基于紅外熱成像儀的變壓器短路故障檢測新方法研究

劉文娟，樊建平，李愷洋

（廣州中車駿發電氣有限公司，廣州 511400）

0 引言

在變壓器制造的全過程中，每道工序結束都會有相應的檢測試驗來評判制造產品的質量，隨著檢測技術的發展及檢測設備的創新應用，很多以往難以判斷的質量問題可以更準確的評判并給出更經濟的處理方案。

本文介紹了油浸式變壓器在完成器身裝配及引線裝配后，進行半成品試驗過程中出現電壓比、線圈直流電阻及聯結組別異常時，探索新的故障檢測方法來提高檢修效率，并降低檢修成本。以往出現同類半成品試驗異常時，僅能通過進一步的器身空載試驗、單相電壓比及直流電阻檢測來初步判斷異常情況為某一相線圈的短路故障，但無法做到準確定位故障點在故障線圈的位置。而故障線圈內部絕緣未經過高能量放電（或高熱量碳化過程），不會出現絕緣碳化痕跡，也即是故障點處絕緣與周圍正常絕緣無異樣。盲目去拆開故障線圈通過肉眼來查找故障點是比較困難的，并且會造成維修成本高，維修效率低下［1-2］。

本文研究的新檢測方向是通過設計巧妙的試驗方案讓線圈故障點發熱，并利用紅外熱成像儀進行故障定位，再快速消除故障點。紅外熱成像儀是利用熱成像技術，將不可見的紅外輻射轉換成可見熱圖顯示被測目標溫度及其分布的裝置。通過觀察物體的紅外熱分布圖，根據溫度的差異來找出溫度的異常點，快速定位故障位置。使用紅外熱像儀無需接觸檢測設備，并且不受電磁干擾和強光眩光影響檢測準確性，測溫靈敏快速，可以在距離設備幾米、幾十米的地方進行檢測。在確保檢測人員安全的同時，對于變壓器此類大型設備，可以先從較遠距離進行總體情況的觀察，再對發熱點進行重點檢測［3-7］。

1 變壓器半成品故障

某光伏項目一臺低壓雙分裂油浸式變壓器容量2500 kVA，聯結組別為Dy11y11，額定電壓35±2×2.5%/0.52 kV×2，額定電流（高壓/低壓）41.2 A/1 388 A×2。變壓器低壓線圈采用多層箔繞結構，高壓線圈為多層線繞結構。高壓三相線圈為三角連接方式（D接），并且上下線圈并聯結構；低壓三相線圈均星形連接方式（Y接），低壓上下雙分裂線圈為兩個獨立的線圈。

在變壓器引線制作完成的半成品試驗時發現電壓比異常；拆除高壓D接連接引線后，逐個對單相線圈進行電壓比檢測及直流電阻檢測確定是A相低壓線圈異常，測試A相上下部高低壓線圈直流電阻較線圈原直流電阻稍偏小，特別是下部低壓線圈直流電阻偏差較大，其他部分的直流電阻偏差不排除測量儀器誤差以及溫度偏差造成的電阻值偏差。

線圈電阻在不同溫度下電阻值不同，銅線圈直流電阻在溫度偏差1.5℃時電阻值如下：

也即在環境溫度32℃時，當溫度偏差1.5℃時，直流電阻偏差可達±0.562%。因此，對照表1所示線圈各部分直流電阻值的偏差，可以看出除低壓下部線圈外其他部分的直流電阻偏差率均在-0.5%左右，因此可以排除該部分電阻偏差是因故障引起。

表1 故障前后A相線圈直流電阻值對比

但僅根據以上直流電阻異常情況，還不能確定A相低壓線圈的異常因素是少匝數還是存在短路點。若A相低壓線圈存在短路點，則相當于短路故障處產生了短路環；在空載試驗時，高壓側線圈施加空載電壓，根據電磁感應原理，低壓線圈產生感應電勢在線圈內部將形成短路環流，如圖1所示，短路環流再通過電磁感應回到到高壓側，A相高壓空載電流就為短路環流加上勵磁電流，因此高壓側空載電流會增大；若A相低壓線圈不存在短路點僅是匝數少，那么進行空載試驗時，高壓側線圈施加空載電壓，低壓線圈雖然也有感應電勢，但低壓線圈處于開路狀態無短路環路，不存在短路環流，因此高壓側空載電流就僅僅是較小的勵磁電流。

圖1 低壓線圈短環示意圖

為了進一步驗證A相低壓線圈是否短路情況，直接對整臺器身進行空載試驗，器身空載試驗參考變壓器成品空載試驗做法［8-11］（圖2）：低壓側開路，從高壓側A、B、C三相加電壓升至100 V，A、B兩相的空載電流達0.2 A左右，C相空載電流為0；當高壓A、B、C三相加電壓升至240 V，A、B兩相的空載電流達1.3 A左右，C相空載電流為0；根據GB/T 6451-2015標準要求，2 500 kVA變壓器正常情況下空載電流應為額定電流0.55%倍，而變壓器高壓側額定電流為41.2 A，也即標準空載電流應不大于0.23 A左右。器身空載試驗數據如表2所示。

