35KV變電站站用變爆炸原因分析與解決方案的研究

馬軍輝

[摘要]變電站站用變是變電站的各種用電設(shè)備的電源，當(dāng)其出現(xiàn)故障必然會(huì)給變電站的各種設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)各種安全隱患。文章運(yùn)用理論分析了導(dǎo)致35KV變電站站用變爆炸的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。

[關(guān)鍵詞]站用變;爆炸原因;解決方案

引言

某單位35KV變電站備用站用變?cè)?016年8月份突然出現(xiàn)爆炸。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，爆炸站用變的B相電源出現(xiàn)炸裂。站用變是變電站配電設(shè)備中較為重要的設(shè)備，它不僅是變電站照明、通風(fēng)、冷卻、消防等設(shè)備的電源，而且還是配電設(shè)備控制電源的主要來(lái)源。當(dāng)站用變出現(xiàn)故障不僅會(huì)給變電站的各項(xiàng)工作帶來(lái)較大的麻煩，而且還給變電站內(nèi)的各項(xiàng)工作帶來(lái)較為嚴(yán)重的影響。

一、35KV站用變簡(jiǎn)介

35KV站用變是變電站照明、冷卻、通風(fēng)以及變壓器有載調(diào)壓和變壓器的冷卻風(fēng)機(jī)提供電源，而且還是變電站配電設(shè)備直流屏的供電電源，其能否可靠運(yùn)行對(duì)于整個(gè)變電站來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

35KV變電站站用變是額定電壓為35KV/0.4KV三相樹(shù)脂澆注型干式變壓器。如圖1所示。

變壓器的繞組采用的是心式結(jié)構(gòu)，其高壓、低壓繞組均做成圓筒形，同心地套在鐵芯柱上。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓繞組的外面，在高低壓繞組間采用樹(shù)脂澆筑進(jìn)行絕緣。某單位所爆炸的備用站用變始終處于熱備用狀態(tài)，在熱備用狀態(tài)時(shí)其一次側(cè)只有勵(lì)磁電流存在，二次側(cè)處于空載運(yùn)行狀態(tài)。

二、站用變爆炸原因分析

（一）什么是爆炸

為了分析站用變爆炸，我們首先了解什么是爆炸。爆炸就是指物質(zhì)非常迅速的化學(xué)或物理變化過(guò)程，在變化過(guò)程里迅速地釋放出巨大的熱量并生成大量的氣體，此時(shí)的氣體由于瞬間尚存在于有限的空間內(nèi)，所以會(huì)產(chǎn)生較大壓強(qiáng)。此較大壓強(qiáng)會(huì)對(duì)周圍的物體產(chǎn)生較大的壓力。當(dāng)壓力大于周圍物體所承受的壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生爆炸。

（二）站用變爆炸原因

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查爆炸站用變，發(fā)現(xiàn)爆炸站用變的B相一次側(cè)與二次側(cè)出現(xiàn)相間絕緣擊穿而引起的短路故障，進(jìn)而導(dǎo)致站用變出現(xiàn)爆炸。當(dāng)站用變高壓側(cè)與低壓側(cè)出現(xiàn)絕緣擊穿短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，在放電過(guò)程中會(huì)伴有發(fā)光、放熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。在放電過(guò)程中產(chǎn)生的高溫能量會(huì)導(dǎo)致絕緣樹(shù)脂分解產(chǎn)生大量氣體，當(dāng)產(chǎn)生的氣體較多、且在封閉的樹(shù)脂有限體積內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大壓強(qiáng)，當(dāng)氣體壓強(qiáng)超過(guò)樹(shù)脂的耐壓限度時(shí)，就會(huì)引起所用變樹(shù)脂絕緣層出現(xiàn)炸裂，也就是站用變出現(xiàn)了爆炸。由以上分析可以看出引起站用變爆炸的主要原因是站用變的高壓側(cè)與低壓側(cè)間樹(shù)脂絕緣的擊穿。導(dǎo)致樹(shù)脂絕緣的擊穿通常有三個(gè)原因：樹(shù)脂性能的變化，導(dǎo)致的耐壓不足引起的樹(shù)脂絕緣的擊穿;電壓高引起的樹(shù)脂絕緣的擊穿;樹(shù)脂在澆筑過(guò)程中內(nèi)部出現(xiàn)工藝問(wèn)題，導(dǎo)致的樹(shù)脂耐壓不足而引起的擊穿。

