干式變壓器結構及老化故障分析

丁濟民

合肥博微田村電氣有限公司 安徽 合肥 230000

引言

干式變壓器與油浸式變壓器最大的差異在于絕緣和冷卻方式，油浸式變壓器依托于絕緣油來保障其內部絕緣能力，同時其設備內部的散熱也以循環絕緣油的方式進行。干式變壓器則采用絕緣材料來保障匝間絕緣能力，同時干式變壓器中沒有油紙和油液，其采用風冷式散熱模式，根據裝機容量的不同，其風冷形式也各不相同[1]。從當前電力技術及發展需求角度來看，干式變壓器和油浸式變壓器適合應用的場景不同，干式變壓器在一些有較高防火防爆需求的場景中有獨特的應用優勢。由于干式變壓器其整體運行狀態受到絕緣材料的直接影響，因此在對干式變壓器進行研究的過程中，需要重點分析其絕緣材料的老化故障問題，在明確干式變壓器結構及優勢的基礎上，針對其絕緣特性進行分析并研究干式變壓器中絕緣材料老化因素是干式變壓器技術發展和設備應用的重要一環。

1 干式變壓器分類及優勢

1.1 干式變壓器分類

干式變壓器可根據不同分類方向分為多種類型，例如可根據絕緣材料類型分為環氧樹脂絕緣型干式變壓器和非環氧樹脂絕緣材料型干式變壓器。也可以按照絕緣等級進行分級，目前按照絕緣等級分級可將干式變壓器分為B級、F級、H級以及C級，按照絕緣等級分級對于不同絕緣需求下相關應用場景的干式變壓器選擇具有決定性意義。干式變壓器也可按其封閉形式進行分類，按照這一分類標準，可將其分為全封閉式干式變壓器、非封閉型干式變壓器以及封閉式干式變壓器三種。全封閉型其內部設備完全處于密封外殼之內，內部設備不與外部氣體環境接觸，其冷卻方式為內部循環氣冷。非封閉式設備無密封外殼，內部設備可與外部氣體環境直接接觸，其冷卻方式包括自然氣冷和風機強制氣冷。封閉式設備有非密封外部殼體，內部設備仍然可與外部氣體環境直接接觸，這種干式變壓器主要采用外部空氣循環的方式進行冷卻。

1.2 干式變壓器優勢

由于油浸式變壓器所使用的絕緣油為礦物質油，其主要成分包括各類烷烴、環烴以及不飽和烴等，作為原油提煉產物，其化學成分較為復雜且具有可燃性，因此其發生化學污染和火災的風險相對較大，干式變壓器與其相比防火性能優異且無有毒有害化學物質[2]。另外絕緣油對于設備運行環境要求相對較高，由于潮濕或較高的運行溫度都會對絕緣油產生相應的劣化影響，因此在設備適應性上干式變壓器表現更好。從安裝角度來看，干式變壓器整體設備質量和設備體積相對更小，設備所占空間小，安裝所需空間也相對較小，安裝操作更加簡便。除此之外當前電力系統中所應用的干式變壓器絕大多數擁有完善的溫度監測及保護系統，其設備安全性能相對更高。

2 干式變壓器結構分析

2.1 鐵芯

鐵芯是干式變壓器磁路結構的主體部分。對于變壓器而言，鐵芯相關參數直接決定了變壓器傳輸功率，不同鐵芯材料以及鐵芯橫截面積都能夠直接影響設備的傳輸功率。目前絕大多數干式變壓器鐵芯所采用的材料為硅鋼片，企業加工制造選用冷軋晶粒工藝。硅鋼片加工完畢后采用直接縫或全斜接縫的模式來保障正確的磁通路方向[3]。變壓器鐵芯所采用的硅鋼片有兩種常見類型，一種是厚度較薄的取向硅鋼片，另一種則為厚度較厚的無取向硅鋼片。根據變壓器磁通需求的不同，硅鋼片的組裝方式也有一定差異，如需較大的磁通，則硅鋼片組裝方式選擇交疊法，此種方式需要將加工好的硅鋼片交替分布于兩側，這樣能夠減小硅鋼片的間隙進而起到增大磁通的效果。干式變壓器最常使用的為EI型硅鋼片，此類硅鋼片組成的鐵芯包括76片型、86片型、96片型、105片型等，其基本長寬參數如下：76片型參數為63.3×76，86片型參數為71.6×86.0，96片型參數為80.0×96.0，105片型參數為87.5×105.0。 EI硅鋼片長寬參數與鐵芯整體片數成正比。

