干式變壓器老化與故障分析研究

祝亞玲，陳 慧，陳 華

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

通常情況下，大型的干式變壓器在長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行以后，變壓器內(nèi)部繞組的絕緣特性在電、水、酸等各種綜合條件的持續(xù)作用下會(huì)逐步降低，導(dǎo)致的直接后果就是其電氣性能明顯下降，各種實(shí)用電氣指標(biāo)也會(huì)受到影響。由于干式變壓器的結(jié)構(gòu)及其絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以需要結(jié)合其實(shí)際使用環(huán)境，根據(jù)目前生產(chǎn)中常見(jiàn)的干式變壓器的故障及老化現(xiàn)象，從而能夠分析對(duì)干式變壓器絕緣老化相關(guān)機(jī)理其決定性因素的因子，為大型干式變壓器絕緣加速老化試驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 相關(guān)研究

干式變壓器作為電力消費(fèi)終端通風(fēng)、綜采、照明等設(shè)備的核心系統(tǒng)，其性能和狀態(tài)與電力大用戶(hù)（鋼鐵、煤礦等產(chǎn)業(yè)）的安全生產(chǎn)直接相關(guān)[1-3]。然而，由于所處環(huán)境的不同以及工作環(huán)境的不斷變化，干式變壓器的工作現(xiàn)場(chǎng)存在諸多復(fù)雜和不確定的因素，這些因素加速了干式變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化，從而大大增多了可能出現(xiàn)的故障隱患[4]。已有的眾多研究結(jié)果表明，引發(fā)干式變壓器出現(xiàn)故障的重要原因之一便是絕緣材料因變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷狀態(tài)。一般的，可以認(rèn)為干式變壓器內(nèi)部的絕緣部分主要由聚酰亞胺薄膜、酰間苯二胺（Nomex）等構(gòu)成。而體現(xiàn)匝間絕緣特性的聚間苯二甲酰間苯二胺則屬于干式變壓器最為重要的一部分，如果該材料在變壓器持續(xù)運(yùn)行后無(wú)法保障足夠的絕緣性，則會(huì)產(chǎn)生裂化乃至絕緣失效的后果，直接導(dǎo)致干式變壓器出現(xiàn)較大的故障，甚至威脅人身安全。

從21 世紀(jì)初至今，一方面國(guó)家電網(wǎng)作為生產(chǎn)性單位不斷收集相關(guān)生產(chǎn)信息；另一方面，依托旗下的電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)（平高電氣及許繼電氣），不斷對(duì)已有的變壓器故障診斷策略進(jìn)行消化、吸收、升級(jí)等。在這個(gè)階段，中國(guó)的變壓器診斷技術(shù)已經(jīng)逐步達(dá)到了世界頂尖水平，從電力公司用變壓器的故障診斷到大工業(yè)用戶(hù)的干式變壓器故障診斷，中國(guó)的電力設(shè)備廠商已經(jīng)具備了與ABB、西門(mén)子等優(yōu)秀的國(guó)外廠商同臺(tái)競(jìng)技的能力。

2 干式變壓器結(jié)構(gòu)及絕緣分析

本文以采用H 級(jí)絕緣的干式變壓器為例，該種變壓器的低壓側(cè)電壓通常為400 V、1 200 V、3 450 V 等，而高壓側(cè)電壓一般分為2 種，即6 kV、10 kV。額定容量范圍一般為45～35 000 kVA。繞組冷卻方式為空氣自然冷卻，采用輻射式散熱。變壓器主要由本體、低壓保護(hù)箱、負(fù)荷、開(kāi)關(guān)箱、電纜連接裝置等構(gòu)成。變壓器的本結(jié)構(gòu)為柱形，具有較大的散熱面積，最大程度地保證了散熱效果。其中，變壓器的本體內(nèi)部主要由三相的低壓與高壓繞組以及鐵芯組成。

目前，電力系統(tǒng)大用戶(hù)用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結(jié)構(gòu)，相較于常見(jiàn)的配網(wǎng)變壓器，最大區(qū)別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)緊固件的壽命。能夠?qū)Ω墒阶儔浩魇褂媚晗奁鸬經(jīng)Q定性作用的是其基本絕緣結(jié)構(gòu)，而因變壓器內(nèi)部絕緣問(wèn)題導(dǎo)致的事故大約占全部事故的90%，常見(jiàn)的干式變壓器主要分為兩種絕緣手段：樹(shù)脂澆注型絕緣與浸漬式非包封絕緣。

目前，國(guó)內(nèi)外的干式變壓器使用率最高的是杜邦公司于20 世紀(jì)所開(kāi)發(fā)的Nomex 絕緣材料作為匝間絕緣設(shè)備的干式變壓器。其中導(dǎo)體間的絕緣采用的是Nomex T400 型的H 級(jí)，其能夠承受的最大溫度為250 ℃，利用Nomex 材料作為絕緣材料的浸漬式非包封型干式變壓器是目前大型工業(yè)用戶(hù)所使用較為廣泛的變壓器，電力系統(tǒng)大用戶(hù)用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結(jié)構(gòu)，相較于常見(jiàn)的配網(wǎng)變壓器，最大區(qū)別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)緊固件的壽命。而研究這種變壓器的使用年限則主要從其模擬特性進(jìn)行研究，本文對(duì)干式變壓器絕緣材料進(jìn)行分析。顯然，不同電壓等級(jí)的干式變壓器對(duì)應(yīng)著不同的匝間絕緣厚度，不同電壓等級(jí)的匝間絕緣厚度如表1 所示。

