35KV變電站站用變爆炸原因分析與解決方案的研究

馬軍輝

[摘要]變電站站用變是變電站的各種用電設備的電源，當其出現故障必然會給變電站的各種設備的正常運行帶來各種安全隱患。文章運用理論分析了導致35KV變電站站用變爆炸的原因，并提出了相應的解決方案。

[關鍵詞]站用變;爆炸原因;解決方案

引言

某單位35KV變電站備用站用變在2016年8月份突然出現爆炸。經過現場勘查發現，爆炸站用變的B相電源出現炸裂。站用變是變電站配電設備中較為重要的設備，它不僅是變電站照明、通風、冷卻、消防等設備的電源，而且還是配電設備控制電源的主要來源。當站用變出現故障不僅會給變電站的各項工作帶來較大的麻煩，而且還給變電站內的各項工作帶來較為嚴重的影響。

一、35KV站用變簡介

35KV站用變是變電站照明、冷卻、通風以及變壓器有載調壓和變壓器的冷卻風機提供電源，而且還是變電站配電設備直流屏的供電電源，其能否可靠運行對于整個變電站來說是至關重要的。

35KV變電站站用變是額定電壓為35KV/0.4KV三相樹脂澆注型干式變壓器。如圖1所示。

變壓器的繞組采用的是心式結構，其高壓、低壓繞組均做成圓筒形，同心地套在鐵芯柱上。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓繞組的外面，在高低壓繞組間采用樹脂澆筑進行絕緣。某單位所爆炸的備用站用變始終處于熱備用狀態，在熱備用狀態時其一次側只有勵磁電流存在，二次側處于空載運行狀態。

二、站用變爆炸原因分析

（一）什么是爆炸

為了分析站用變爆炸，我們首先了解什么是爆炸。爆炸就是指物質非常迅速的化學或物理變化過程，在變化過程里迅速地釋放出巨大的熱量并生成大量的氣體，此時的氣體由于瞬間尚存在于有限的空間內，所以會產生較大壓強。此較大壓強會對周圍的物體產生較大的壓力。當壓力大于周圍物體所承受的壓力時，就會產生爆炸。

（二）站用變爆炸原因

經過現場勘查爆炸站用變，發現爆炸站用變的B相一次側與二次側出現相間絕緣擊穿而引起的短路故障，進而導致站用變出現爆炸。當站用變高壓側與低壓側出現絕緣擊穿短路時會產生放電現象，在放電過程中會伴有發光、放熱現象的產生。在放電過程中產生的高溫能量會導致絕緣樹脂分解產生大量氣體，當產生的氣體較多、且在封閉的樹脂有限體積內會產生較大壓強，當氣體壓強超過樹脂的耐壓限度時，就會引起所用變樹脂絕緣層出現炸裂，也就是站用變出現了爆炸。由以上分析可以看出引起站用變爆炸的主要原因是站用變的高壓側與低壓側間樹脂絕緣的擊穿。導致樹脂絕緣的擊穿通常有三個原因：樹脂性能的變化，導致的耐壓不足引起的樹脂絕緣的擊穿;電壓高引起的樹脂絕緣的擊穿;樹脂在澆筑過程中內部出現工藝問題，導致的樹脂耐壓不足而引起的擊穿。

樹脂性能的變化，主要是指樹脂長期處于高溫環境中時引起的樹脂分子結構的變化。當樹脂分子在裂解過程中會釋放出氣體和其他絕緣性能較低的物質。此時當站用變加上額定電壓時就會引起高壓側與低壓側間的樹脂絕緣的擊穿，隨著故障的發展最后導致站用變發生爆炸。

外電電壓高引起的樹脂絕擊穿可能性通常是比較小的，由于樹脂具有較高的強絕緣性能，在設計變壓器的絕緣時，通常設計的樹脂絕緣是遠遠大于變壓器的額定電壓的，只要外電電壓不是太大，一般是不會引起樹脂絕緣擊穿的。

樹脂在澆筑過程中內部出現工藝問題，引起的樹脂耐壓不足，而引起的絕緣的擊穿，例如樹脂在澆筑過程中內部有氣泡產生，由于氣泡的介電常數遠遠小于樹脂的介電常數，從而導致樹脂絕緣的耐壓不足而引起的絕緣的擊穿。這只有通過改善變壓器的樹脂澆筑工藝而來改善。