樹(shù)脂性能的變化，主要是指樹(shù)脂長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中時(shí)引起的樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)樹(shù)脂分子在裂解過(guò)程中會(huì)釋放出氣體和其他絕緣性能較低的物質(zhì)。此時(shí)當(dāng)站用變加上額定電壓時(shí)就會(huì)引起高壓側(cè)與低壓側(cè)間的樹(shù)脂絕緣的擊穿，隨著故障的發(fā)展最后導(dǎo)致站用變發(fā)生爆炸。

外電電壓高引起的樹(shù)脂絕擊穿可能性通常是比較小的，由于樹(shù)脂具有較高的強(qiáng)絕緣性能，在設(shè)計(jì)變壓器的絕緣時(shí)，通常設(shè)計(jì)的樹(shù)脂絕緣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器的額定電壓的，只要外電電壓不是太大，一般是不會(huì)引起樹(shù)脂絕緣擊穿的。

樹(shù)脂在澆筑過(guò)程中內(nèi)部出現(xiàn)工藝問(wèn)題，引起的樹(shù)脂耐壓不足，而引起的絕緣的擊穿，例如樹(shù)脂在澆筑過(guò)程中內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生，由于氣泡的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹(shù)脂的介電常數(shù)，從而導(dǎo)致樹(shù)脂絕緣的耐壓不足而引起的絕緣的擊穿。這只有通過(guò)改善變壓器的樹(shù)脂澆筑工藝而來(lái)改善。

下面主要對(duì)由于溫度原因而導(dǎo)致的樹(shù)脂絕緣性能的降低來(lái)進(jìn)行分析。

三、空載運(yùn)行變壓器熱損耗影響因素

變壓器空載運(yùn)行就是指變壓器的一次繞組接交流電源，二次繞組開(kāi)路、電流為零的狀態(tài)，就叫作變壓器的空載運(yùn)行。

在空載運(yùn)行的變壓器中通常存在一次繞組的電阻性損耗、鐵芯中存在的渦流損耗與磁滯損耗等三種熱損耗。這三種熱損耗是影響變壓器樹(shù)脂絕緣斷降低的根本原因。

（一）一次繞組中的電阻性損耗

變壓器的一次繞組線圈，在導(dǎo)線截面積、繞組線圈導(dǎo)線

總長(zhǎng)度一定的情況下，其電阻值是固定不變的，可根據(jù)電阻

的計(jì)算公式R=p（1/S）式（1）

在式（1）中，R：為繞組導(dǎo)線的電阻;

ρ：為繞組導(dǎo)線的電阻率，在溫度變化范圍不大的情況下，可看成定值;

l：為繞組導(dǎo)線的長(zhǎng)度;

S：為導(dǎo)線的截面積。

根據(jù)電阻的熱損耗公式，那么繞組線圈的熱損耗功率為

式（2）中的電流I為流過(guò)變壓器一次繞組的勵(lì)磁電流，

由式（2）可以看出，流經(jīng)一次繞組線圈的熱損耗功率與勵(lì)磁電流I的平方成正比，即勵(lì)磁電流越大，一次側(cè)的繞組線圈的熱損耗功率越大。

（二）鐵芯中的渦流損耗

為了分析方便我們假設(shè)變壓器沒(méi)有漏磁通，即磁通全部通過(guò)變壓器的鐵芯。

當(dāng)交變磁場(chǎng)通過(guò)變壓器的鐵芯時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，此時(shí)會(huì)在變壓器的鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于鐵芯材料是由導(dǎo)體構(gòu)成的，導(dǎo)體在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞磁通作渦旋狀流動(dòng)的電流，我們稱之為渦流。由渦流引起的損耗我們稱之為渦流損耗。

變壓器鐵芯中硅鋼片的渦流損耗可用式（3）表示。

在式（3）中，

ρ：硅鋼片的電阻率;

f：為交變磁通的頻率;

