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(fā)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(jié)束都會有相應(yīng)的檢測試驗來評判制造產(chǎn)品的質(zhì)量，隨著檢測技術(shù)的發(fā)展及檢測設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用，很多以往難以判斷的質(zhì)量問題可以更準(zhǔn)確的評判并給出更經(jīng)濟(jì)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(jìn)行半成品試驗過程中出現(xiàn)電壓比、線圈直流電阻及聯(lián)結(jié)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(xiàn)同類半成品試驗異常時，僅能通過進(jìn)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(zhǔn)確定位故障點(diǎn)在故障線圈的位置。而故障線圈內(nèi)部絕緣未經(jīng)過高能量放電（或高熱量碳化過程），不會出現(xiàn)絕緣碳化痕跡，也即是故障點(diǎn)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(diǎn)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(shè)計巧妙的試驗方案讓線圈故障點(diǎn)發(fā)熱，并利用紅外熱成像儀進(jìn)行故障定位，再快速消除故障點(diǎn)。紅外熱成像儀是利用熱成像技術(shù)，將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見熱圖顯示被測目標(biāo)溫度及其分布的裝置。通過觀察物體的紅外熱分布圖，根據(jù)溫度的差異來找出溫度的異常點(diǎn)，快速定位故障位置。使用紅外熱像儀無需接觸檢測設(shè)備，并且不受電磁干擾和強(qiáng)光眩光影響檢測準(zhǔn)確性，測溫靈敏快速，可以在距離設(shè)備幾米、幾十米的地方進(jìn)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(shè)備，可以先從較遠(yuǎn)距離進(jìn)行總體情況的觀察，再對發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)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(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)，高壓線圈為多層線繞結(jié)構(gòu)。高壓三相線圈為三角連接方式（D接），并且上下線圈并聯(lián)結(jié)構(gòu)；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(dú)立的線圈。

在變壓器引線制作完成的半成品試驗時發(fā)現(xiàn)電壓比異常；拆除高壓D接連接引線后，逐個對單相線圈進(jìn)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(huán)境溫度32℃時，當(dāng)溫度偏差1.5℃時，直流電阻偏差可達(dá)±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(jù)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(shù)還是存在短路點(diǎn)。若A相低壓線圈存在短路點(diǎn)，則相當(dāng)于短路故障處產(chǎn)生了短路環(huán)；在空載試驗時，高壓側(cè)線圈施加空載電壓，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，低壓線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢在線圈內(nèi)部將形成短路環(huán)流，如圖1所示，短路環(huán)流再通過電磁感應(yīng)回到到高壓側(cè)，A相高壓空載電流就為短路環(huán)流加上勵磁電流，因此高壓側(cè)空載電流會增大；若A相低壓線圈不存在短路點(diǎn)僅是匝數(shù)少，那么進(jìn)行空載試驗時，高壓側(cè)線圈施加空載電壓，低壓線圈雖然也有感應(yīng)電勢，但低壓線圈處于開路狀態(tài)無短路環(huán)路，不存在短路環(huán)流，因此高壓側(cè)空載電流就僅僅是較小的勵磁電流。

圖1 低壓線圈短環(huán)示意圖

為了進(jìn)一步驗證A相低壓線圈是否短路情況，直接對整臺器身進(jìn)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(cè)開路，從高壓側(cè)A、B、C三相加電壓升至100 V，A、B兩相的空載電流達(dá)0.2 A左右，C相空載電流為0；當(dāng)高壓A、B、C三相加電壓升至240 V，A、B兩相的空載電流達(dá)1.3 A左右，C相空載電流為0；根據(jù)GB/T 6451-2015標(biāo)準(zhǔn)要求，2 500 kVA變壓器正常情況下空載電流應(yīng)為額定電流0.55%倍，而變壓器高壓側(cè)額定電流為41.2 A，也即標(biāo)準(zhǔn)空載電流應(yīng)不大于0.23 A左右。器身空載試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