下面主要對由于溫度原因而導致的樹脂絕緣性能的降低來進行分析。

三、空載運行變壓器熱損耗影響因素

變壓器空載運行就是指變壓器的一次繞組接交流電源，二次繞組開路、電流為零的狀態，就叫作變壓器的空載運行。

在空載運行的變壓器中通常存在一次繞組的電阻性損耗、鐵芯中存在的渦流損耗與磁滯損耗等三種熱損耗。這三種熱損耗是影響變壓器樹脂絕緣斷降低的根本原因。

（一）一次繞組中的電阻性損耗

變壓器的一次繞組線圈，在導線截面積、繞組線圈導線

總長度一定的情況下，其電阻值是固定不變的，可根據電阻

的計算公式R=p（1/S）式（1）

在式（1）中，R：為繞組導線的電阻;

ρ：為繞組導線的電阻率，在溫度變化范圍不大的情況下，可看成定值;

l：為繞組導線的長度;

S：為導線的截面積。

根據電阻的熱損耗公式，那么繞組線圈的熱損耗功率為

式（2）中的電流I為流過變壓器一次繞組的勵磁電流，

由式（2）可以看出，流經一次繞組線圈的熱損耗功率與勵磁電流I的平方成正比，即勵磁電流越大，一次側的繞組線圈的熱損耗功率越大。

（二）鐵芯中的渦流損耗

為了分析方便我們假設變壓器沒有漏磁通，即磁通全部通過變壓器的鐵芯。

當交變磁場通過變壓器的鐵芯時，根據電磁感應定律，此時會在變壓器的鐵芯中產生感應電動勢。由于鐵芯材料是由導體構成的，導體在感應電動勢的作用下，會產生環繞磁通作渦旋狀流動的電流，我們稱之為渦流。由渦流引起的損耗我們稱之為渦流損耗。

變壓器鐵芯中硅鋼片的渦流損耗可用式（3）表示。

在式（3）中，

ρ：硅鋼片的電阻率;

f：為交變磁通的頻率;

Bm：為交變磁感應強度最大值;

a：為硅鋼片的厚度;

V：為硅鋼片的體積。

由式（3）可以看出，在變壓器鐵芯硅鋼片材料確定，硅鋼片結構以及交變磁場頻率固定的情況下，鐵芯中的渦流損耗PW只跟通過變壓器鐵芯的最大磁感應強度Bm有關。通過鐵芯的磁感應強度越大，那么由式（3）可以看出，通過鐵芯硅鋼片的渦流損耗也就越大。

（三）鐵芯中的磁滯損耗

當鐵磁材料處于交變磁場中時，由于磁感應強度跟不上磁場強度變化而滯后的現象，稱之為磁滯現象。鐵磁材料在處于交變磁場中時，由于鐵磁材料中的磁疇在隨外界磁場變化過程中，磁疇壁相互間會不停地摩擦而消耗能量，我們把這種損耗稱之為磁滯損耗。

變壓器鐵芯中的磁滯損耗，可用式（4）來表示。

在式（4）中，C：為磁滯損耗系數，其大小取決于材料的性質;VT：為變壓器鐵芯的體積;對于一般的硅鋼片來說n的取值范圍通常為1.6～2.3。

由式（4）可以看出，在鐵芯材料、體積以及通過鐵芯交變磁場頻率確定的情況下，鐵芯的磁滯損耗PC通常與交變磁感應強度最大值有關系。通過變壓器鐵芯的磁感應強度最大值越大，其磁滯損耗也越大。

（四）磁化電流與磁感應強度的關系

通過式（3）與式（4）可以看出，渦流損耗與磁滯損耗都與通過變壓器鐵芯的最大磁感應強度Bm都有直接關系。那么磁感應B與空載變壓器的勵磁電流I又存在何種關系，下面進行簡單分析。

為了是問題分析簡化，現用單芯變壓器進行分析，且沒有漏磁通。假設變壓器的一次繞組的長度為L，匝數為N，通過一次繞組的勵磁電流為I，那么根據安倍環路定律，可以計算出磁場強度H為：

那么通過變壓器鐵芯的磁感應強度為：

在式（6）中，μo：為真空的磁導率;

μr：為鐵磁材料的相對磁導率;