由于干式變壓器低壓繞組間存在支撐用撐條，因此，干式變壓器能夠具備較好的散熱性，但是，與此同時(shí)也帶來(lái)了易受潮的缺陷。由于高壓繞組匝間不存在聯(lián)通氣道，處于密閉狀態(tài)，因此系統(tǒng)內(nèi)熱量只能以逐層散熱的方式利用空氣散熱。而這種散熱方式如果遇到特殊環(huán)境，例如，干式變壓器位于礦井內(nèi)或其他外界條件較為惡劣的環(huán)境，由于整個(gè)變壓器所處較為潮濕環(huán)境，這種散熱與水分的共同作用下，會(huì)進(jìn)一步加大干式變壓器的絕緣老化過(guò)程。在正常運(yùn)行過(guò)程中除銅耗、鐵耗產(chǎn)熱之外，繞組中的絕緣劣化導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均，進(jìn)而引發(fā)局部放電等問(wèn)題。

表1 干式變壓器不同電壓絕緣厚度

3 干式變壓器老化分析

干式變壓器長(zhǎng)期在電、熱、機(jī)械力和環(huán)境因素等多因子作用下運(yùn)行，各類(lèi)內(nèi)、外部因素導(dǎo)致了其基本的絕緣材料的組成和結(jié)構(gòu)被破壞。而通常干式變壓器遭受過(guò)電壓的影響，繞組周?chē)臒嵩词菇^緣材料長(zhǎng)期處于高溫下，而潮濕的環(huán)境等一系列外界因素往往則是引發(fā)變壓器絕緣出現(xiàn)過(guò)早老化的主要原因。

干式變壓器的固體絕緣屬于高分子有機(jī)絕緣材料，以Nomex 為代表的干式變壓器絕緣材料為例，Nomex 材料在老化時(shí)，絕緣表觀上會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變色、粉化、起泡；微觀上出現(xiàn)脆化、變形、裂縫或裂紋等缺陷。

電力系統(tǒng)大用戶(hù)用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結(jié)構(gòu)，相較于常見(jiàn)的配網(wǎng)變壓器，最大區(qū)別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)緊固件的壽命。因此，首先可以對(duì)變壓器繞組的電氣絕緣耐熱性進(jìn)行分析。干式變壓器絕緣耐熱程度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 干式變壓器匝間絕緣的耐熱性程度統(tǒng)計(jì)表

干式變壓器匝間絕緣性能關(guān)系到其整體壽命，然而長(zhǎng)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的干式變壓器，受各種因素的影響，絕緣系統(tǒng)可能經(jīng)歷了相當(dāng)程度的老化，能夠影響干式變壓器Nomex絕緣材料老化的因素眾多，其老化的機(jī)理異常復(fù)雜，研究證明最重要的就是熱老化。國(guó)際電工協(xié)會(huì)經(jīng)過(guò)研究得出，對(duì)于絕大多數(shù)的干式變壓器來(lái)說(shuō)，如果其長(zhǎng)時(shí)間工作在160 ℃以上，必然會(huì)縮短整個(gè)干式變壓器絕緣材料的壽命，而在160 ℃基礎(chǔ)上，如果每升高12 ℃，那么絕緣材料的壽命將會(huì)縮短0.5 倍，即12 ℃法則。

4 干式變壓器故障分析

在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，最為常見(jiàn)的變壓器故障為繞組故障與鐵芯故障，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，故障出現(xiàn)概率約在95%以上。

繞組故障是由于繞組浸漆不充分，導(dǎo)致繞組匝間絕緣層產(chǎn)生氣隙，如果干式變壓器長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，匝間電壓升高擊穿空氣，最終出現(xiàn)匝間短路。與此同時(shí)，因?yàn)樵谡饎?dòng)的情況下，繞組間不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，絕緣表面不斷摩擦，直接導(dǎo)致絕緣性能降低，容易誘發(fā)匝間短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。

鐵芯故障產(chǎn)生原因與干式變壓器的三相疊狀結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系。由于制作工藝原因，變壓器內(nèi)部鐵芯存在毛刺，導(dǎo)致部分絕緣漆無(wú)法完全覆蓋，隨著時(shí)間推移絕緣漆會(huì)因毛刺失效，導(dǎo)致變壓器片間短路，而干式變壓器如果所處環(huán)境較為潮濕，硅鋼片剪口處斷面受潮后會(huì)導(dǎo)致鐵芯持續(xù)發(fā)熱，由于鐵芯有多個(gè)接電點(diǎn)，進(jìn)一步引發(fā)鐵芯發(fā)熱并發(fā)出噪聲。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，使得匝間絕緣出現(xiàn)劣化，絕緣處進(jìn)一步碳化，出現(xiàn)局部發(fā)電現(xiàn)象，最終擴(kuò)大變壓器故障。

工程現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的四種最嚴(yán)重的干式變壓器故障與干式變壓器正常運(yùn)行共同構(gòu)成樣本分類(lèi)：干式變壓器正常工作、干式變壓器內(nèi)部斷線、變干式壓器內(nèi)部線圈短路、干式變壓器接地短路。電壓與電流共同進(jìn)行的信號(hào)收集判斷效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單純使用一種信號(hào)作為判斷依據(jù)，兩種信號(hào)融合診斷有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的合理判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)變壓器的合理診斷。

5 結(jié)論

本文對(duì)大型干式變壓器基本結(jié)構(gòu)與絕緣特性進(jìn)行分析，根據(jù)基本特性對(duì)其進(jìn)行老化分析及常見(jiàn)故障分析，從而為變壓器故障判定提供合理的依據(jù)。