2.2 繞組

干式變壓器繞組包括高壓線圈和低壓線圈，不同線圈套于鐵芯之上共同組成相應的電磁感應裝置。干式變壓器中的高壓線圈和低壓線圈可作為獨立結構進行分析。設備中10~36kV的高壓繞組其結構包括多層圓筒結構以及分層結構，而低壓線圈則包括分層結構和箔式結構。從繞組類型上來看，由于當前應用最廣泛的干式變壓器為絕緣樹脂干式變壓器，因此其繞組間絕緣材質也為環氧樹脂。從類型上來看當前絕大多數環氧樹脂干式變壓器繞組間絕緣形式為玻璃纖維環氧樹脂澆注。這種繞組形式的干式變壓器絕緣等級為F和H級。從線圈絕緣隔離情況來看，此類線圈內外部均有相應的樹脂及玻璃纖維網格，絕緣性能好而且能夠在很大程度上避免模具澆筑時的樹脂開裂[4]。繞組有不同的線圈交互形式，主要包括同心式繞組、并聯式繞組、雙柱式繞組等，具體繞組形式需結合實際容量以及設備參數需求決定。

3 干式變壓器絕緣分析

關于干式變壓器絕緣的分析主要應從材料的絕緣等級、擊穿場強、介質損耗及力學性能這幾點入手。目前，行業內應用的干式變壓器絕緣等級一般為F級或H級，因此材料最高允許溫度為155℃或180℃，繞組溫升限值為105K或125K，性能參考溫度為120℃或145℃。擊穿場強可以從近年來10kV線路干式配電變壓器燒毀事故上進行分析，根據此類事故研究報告顯示，半數以上該類型事故起因為絕緣老化，由于絕緣材料老化，因此在工作電場中絕緣材料通過的電流顯著增加，導致其絕緣性能大幅下降進而導致電擊穿并引發火災，原材料老化會增加電擊穿概率，而絕緣層厚度以及運行環境中的電壓頻率等參數也直接影響著擊穿場強的具體參數[5]。變壓器在運行過程中受環境參數、電力參數等因素影響會出現絕緣材料損耗的情況，當介質損耗至一定程度，導致其絕緣性能低于現值則容易引發絕緣材料熱擊穿。力學參數主要是不同溫度或濕度下絕緣材料的伸長率、抗拉強度、韌性等，以某型固體絕緣材料為例，其在20%適度下伸長率為22.1%，抗拉強度為282N/cm，而濕度變化為60%時，其伸長率為26%，抗拉強度減小至251N/cm[6]。而該材料在100℃時，其伸長率為19.4%，抗拉強度為249MPa，當溫度升高至150℃，時其伸長率增加至21.1%，抗拉強度下降至232MPa。材料在不同環境下，力學性能變化幅度越小，其絕緣性能隨環境變化越小。

4 干式變壓器絕緣材料老化故障因素分析

4.1 受潮老化

受潮老化是一種干式變壓器絕緣材料老化故障的常見類型。由于相當一部分干式變壓器，其內部設備與空氣環境有直接接觸，因此空氣環境中的水分子對于絕緣材料有直接的劣化影響。一方面來看絕緣材料長時間處于較多水汽影響之下會導致其電導增加，這種情況下絕緣材料的損耗速率同步增加。處于潮濕環境下的絕緣材料，其表面附著的水氣能夠在很大程度上溶解離子態物質或者導致強極性物質解離，此時絕緣材料自身的電氣性能發生較大變化，在接受外部電壓的情況下容易形成通路，此時絕緣材料的擊穿電場和擊穿電壓大幅下降，容易出現絕緣材料被熱擊穿的故障。

