25 MVA 中頻爐整流變壓器故障分析與修復(fù)

潘雪青，喻建樑，毛海東

（寶武特種冶金有限公司電爐廠，上海 200940）

0 引言

寶武特種冶金有限公司電爐廠的大功率24 脈波中頻爐專用整流變壓器，具有過(guò)載能力強(qiáng)，諧波電流少，冷卻效果好等特點(diǎn)。在整流變壓器運(yùn)行期間，可利用變壓器配套的各種檢測(cè)手段及其他檢測(cè)方法獲得變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而掌握其運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其劣化趨勢(shì)和故障隱患，并采取必要的維護(hù)、改進(jìn)措施，以確保其安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并延長(zhǎng)其生命周期。然而，由于變壓器本身是一個(gè)密閉容器，其運(yùn)行狀態(tài)一般采用間接檢測(cè)方式，又由于其本身的復(fù)雜性和某些故障的突發(fā)性，有些隱患和劣化狀態(tài)在常規(guī)檢查、檢測(cè)過(guò)程中很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，難免會(huì)發(fā)生意外故障。為了在最大程度上及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，防止故障發(fā)生和擴(kuò)大，在平時(shí)的工作中須按標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真完成各項(xiàng)檢查、檢測(cè)、分析、維護(hù)工作。

1 變壓器簡(jiǎn)介

該整流變壓器（型號(hào)：ZSSP-25000/35）用于向40 t 中頻爐晶閘管變頻裝置供電，額定容量25 MVA，額定電壓35/1.2 kV，低壓側(cè)設(shè)計(jì)4 組三相繞組，按上下結(jié)構(gòu)排列，連接組別：D/yn11/d0/d+15o/d-15o，上部為第一組繞組，接線方式見(jiàn)圖1。變壓器總重37.17 t，箱體結(jié)構(gòu)為箱蓋式全密封焊接和箱沿螺栓雙重連接，冷卻方式為OFWF（強(qiáng)油水冷），冷卻器功率250 kW。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 變壓器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 變壓器繞組接線示意

2 故障描述及處理

2.1 故障發(fā)生初期的狀態(tài)及處理

2021 年7 月5 日，在40 t 中頻爐正常冶煉過(guò)程中，系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面突然顯示整流變壓器重瓦斯報(bào)警、二次側(cè)過(guò)電流報(bào)警、變壓器釋壓閥動(dòng)作報(bào)警，同時(shí)，該整流變壓器高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)自動(dòng)分?jǐn)唷ｋS后，技術(shù)人員立即進(jìn)行了初步檢查，發(fā)現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：①變壓器釋壓繼電器放油口及變壓器上蓋板密封處有噴油現(xiàn)象；②變壓器2 號(hào)低壓繞組對(duì)應(yīng)的整流橋的兩個(gè)KP型晶閘管短路燒毀（圖2）；③瓦斯繼電器曾觸發(fā)過(guò)重瓦斯信號(hào)。

圖2 KP型晶閘管短路燒毀

根據(jù)故障現(xiàn)象判斷變壓器內(nèi)部存在嚴(yán)重故障，因此立即對(duì)變壓器油進(jìn)行色譜分析，分析結(jié)果：水分含量正常；H2為201.68 μL/L，CH4為67.37 μL/L，C2H6為11.71 μL/L，C2H4為167.5μL/L，C2H2為299.97 μL/L（正常值<5 μL/L），總烴為546.55 μL/L（正常值<150 μL/L），CO 為255.47 μL/L，CO2為1130.15 μL/L。根據(jù)三比值法得出初步結(jié)論：變壓器內(nèi)部發(fā)生過(guò)低能量放電。隨后對(duì)變壓器繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)量，結(jié)果為：高壓繞組正常，低壓繞組2 號(hào)和4 號(hào)繞組的ab 與bc、ca 相偏差較大，分別為7.2%和7.02%。

綜上所述，初步判斷變壓器二次側(cè)繞組存在嚴(yán)重故障，于是立即組織變壓器出廠吊芯維修。

2.2 吊芯解體檢查

經(jīng)原生產(chǎn)廠家吊芯并局部解體檢查后發(fā)現(xiàn)故障及異常現(xiàn)象如下：

（1）二次側(cè)2#繞組a 相和b 相附近的引出銅排有明顯拉弧點(diǎn)（圖3），繞組排列及拉弧放電點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。

圖3 二次側(cè)繞組引出銅排拉弧點(diǎn)

圖4 繞組排列及拉弧放電點(diǎn)位置

（2）發(fā)現(xiàn)2#繞組磁軛絕緣壓板松動(dòng)，油箱底部有一掉落的磁軛絕緣壓板及其固定用的絕緣螺栓（圖5）。

圖5 掉落的絕緣壓板及其固定用的絕緣螺栓

（3）當(dāng)晚拆除變壓器高、低壓側(cè)銅排后，對(duì)高、低壓側(cè)繞組進(jìn)行一系列測(cè)試，耐壓及直流電阻值均合格，確認(rèn)繞組本身及其絕緣未損壞。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，決定僅對(duì)低壓側(cè)出線銅排進(jìn)行處理：加裝固定絕緣板、絕緣紙，以增強(qiáng)其絕緣性能和抗電磁力的機(jī)械強(qiáng)度（圖6）。

圖6 低壓側(cè)繞組出線銅排絕緣處理

對(duì)線圈磁軛壓板進(jìn)行緊固，更換已斷裂的夾件緊固螺栓，變壓器芯回裝充油并進(jìn)行濾油（濾除故障油中溶解的氣體成分）及24 h 靜放處理（消除充油時(shí)的氣泡，為后續(xù)出廠試驗(yàn)做準(zhǔn)備），并進(jìn)行油樣色譜測(cè)試，結(jié)果合格后回廠安裝。

