。

1.2 繞組變形

變壓器的繞組變形是指繞組在電動力和機械力的作用下，繞組的形狀尺寸發(fā)生的不可逆的變化。它包括軸向和縱向的變化，軸向變化對主絕緣造成損壞，縱向變化對縱絕緣造成損壞，這些損壞會導(dǎo)致局部放電，產(chǎn)生熱量，同時會造成匝間短路等新的情況，這些情況會進一步促進變壓器的溫升。

1.3 套管內(nèi)引線與內(nèi)壁靠接

當(dāng)套管內(nèi)裸露引線和套管相靠接時，就會形成一個閉合環(huán)路，如圖3所示。

圖3 套管內(nèi)引線與內(nèi)壁靠接

當(dāng)引線流過電流I時，其周圍產(chǎn)生磁場，交變的磁場會在閉合環(huán)路中感應(yīng)電動勢E=-dф/dt，由于I很大，所以ф、E很大，且環(huán)路電阻較小，此時會產(chǎn)生很大的電流I′，引起局部高溫。

2.鐵芯

變壓器鐵芯是主磁通存在的物質(zhì)承擔(dān)著，在轉(zhuǎn)換能量的同時產(chǎn)生鐵耗。鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，磁滯損耗的大小與磁通頻率和磁滯回線面積有關(guān)，渦流損耗的大小與最大磁通密度和頻率有關(guān)。由圖1可知，正常運行時變壓器的鐵耗為：

當(dāng)變壓器鐵芯故障的時候，鐵耗會增加，引起變壓器發(fā)熱，同時可能會帶來新情況，促進變壓器的溫升。

2.1 鐵芯接地斷開或接地不可靠

變壓器運行時，帶電的繞組和引線在變壓器內(nèi)部形成一個不均勻電場，鐵芯和其他金屬構(gòu)件處在這個電場中，正常運行時，鐵芯接地。鐵芯不接地時的情況如圖4 所示。

圖4 鐵芯不接地的情況

由圖4可以知道鐵芯不接地時不同繞組之間，繞組于鐵芯之間，鐵芯與大地之間存在寄生電容。帶電繞組通過寄生電容在鐵芯和其他金屬構(gòu)件上產(chǎn)生懸浮電位，在空間上的不同位置所產(chǎn)生的懸浮電位不同。當(dāng)兩點間電位差達到一定值時就會產(chǎn)生火花放電，放電后兩點電位相等，放電停止后再產(chǎn)生電位差，接著繼續(xù)放點。這種連續(xù)的放電過程一方面會產(chǎn)生熱效應(yīng)。另一方面會造成變壓器油劣化和固體絕緣損壞，這些情況會促進變壓器的溫升。

2.2 鐵芯兩點及多點接地

變壓器正常運行時鐵芯有且只有一點接地。鐵芯兩點接地的情形如圖5 所示。

圖5 兩點接地的情況

由圖5可知，鐵芯的第二個接地點的會在鐵芯中形成一個閉合環(huán)路，它與鐵芯內(nèi)的磁通交鏈產(chǎn)生環(huán)流，此環(huán)流很大，有時候可達數(shù)十安。該電流會引起局部溫升，同時局部高溫會造成變壓器油質(zhì)劣化，鐵芯燒損，接地斷開等情況，對變壓器產(chǎn)生不良影響。

2.3 鐵芯硅鋼片絕緣損傷

變壓器鐵芯為了減小渦流損耗而采取絕緣的硅鋼片相互疊加的結(jié)構(gòu)，當(dāng)鐵芯硅鋼片絕緣損壞時，渦流損耗會增大，引起變壓器發(fā)熱，這種發(fā)熱原理類似于鐵芯兩點及多點接地的情況。

3.變壓器油

變壓器油的具體作用有以下幾點：油的絕緣強度大于空氣，增加了變壓器內(nèi)各部件的絕緣強度；油作為流動的液體充滿變壓器內(nèi)部，使得各部件無法與空氣接觸，避免了部件受潮氧化；變壓器運行時，繞組及鐵芯周圍的油受熱膨脹，相對密度減小而上升，經(jīng)冷卻裝置冷卻后再流入油箱底部，產(chǎn)生循環(huán)，帶走熱量；油的化學(xué)性能相對穩(wěn)定，保證變壓器內(nèi)部絕緣材料保持絕緣性能；油能熄滅電弧從而減少電弧的熱效應(yīng)；油的比熱大，是良好的冷卻劑。綜上所述，變壓器油的作用可以歸納為兩點：絕緣和冷卻。油的冷卻作用可以直接帶走變壓器產(chǎn)生的熱量，油的絕緣作用可以避免促進溫升的缺陷的發(fā)生。