4.2 電老化

絕緣材料電老化是一種較為常見的干式變壓器老化故障。電老化主要包括兩種類型，一種為局部放電，而另一種是樹脂絕緣干式變壓器所產生的樹脂放電。局部放電在發生過程中遵循巴申定律，即Ub=f(pd)。由該式可知，繞組卷材料間隙出現的局部放電現象，其擊穿電壓與間隙距離以及氣體壓力有關，擊穿電壓與pd之間存在相應的函數關系，根據巴申定律可以計算出擊穿電壓最小值。這種局部放電現象會對有機高分子材料產生較大的電氣特性影響。變壓器屬高壓設備，在此基礎上，局部放電容易產生少量O3和某些氮氧化物，此類物質不僅會導致絕緣材料直接裂解，而且其與空氣中水分子結合所生成的酸性物質也會對絕緣材料造成腐蝕。此外局部放電也會產生相應的熱效應，溫度升高也會對絕緣材料的整體性能產生影響，長時間處于較高溫度下的絕緣材料將出現開裂以及化學性質變化等使其絕緣性能降低的問題。

4.3 熱老化

關于干式變壓器絕緣材料熱老化故障，可以結合十度法則來進行分析。十度法則是國際電工協會經過長時間數據搜集及實踐實驗所得出的一項關于干式變壓器壽命與使用溫度之間的關系[7]。該法則指出，干式變壓器內部溫度每升高10℃，變壓器穩定運行時長減少0.5倍。從這一點上可以了解干式變壓器內部溫度對于絕緣材料性能穩定時間有直接影響。以樹脂絕緣材料為例，當其所處環境溫度升高，材料質量隨時間延長逐漸減少，有實驗數據表明，當樹脂絕緣材料處于170℃溫度環境下，暴露時間為24h時，其質量損失約為0.111%左右，這部分損失掉物質對于環氧樹脂絕緣性和力學特性均有較大影響，不僅導致絕緣材料電阻下降，同時也容易導致絕緣材料開裂脫落[8]。

5 溫控系統對絕緣材料老化的影響分析

從本文對干式變壓器老化故障因素的分析結果上來看，設備內部的運行溫度對于設備整體穩定運行產生了較大影響，不論是電老化還是熱老化都在改變絕緣材料所處溫度的基礎上引發了絕緣材料老化和性能劣化，因此科學有效的溫控系統，對于絕緣材料有著較好的保護作用。當前比較常見的干式變壓器溫度控制系統包括溫度顯示系統、熱敏電阻自動跳閘系統以及有風機進行強迫氣冷的風機自動控制系統。以某型干式變壓器溫度控制系統為例，其溫度顯示系統中采用的PT100型熱敏電阻能夠根據設備內部運行溫度的變化而調整自身電阻大小，進而實現對系統內部的溫度顯示。而該型溫度控制系統在預設參數方面規定，當監測到繞組溫度達到120℃時，系統將自動啟動循環風扇增加內部冷卻氣體流量控制設備運行溫度。而根據出廠參數設定該溫度控制系統將在設備內部運行溫度超過175℃時發出高溫報警信號并執行跳閘動作。整套系統從控溫角度最大限度避免了高溫因素對絕緣材料老化速率的影響。

6 結束語

隨著我國干式變壓器技術的不斷發展，最大限度保障干式變壓器的穩定運行并提升其設備穩定運行時長成為該類設備的重點研究內容，本文重點分析了干式變壓器的類型、優勢以及具體結構內容，研究了導致干式變壓器老化故障的各項因素，希望能對該方向上的相應技術發展起到一定推動作用。