圖2 變壓器器身 空載試驗

表2 器身空載試驗數據

根據以上器身空載試驗情況，隨著空載電壓上升A相空載電流已遠超正常情況空載時鐵心勵磁電流，可以初步判斷是A相低壓線圈內部存在短路點，并根據前面直流電阻測量結果大概判斷是下部線圈，但暫時無法確定是低壓下部線圈哪個位置。并且，此時變壓器還處于半成品器身狀態，沒有干燥浸泡在絕緣油中，不能通過高電壓感應試驗來將短路故障點處的絕緣擊穿碳化；在此情況下，貿然拆出線圈查找故障點比較困難（短路處未經高電壓放電碳化，找不到故障點），可能會造成整個高低壓線圈一起報廢。而本項目一個高低線圈銅材價值近117 00元。

2 設計試驗方案

為了更加準確查找出故障點，也為了驗證低壓上部線圈直流電阻的偏差是非故障引起的，設計了一個試驗方案，試圖將短路點故障擴大，并采用了紅外熱成像儀進行故障點精準定位。試驗方案原理是利用單個高低線圈空載時，短路電流經過故障點，因故障點接觸電阻較大，根據短路電流熱效應焦耳定律（熱量Q＝I2×R×t，I為短路電流，R為短路點接觸電阻，t為短路電流通過短路接觸點的時間），長時間的發熱后將故障點處的絕緣紙燒出碳化痕跡便于后期拆開查找［12-13］。并且在試驗期間，因短路故障點處的發熱量較大，該處溫度較周邊非故障點處的溫度較高，可以利用紅外熱成像儀查找熱點溫度來進行故障位置定位。

2.1 單個線圈空載試驗具體方案

（1）將A相故障線圈單獨從變壓器器身上拆出。

（2）選取一臺小型的三相三柱式鐵心，將A相故障線圈套在鐵心中柱上，另兩柱空著，如圖3所示。

圖3 單個線圈空試驗裝配簡

（3）低壓線圈開路，從高壓A-X加電壓至約300 V，如圖4所示，檢測出高壓側空載電流約3 A左右，按照電壓比折算到低壓側短路電流達到350 A左右。

圖4 試驗原理

（4）在試驗期間，由試驗人員手持FLUKE紅外熱成像攝像機，在距試驗樣品約1 m處進行圍繞一周的紅外熱點檢測［14］，通過紅外熱成像儀檢查整個線圈的熱點溫度來判斷短路故障點。

紅外熱成像如圖5所示。紅外熱分布圖上可以看到線圈有一處熱點溫度達到40.2℃，與周圍熱成像圖顏色有明顯差異（已經轉為紅色），至此可以初步判斷該處為故障點。

圖5 紅外熱成像圖

從紅外熱分布圖上可以大概看出過熱點在面向高壓側線圈的中下部，如圖6所示，大概可以判斷短路點在低壓下部線圈面向高壓出線一側。

圖6 熱成像儀定位的簡圖

2.2 試驗時長的確定

設計該試驗目的有兩個：一是通過短路電流流過短路故障點處發熱將該處絕緣材料加熱至有碳化痕跡便于精準查找到故障點；二是通過故障點處發熱量與其他地方發熱量差異，體現在熱成像儀上溫度差異，從而定位故障點的方位。通過前面熱成像儀的溫度分布圖已經定位了故障點的方位，接下來就要繼續通過一定時間的空載試驗過程（也即低壓線圈短路時間），使低壓線圈故障點處的絕緣材料出現碳化痕跡。

該臺變壓器的絕緣耐熱等級為A級，絕緣材料最高溫度可達到105℃。在進行該試驗時，既要保證短路電流通過低壓線圈時發熱量足夠大以致可以使短路故障點處的層間絕緣材料出現碳化痕跡，又要避免長時間較大短路電流通過低壓線圈時，整個線圈發熱量過大而使線圈整體的絕緣材料出現老化情況。因此，合理設置試驗時間很重要。

根據物體發熱時溫度變化與熱量的關系：

式中：C為材料的比熱容，J/（kg·℃）；m為物體重量，kg；Δθ為物體溫度變化差，℃。

線圈發熱主要是短路電流通過時電阻損耗，也即上文提到的熱量：

式中：I為短路電流，A；R為線圈電阻，Ω；t為短路電流通過線圈的時間，s。

結合式（2）～（3）的關系，可以推導出線圈發熱溫度到一定溫度時所需要的時間之間的關系如下：

低壓線圈的線材為銅材，其比熱容C＝390 J/（kg·℃），單個低壓下部線圈重量為41.3 kg，假設完全理想狀態下，每匝線匝重量應為3.44 kg，而低壓線圈內部通過的短路電流前文已經計算出為350 A。接下來要推導短路故障點處的接觸電阻。