Bm：為交變磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值;

a：為硅鋼片的厚度;

V：為硅鋼片的體積。

由式（3）可以看出，在變壓器鐵芯硅鋼片材料確定，硅鋼片結(jié)構(gòu)以及交變磁場(chǎng)頻率固定的情況下，鐵芯中的渦流損耗PW只跟通過(guò)變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm有關(guān)。通過(guò)鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，那么由式（3）可以看出，通過(guò)鐵芯硅鋼片的渦流損耗也就越大。

（三）鐵芯中的磁滯損耗

當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度跟不上磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而滯后的現(xiàn)象，稱之為磁滯現(xiàn)象。鐵磁材料在處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，由于鐵磁材料中的磁疇在隨外界磁場(chǎng)變化過(guò)程中，磁疇壁相互間會(huì)不停地摩擦而消耗能量，我們把這種損耗稱之為磁滯損耗。

變壓器鐵芯中的磁滯損耗，可用式（4）來(lái)表示。

在式（4）中，C：為磁滯損耗系數(shù)，其大小取決于材料的性質(zhì);VT：為變壓器鐵芯的體積;對(duì)于一般的硅鋼片來(lái)說(shuō)n的取值范圍通常為1.6～2.3。

由式（4）可以看出，在鐵芯材料、體積以及通過(guò)鐵芯交變磁場(chǎng)頻率確定的情況下，鐵芯的磁滯損耗PC通常與交變磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值有關(guān)系。通過(guò)變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值越大，其磁滯損耗也越大。

（四）磁化電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)式（3）與式（4）可以看出，渦流損耗與磁滯損耗都與通過(guò)變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm都有直接關(guān)系。那么磁感應(yīng)B與空載變壓器的勵(lì)磁電流I又存在何種關(guān)系，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

為了是問(wèn)題分析簡(jiǎn)化，現(xiàn)用單芯變壓器進(jìn)行分析，且沒(méi)有漏磁通。假設(shè)變壓器的一次繞組的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，匝數(shù)為N，通過(guò)一次繞組的勵(lì)磁電流為I，那么根據(jù)安倍環(huán)路定律，可以計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：

那么通過(guò)變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

在式（6）中，μo：為真空的磁導(dǎo)率;

μr：為鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率;

μ：為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

由式（6）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與勵(lì)磁電流I，有較大關(guān)系，當(dāng)勵(lì)磁電流I變化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也會(huì)發(fā)生變化。

（五）影響勵(lì)磁電流的因素

由式（2）、式（3）、式（4）、式（6）可以看出，影響空載變壓器熱損耗的因素主要是，由勵(lì)磁電流I決定的。通常當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)，一次繞組線圈的電阻性損耗、渦流損耗、磁滯損耗等都會(huì)相應(yīng)增大。下面對(duì)影響勵(lì)磁電流的原因進(jìn)行分析。為了分析問(wèn)題簡(jiǎn)單，我們假設(shè)在整個(gè)磁路中沒(méi)有漏磁通且鐵磁材料的磁化曲線處于線性范圍，那么這時(shí)的磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率為常數(shù)。

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，我們可以將變壓器的一次側(cè)等效為一個(gè)電阻與一個(gè)電感相串聯(lián)的電路，如圖2所示。

那么流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流為

在式（7）中，

U：變壓器一次側(cè)的電壓;

Z：變壓器一次側(cè)的等效阻抗;

L：一次側(cè)的等效電感;

R：一次側(cè)等效電阻。

根據(jù)以上假設(shè)，等效電阻R以及等效電感L都是固定

、不變的。即等效阻抗Z也為定值，那么影響勵(lì)磁電流大小的因素只跟變壓器的一次側(cè)的電源電壓U有關(guān)系。當(dāng)外電電壓U增大時(shí)，勵(lì)磁電流I也會(huì)隨之增大。根據(jù)實(shí)際工作觀察，當(dāng)外電電壓增大時(shí)，勵(lì)磁電流也會(huì)隨之增大，但并不是線性關(guān)系。在這里面我們不考慮變壓器磁路系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的勵(lì)磁電流變化的因素，在整個(gè)分析過(guò)程中，我們都假設(shè)整個(gè)磁路系統(tǒng)是處于正常運(yùn)行、完好狀態(tài)。