第二，在制定會(huì)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)，考慮不到不同利益集團(tuán)的需要，注重基本原則的指導(dǎo)，同時(shí)要相應(yīng)增加實(shí)施的細(xì)則，不能只依靠會(huì)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。

3 故障之前的變壓器狀態(tài)管理

3.1 變壓器的日常維護(hù)

該變壓器于2018 年投入運(yùn)行，主要的日常維護(hù)、檢測(cè)工作見(jiàn)表2，在此次突發(fā)故障前，表2 所涉及的各項(xiàng)維護(hù)工作都正常進(jìn)行，各項(xiàng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)始終處于正常范圍，未發(fā)生過(guò)任何瓦斯、高溫等報(bào)警。

表2 日常維護(hù)、檢查工作內(nèi)容

3.2 變壓器周期性測(cè)試

變壓器周期性測(cè)試按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，主要工作見(jiàn)表3。

表3 變壓器周期性測(cè)試

從該變壓器投用的2018—2021 年，表3 中所涉及的測(cè)試數(shù)據(jù)都符合標(biāo)準(zhǔn)，特別是在故障發(fā)生前1 個(gè)月剛做的油色譜和油簡(jiǎn)化試驗(yàn)都正常（圖7）。因此判斷此次變壓器內(nèi)部銅牌拉弧應(yīng)該是外部原因引起，變壓器內(nèi)部不存在絕緣老化現(xiàn)象。

圖7 油液試驗(yàn)結(jié)果

4 故障原因分析

從深度解體觀察到的故障現(xiàn)象及檢測(cè)數(shù)據(jù)中可以判斷出故障過(guò)程為：

（1）變壓器低壓側(cè)2#繞組ab 相KP型晶閘管損壞短路（損壞原因可能為老化引起），造成晶閘管變頻裝置進(jìn)線側(cè)低壓真空斷路器動(dòng)作，但低壓真空斷路器保護(hù)時(shí)間不夠快速，造成變壓器內(nèi)部銅牌拉弧放電。

（2）KP 管瞬間損壞短路，引起電流變化率（di/dt）過(guò)大，在2#繞組a、b 相間產(chǎn)生極高的過(guò)電壓。

（3）短路電流產(chǎn)生的電磁力引起低壓側(cè)2#繞組a、b 相銅排機(jī)械變形，銅排間隙變小，并在間隙最小位置放電拉弧。

（4）低壓排短路放電產(chǎn)生氣體引起重瓦斯繼電器動(dòng)作、釋壓繼電器動(dòng)作，并引起少量噴油。

（5）二次側(cè)過(guò)電流、重瓦斯動(dòng)作、釋壓動(dòng)作造成高壓短路器跳閘及報(bào)警。

（6）變壓器內(nèi)部放電故障后，引起變壓器油氣體成分發(fā)生相應(yīng)變化，色譜測(cè)試值異常。

5 修復(fù)及改進(jìn)措施

根據(jù)異常狀況和查明的故障原因，經(jīng)技術(shù)論證，實(shí)施如下改進(jìn)措施：

（1）對(duì)低壓側(cè)銅排加裝固定絕緣板并用絕緣紙包扎，以增強(qiáng)其絕緣性能和抗電磁力的機(jī)械強(qiáng)度。

（2）在變壓器低壓側(cè)安裝四組快速過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)器，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0.2 s。

（3）在磁軛壓板支撐壓圈下增加若干填充撐條，可有效減少在頻繁激磁涌流沖擊下的線圈振動(dòng)。

（4）制定晶閘管變頻電源系統(tǒng)維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，每半年對(duì)KP、KK 晶閘管的RC 阻容吸收保護(hù)裝置進(jìn)行離線檢測(cè)，特別是電容量數(shù)值不符合標(biāo)準(zhǔn)的及時(shí)更換。

6 設(shè)備投用

該整流變壓器整體修復(fù)工作正式結(jié)束并被安裝就位。經(jīng)全面檢查和測(cè)試，確認(rèn)各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)合格后，將變壓器投入生產(chǎn)運(yùn)行，在隨后1 個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)正常、穩(wěn)定。

7 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

（1）變壓器的故障，首先可以通過(guò)設(shè)備監(jiān)控畫(huà)面的報(bào)警提示，變壓器配套的瓦斯繼電器、釋壓閥、油溫、油位等進(jìn)行判斷，接著可采用油樣色譜檢驗(yàn)、電氣測(cè)試進(jìn)一步判斷故障原因。

（2）如果出現(xiàn)變壓器內(nèi)部嚴(yán)重事故，必須吊芯檢修處理，絕不能嘗試第二次通電。

（3）原因未分析清楚，不能輕易回裝，防止再次故障而造成嚴(yán)重后果。

（4）當(dāng)變壓器在檢測(cè)、分析過(guò)程中出現(xiàn)矛盾或無(wú)法解釋的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)委托專業(yè)檢測(cè)單位作進(jìn)一步檢測(cè)、分析，直至全部明確。

（5）變壓器內(nèi)部出現(xiàn)放電故障后，不能僅處理故障點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)故障原因，對(duì)整個(gè)變壓器內(nèi)部可能出現(xiàn)類似故障的部位進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)處理，盡力杜絕今后出現(xiàn)類似故障。

（6）變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)放電故障，須同時(shí)考慮外部負(fù)載本身故障造成過(guò)電壓、過(guò)電流的可能性，并對(duì)其作詳細(xì)的檢查。