按照圖7所示的低壓線圈短路狀態下的簡化電路圖，假設A相低壓線圈短路故障點處的接觸電阻為R3，A相低壓線圈短接的線匝電阻值為R2，A相低壓線圈其他未短路部分的電阻總和為R1。

圖7 A相低壓線圈短路簡化電路圖

根據前文表1測得線圈電阻值，因上下兩個低壓線圈結構相同，可以假設上下低壓線圈電阻正常情況下應該一樣為0.000 728 9 Ω，如式（5），而短路時線圈電阻計算公式如式（6）。被短路匝數考慮假設為1匝，理想狀態下低壓1匝線的電阻R2＝0.000 061 Ω。

結合式（5）～（6）可以推導出短路故障點處的接觸電阻R3＝0.000 156 3，再根據式（4）來推導空載時長，要達到接觸點處絕緣材料出現碳化痕跡，那么溫度至少達到105℃，因此試驗時長：

再核算一下整個低壓下部線圈在2 h試驗期間的發熱量導致的溫度升高值是否會導致非故障點處的絕緣材料老化：

通過上面的推導可知，試驗2 h整個低壓線圈的平均溫度僅升高至39℃，遠小于A級絕緣材料的耐熱等級105℃，因此，并不會影響整體線圈的絕緣性能。而短路故障點的接觸電阻較大（實際短路故障點處的接觸電阻應該較理論計算電阻更大），經過2 h的發熱試驗后，將此處的絕緣加熱至出現碳化痕跡。至此，確定了設計空載試驗的時長為2 h，基本可以滿足試驗使低壓層間絕緣碳化的效果。

3 故障線圈拆解情況

因該變壓器繞組采用高低壓線圈套繞結構，要查找低壓線圈的故障點必須先拆出高壓線圈，按照以上試驗初步定位，將A相高壓下部線圈拆除后，低壓下部線圈一層層拆解開，終于在低壓下部線圈倒數第三層高壓出線側找到了故障點，如圖8中畫圈處。從圖上可以清晰看到故障點處絕緣經過單相長時間空載試驗后已經碳化變黑，與周圍絕緣紙有明顯差異，很容易查找到故障點進行處理。通過故障點處的絕緣破損情況以及銅箔損傷情況判斷，本次A相低壓線圈的短路故障就是因銅箔上有一處小毛刺造成的層間絕緣破損，從而導致層間短路。在將銅箔故障點打磨光滑后，更換破損的層間絕緣紙，重新繞緊低壓下部線圈后，套回原器身再重做半成品變比試驗時一切正常。至此，通過熱成像儀進行初步故障點的定位，再拆解線圈找到故障點，極大提高故障檢測的精確度和效率。

圖8 低壓線圈故障點

4 故障檢修處理成本分析

首先從該變壓器繞組結構來分析，繞組為高低壓線圈套繞結構，低壓兩個上下雙分裂獨立線圈，高壓上下分裂線圈并聯結構。當低壓繞組出現匝間短路故障時，要先拆除外部套繞的高壓線圈才能檢查低壓線圈內部情況。

以往出現類似故障時，沒有巧妙利用空載試驗時故障點處熱效應將絕緣加熱碳化，是較難通過肉眼來檢查出絕緣細小損傷之處；并且，沒有利用熱成像儀進行輔助查找故障點，也沒有一個大概的查找方向，就像大海撈針一樣困難。而該變壓器結構又較為特殊，在查找故障點時傳統做法是要將整改高低壓上下部線圈逐一拆出查找，也未必能找到未經碳化的絕緣破損故障點。

而按照本文設計一個單相長時空載試驗后，故障點處絕緣碳化更便于肉眼查找故障點，并且有熱成像儀的初步定位，可以縮小查找范圍。按該變壓器結構，只需要拆除高壓下部線圈，再逐層拆低壓線圈，在紅外熱成像儀鎖定的小范圍內可以較快找到故障點。

根據以上故障檢測過程及處理方案，與原傳統類似故障檢測及處理方案對比分析檢修成本。具體返工處理的成本對比如表3所示。從表中對比可以清晰看到，采用了紅外熱成像儀作為輔助檢測設備后，該變壓器半成品故障的返修成本大大降低。

表3 采用不同故障檢測方法的檢修成本對比

5 結束語

本文介紹了通過采用新檢測方法，來快速準確地找到線圈短路故障點，避免盲目大范圍地檢修。該方法根據線圈短路故障后進行空載試驗時，短路線圈內部存在短路環流的原理，并利用短路環流的熱效應，將故障點處的絕緣碳化（放大故障痕跡）；并且進行了精細的試驗方案策劃和計算，針對試驗時長，要滿足既可以將故障點處絕緣碳化，同時又不影響其他正常部位的絕緣材料性能。最重要一點是創新運用紅外熱成像儀進行故障的準確定位。便于后期拆開線圈精準查找到故障點。

最后，通過運用此新檢測方法的實際案例驗證，證明本檢測方法確實能達到高效查找變壓器半成品短路故障的效果，也極大地節約了維修成本。