由以上分析可知，導(dǎo)致流過(guò)線圈勵(lì)磁電流變化的因素，

主要就是外電變化而引起的。

四、站用變爆炸解決方案

（一）站用變輸入電源的選擇

經(jīng)過(guò)近一段時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)備用站用變電源電壓極不穩(wěn)定，在白天時(shí)電源電壓通常在37KV左右，且較為穩(wěn)定。但是到了半夜至天亮這段時(shí)間備用電源的電壓變化范圍較大，經(jīng)常處于39KV左右，有時(shí)甚至達(dá)到了40KV。這大大超過(guò)了備用站用變的額定輸入電壓。

當(dāng)變壓器處于空載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，外電的稍微增大，都會(huì)容易使變壓器的鐵芯處于磁飽和狀態(tài)。當(dāng)變壓器的鐵芯處于磁飽和狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)處于較大值，從而會(huì)導(dǎo)致變壓器的磁滯損耗與渦流損耗也會(huì)同時(shí)增大。這樣就會(huì)導(dǎo)致變壓器的發(fā)熱會(huì)增大，進(jìn)而會(huì)引起變壓器的溫度升高較大。當(dāng)變壓器的溫度較高時(shí)，不僅會(huì)降低樹(shù)脂絕緣的絕緣性能，而且會(huì)加速樹(shù)脂的老化失效速度。另外當(dāng)變壓器的輸入電壓較高時(shí)也比較容易導(dǎo)致樹(shù)脂絕緣的擊穿。

當(dāng)空載變壓器輸入電源的電壓較大時(shí)，流過(guò)變壓器一次側(cè)的勵(lì)磁電流通常也會(huì)較大，這也會(huì)導(dǎo)致流過(guò)線圈的熱損耗增大，這也會(huì)導(dǎo)致變壓器溫度升高。所以在選擇站用變的電源時(shí)，要選擇外電較為穩(wěn)定的電源，且輸入電源的電壓值不能太大，這是解決所用變爆炸的主要原因。

（二）加強(qiáng)站用變溫度的監(jiān)測(cè)

在實(shí)際工作中，我們經(jīng)常用到的站用變，沒(méi)有溫度監(jiān)測(cè)裝置，而且由于站用變大都裝設(shè)在封閉的箱體中，即使我們用測(cè)溫儀也不容易測(cè)得變壓器鐵芯的溫度。這給我們巡視、維護(hù)工作帶來(lái)了較大困難。當(dāng)加裝上溫度監(jiān)測(cè)裝置后，我們不僅可以實(shí)時(shí)的了解站用變的溫度，而且還可以確保站用變的運(yùn)行安全。

（三）增加站用變冷卻通風(fēng)裝置

變電站的站用變大多都裝設(shè)在箱體中，通常采用自然冷卻方式。在夏季外界溫度較高時(shí)，站用變的溫度通常也是比較高的。當(dāng)站用變溫度高時(shí)不僅會(huì)降低站用變樹(shù)脂的絕緣性能，而且還會(huì)加快樹(shù)脂絕緣老化失效速度。由以上簡(jiǎn)單分析可以看出，給變電站的站用變加裝冷卻通風(fēng)系統(tǒng)是十分必要的。

另外除了以上分析的三種解決方案以外，還可以采用將備用站用變退出熱備用狀態(tài)，這樣也可以延緩站用變樹(shù)脂絕緣的老化失效速度。其次在檢修站用變時(shí)要注意及時(shí)清除樹(shù)脂絕絕緣層與鐵芯夾縫間的灰塵，確保站用變冷卻通道暢通，以利于站用變有良好的散熱效果。

結(jié)語(yǔ)

文章以某單位備用站用變爆炸為例，運(yùn)用熱損耗理論，分析了因溫度導(dǎo)致站用變樹(shù)脂絕緣老化擊穿的因素，并提出了站用變爆炸的多種解決方案。這不僅提高了變電站站用變的使用壽命與運(yùn)行可靠性，而且還保障了變電站值班維護(hù)人員的人身安全。

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