根據(jù)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(yuǎn)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(nèi)部存在短路點(diǎn)，并根據(jù)前面直流電阻測量結(jié)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(tài)，沒有干燥浸泡在絕緣油中，不能通過高電壓感應(yīng)試驗來將短路故障點(diǎn)處的絕緣擊穿碳化；在此情況下，貿(mào)然拆出線圈查找故障點(diǎn)比較困難（短路處未經(jīng)高電壓放電碳化，找不到故障點(diǎn)），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(shè)計試驗方案

為了更加準(zhǔn)確查找出故障點(diǎn)，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(shè)計了一個試驗方案，試圖將短路點(diǎn)故障擴(kuò)大，并采用了紅外熱成像儀進(jìn)行故障點(diǎn)精準(zhǔn)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(jīng)過故障點(diǎn)，因故障點(diǎn)接觸電阻較大，根據(jù)短路電流熱效應(yīng)焦耳定律（熱量Q＝I2×R×t，I為短路電流，R為短路點(diǎn)接觸電阻，t為短路電流通過短路接觸點(diǎn)的時間），長時間的發(fā)熱后將故障點(diǎn)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(diǎn)處的發(fā)熱量較大，該處溫度較周邊非故障點(diǎn)處的溫度較高，可以利用紅外熱成像儀查找熱點(diǎn)溫度來進(jìn)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(dú)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(cè)空載電流約3 A左右，按照電壓比折算到低壓側(cè)短路電流達(dá)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(jī)，在距試驗樣品約1 m處進(jìn)行圍繞一周的紅外熱點(diǎn)檢測［14］，通過紅外熱成像儀檢查整個線圈的熱點(diǎn)溫度來判斷短路故障點(diǎn)。

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(diǎn)溫度達(dá)到40.2℃，與周圍熱成像圖顏色有明顯差異（已經(jīng)轉(zhuǎn)為紅色），至此可以初步判斷該處為故障點(diǎn)。

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(diǎn)在面向高壓側(cè)線圈的中下部，如圖6所示，大概可以判斷短路點(diǎn)在低壓下部線圈面向高壓出線一側(cè)。

圖6 熱成像儀定位的簡圖

2.2 試驗時長的確定

設(shè)計該試驗?zāi)康挠袃蓚€：一是通過短路電流流過短路故障點(diǎn)處發(fā)熱將該處絕緣材料加熱至有碳化痕跡便于精準(zhǔn)查找到故障點(diǎn)；二是通過故障點(diǎn)處發(fā)熱量與其他地方發(fā)熱量差異，體現(xiàn)在熱成像儀上溫度差異，從而定位故障點(diǎn)的方位。通過前面熱成像儀的溫度分布圖已經(jīng)定位了故障點(diǎn)的方位，接下來就要繼續(xù)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(diǎn)處的絕緣材料出現(xiàn)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(dá)到105℃。在進(jìn)行該試驗時，既要保證短路電流通過低壓線圈時發(fā)熱量足夠大以致可以使短路故障點(diǎn)處的層間絕緣材料出現(xiàn)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(fā)熱量過大而使線圈整體的絕緣材料出現(xiàn)老化情況。因此，合理設(shè)置試驗時間很重要。

根據(jù)物體發(fā)熱時溫度變化與熱量的關(guān)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(fā)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(jié)合式（2）～（3）的關(guān)系，可以推導(dǎo)出線圈發(fā)熱溫度到一定溫度時所需要的時間之間的關(guān)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(shè)完全理想狀態(tài)下，每匝線匝重量應(yīng)為3.44 kg，而低壓線圈內(nèi)部通過的短路電流前文已經(jīng)計算出為350 A。接下來要推導(dǎo)短路故障點(diǎn)處的接觸電阻。