μ：為磁介質的磁導率。

由式（6）可以看出，磁感應強度B與勵磁電流I，有較大關系，當勵磁電流I變化時，磁感應強度B也會發生變化。

（五）影響勵磁電流的因素

由式（2）、式（3）、式（4）、式（6）可以看出，影響空載變壓器熱損耗的因素主要是，由勵磁電流I決定的。通常當勵磁電流增大時，一次繞組線圈的電阻性損耗、渦流損耗、磁滯損耗等都會相應增大。下面對影響勵磁電流的原因進行分析。為了分析問題簡單，我們假設在整個磁路中沒有漏磁通且鐵磁材料的磁化曲線處于線性范圍，那么這時的磁介質的磁導率為常數。

變壓器空載運行時，我們可以將變壓器的一次側等效為一個電阻與一個電感相串聯的電路，如圖2所示。

那么流過勵磁線圈的電流為

在式（7）中，

U：變壓器一次側的電壓;

Z：變壓器一次側的等效阻抗;

L：一次側的等效電感;

R：一次側等效電阻。

根據以上假設，等效電阻R以及等效電感L都是固定

、不變的。即等效阻抗Z也為定值，那么影響勵磁電流大小的因素只跟變壓器的一次側的電源電壓U有關系。當外電電壓U增大時，勵磁電流I也會隨之增大。根據實際工作觀察，當外電電壓增大時，勵磁電流也會隨之增大，但并不是線性關系。在這里面我們不考慮變壓器磁路系統出現故障而導致的勵磁電流變化的因素，在整個分析過程中，我們都假設整個磁路系統是處于正常運行、完好狀態。

由以上分析可知，導致流過線圈勵磁電流變化的因素，

主要就是外電變化而引起的。

四、站用變爆炸解決方案

（一）站用變輸入電源的選擇

經過近一段時間的觀察，發現備用站用變電源電壓極不穩定，在白天時電源電壓通常在37KV左右，且較為穩定。但是到了半夜至天亮這段時間備用電源的電壓變化范圍較大，經常處于39KV左右，有時甚至達到了40KV。這大大超過了備用站用變的額定輸入電壓。

當變壓器處于空載狀態運行時，外電的稍微增大，都會容易使變壓器的鐵芯處于磁飽和狀態。當變壓器的鐵芯處于磁飽和狀態時，此時的磁感應強度也會處于較大值，從而會導致變壓器的磁滯損耗與渦流損耗也會同時增大。這樣就會導致變壓器的發熱會增大，進而會引起變壓器的溫度升高較大。當變壓器的溫度較高時，不僅會降低樹脂絕緣的絕緣性能，而且會加速樹脂的老化失效速度。另外當變壓器的輸入電壓較高時也比較容易導致樹脂絕緣的擊穿。

當空載變壓器輸入電源的電壓較大時，流過變壓器一次側的勵磁電流通常也會較大，這也會導致流過線圈的熱損耗增大，這也會導致變壓器溫度升高。所以在選擇站用變的電源時，要選擇外電較為穩定的電源，且輸入電源的電壓值不能太大，這是解決所用變爆炸的主要原因。

（二）加強站用變溫度的監測

在實際工作中，我們經常用到的站用變，沒有溫度監測裝置，而且由于站用變大都裝設在封閉的箱體中，即使我們用測溫儀也不容易測得變壓器鐵芯的溫度。這給我們巡視、維護工作帶來了較大困難。當加裝上溫度監測裝置后，我們不僅可以實時的了解站用變的溫度，而且還可以確保站用變的運行安全。

（三）增加站用變冷卻通風裝置

變電站的站用變大多都裝設在箱體中，通常采用自然冷卻方式。在夏季外界溫度較高時，站用變的溫度通常也是比較高的。當站用變溫度高時不僅會降低站用變樹脂的絕緣性能，而且還會加快樹脂絕緣老化失效速度。由以上簡單分析可以看出，給變電站的站用變加裝冷卻通風系統是十分必要的。

另外除了以上分析的三種解決方案以外，還可以采用將備用站用變退出熱備用狀態，這樣也可以延緩站用變樹脂絕緣的老化失效速度。其次在檢修站用變時要注意及時清除樹脂絕絕緣層與鐵芯夾縫間的灰塵，確保站用變冷卻通道暢通，以利于站用變有良好的散熱效果。

結語

文章以某單位備用站用變爆炸為例，運用熱損耗理論，分析了因溫度導致站用變樹脂絕緣老化擊穿的因素，并提出了站用變爆炸的多種解決方案。這不僅提高了變電站站用變的使用壽命與運行可靠性，而且還保障了變電站值班維護人員的人身安全。

參考文獻：

[1]陳世元.電機學（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]劉慧娟.電機學[M].北京：北京交通大學出版社，2012.