按照圖7所示的低壓線圈短路狀態(tài)下的簡化電路圖，假設(shè)A相低壓線圈短路故障點(diǎn)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(jù)前文表1測得線圈電阻值，因上下兩個低壓線圈結(jié)構(gòu)相同，可以假設(shè)上下低壓線圈電阻正常情況下應(yīng)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(shù)考慮假設(shè)為1匝，理想狀態(tài)下低壓1匝線的電阻R2＝0.000 061 Ω。

結(jié)合式（5）～（6）可以推導(dǎo)出短路故障點(diǎn)處的接觸電阻R3＝0.000 156 3，再根據(jù)式（4）來推導(dǎo)空載時長，要達(dá)到接觸點(diǎn)處絕緣材料出現(xiàn)碳化痕跡，那么溫度至少達(dá)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(fā)熱量導(dǎo)致的溫度升高值是否會導(dǎo)致非故障點(diǎn)處的絕緣材料老化：

通過上面的推導(dǎo)可知，試驗2 h整個低壓線圈的平均溫度僅升高至39℃，遠(yuǎn)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(diǎn)的接觸電阻較大（實(shí)際短路故障點(diǎn)處的接觸電阻應(yīng)該較理論計算電阻更大），經(jīng)過2 h的發(fā)熱試驗后，將此處的絕緣加熱至出現(xiàn)碳化痕跡。至此，確定了設(shè)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(jié)構(gòu)，要查找低壓線圈的故障點(diǎn)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(shù)第三層高壓出線側(cè)找到了故障點(diǎn)，如圖8中畫圈處。從圖上可以清晰看到故障點(diǎn)處絕緣經(jīng)過單相長時間空載試驗后已經(jīng)碳化變黑，與周圍絕緣紙有明顯差異，很容易查找到故障點(diǎn)進(jìn)行處理。通過故障點(diǎn)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(dǎo)致層間短路。在將銅箔故障點(diǎn)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(jìn)行初步故障點(diǎn)的定位，再拆解線圈找到故障點(diǎn)，極大提高故障檢測的精確度和效率。

圖8 低壓線圈故障點(diǎn)

4 故障檢修處理成本分析

首先從該變壓器繞組結(jié)構(gòu)來分析，繞組為高低壓線圈套繞結(jié)構(gòu)，低壓兩個上下雙分裂獨(dú)立線圈，高壓上下分裂線圈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)蛪豪@組出現(xiàn)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(nèi)部情況。

以往出現(xiàn)類似故障時，沒有巧妙利用空載試驗時故障點(diǎn)處熱效應(yīng)將絕緣加熱碳化，是較難通過肉眼來檢查出絕緣細(xì)小損傷之處；并且，沒有利用熱成像儀進(jìn)行輔助查找故障點(diǎn)，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(jié)構(gòu)又較為特殊，在查找故障點(diǎn)時傳統(tǒng)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(jīng)碳化的絕緣破損故障點(diǎn)。

而按照本文設(shè)計一個單相長時空載試驗后，故障點(diǎn)處絕緣碳化更便于肉眼查找故障點(diǎn)，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(jié)構(gòu)，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(nèi)可以較快找到故障點(diǎn)。

根據(jù)以上故障檢測過程及處理方案，與原傳統(tǒng)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(shè)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(jié)束語

本文介紹了通過采用新檢測方法，來快速準(zhǔn)確地找到線圈短路故障點(diǎn)，避免盲目大范圍地檢修。該方法根據(jù)線圈短路故障后進(jìn)行空載試驗時，短路線圈內(nèi)部存在短路環(huán)流的原理，并利用短路環(huán)流的熱效應(yīng)，將故障點(diǎn)處的絕緣碳化（放大故障痕跡）；并且進(jìn)行了精細(xì)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(diǎn)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(diǎn)是創(chuàng)新運(yùn)用紅外熱成像儀進(jìn)行故障的準(zhǔn)確定位。便于后期拆開線圈精準(zhǔn)查找到故障點(diǎn)。

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