某船干式變壓器故障原因分析

陳明 徐迅之 姚斌 杜智慧 劉茂輝

摘? ? 要：本文主要根據(jù)某船干式變壓器故障現(xiàn)象，開展故障原因分析、排查及定位工作。結合干式變壓器結構性能特點及相關標準要求，闡述了干式變壓器在船上應用的注意事項，可供船用干式變壓器選用、檢驗及安裝使用提供參考。

關鍵詞：干式變壓器;箔繞;冷卻;局部放電試驗

中圖分類號：U665.1? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Fault Cause of Shipboard Dry-type Transformer

CHEN Ming1，XU Xunzhi1，YAO Bin2，DU Zhihui2，LIU Maohui2

（ 1.The First Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 510715 ;

2. CSSC Huangpu Wenchong Ship Building Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： Based on the fault phenomenon analysis of a shipboard dry-type transformer， the fault cause analysis， troubleshooting and positioning work are carried out. Combined with the structure and performance characteristics of the dry type transformer and the relevant standard requirements， this paper expounds the matters needing attention in the application of the dry-type transformer on the ship， which can provide reference for the selection， inspection， acceptance and installation of the shipboard dry- type transformer.

Key words： Dry-type transformer; Foil winding; Cooling; Partial discharge test

1? ? ?引言

隨著船舶向著大型化、自動化和綜合電力推進方向發(fā)展，電網(wǎng)容量及配電系統(tǒng)電壓等級逐漸提高，常規(guī)船用變壓器已不能滿足使用要求，需采用大功率干式變壓器才能滿足要求。目前電力推進系統(tǒng)移相變壓器或主日用變壓器廣泛使用環(huán)氧澆注型干式變壓器，其澆注線圈的整體機械強度高、抗短路能力強、局部放電小、效率高、體積小、噪音低、防潮及耐腐蝕性能好，適合在惡劣的環(huán)境條件下使用。

2? ? ?干式變壓器組成

干式變壓器主要由鐵芯和環(huán)氧樹脂澆注的線圈組成：

（1）鐵芯

鐵芯所使用的硅鋼片采用45度全斜接縫，磁通沿著硅鋼片接縫方向通過。

（2）低壓線圈

低壓線圈多采用箔繞式。箔式繞線是以不同厚度的銅或鋁箔帶為導體、以寬帶狀的H級絕緣材料為層間絕緣、以窄帶狀的絕緣材料為端絕緣，在箔式繞線機上一次完成卷繞形成卷狀線圈，同時完成線圈內(nèi)外側引線的焊接及外表面包扎。

（3）高壓線圈

高壓線圈多采用連續(xù)線繞式或箔繞式。線圈經(jīng)VPI真空壓力浸漬成堅固整體，從而避免了多層圓筒式線圈層間電壓高、散熱能力差、容易熱擊穿、機械強度低等缺點，提高了變壓器運行的可靠性。

干式變壓器冷卻常用自然空氣循環(huán)冷卻或強迫空氣循環(huán)冷卻。為了提高船舶使用的經(jīng)濟性和變壓器的運行效率，并有效降低變壓器的溫升，船用干式變壓器多采用強迫循環(huán)冷卻方式，變壓器與冷卻裝置之間有風道連接，風機將變壓器殼內(nèi)的熱氣抽出，進入冷卻裝置進行冷卻。

3? ? ?某船干式變壓器故障情況

某船進行1號日用變壓器半自動狀態(tài)下岸電轉(zhuǎn)船電試驗：該變壓器容量為1 600 kVA、690 V/398 V（空載），空載損耗為2 400 W;變壓器經(jīng)預充磁后原邊合閘，此時副邊未進行任何操作，約10 s后日用變壓器原邊主開關過流故障跳閘。

現(xiàn)場查看：變壓器箱體外表溫度較高，并且W（T）相底部有燒焦現(xiàn)象;打開柜門后發(fā)現(xiàn)變壓器外表面有一層黑色浮灰，低壓上夾件一側靠近W（T）相線圈的溫度傳感器線纜用的走線槽融化約10 cm;拆開垂直隔板觀察發(fā)現(xiàn)C相線圈側面底部發(fā)生故障，可見環(huán)氧樹脂外表破裂，下方底座上有融化的物質(zhì)（見圖1）;預充磁變壓器、空水冷裝置及狀態(tài)監(jiān)測單元無見故障。

圖1? 變壓器C箱底部損壞情況

后續(xù)對2號日用變壓器進行了感應高壓、絕緣電阻、工頻耐壓、變壓比、空載損耗、空載電流等物理參數(shù)測試：感應高壓試驗時，當電壓加載到300 V左右時電壓突降到220 V，再次逐步加載電壓到690 V左右時電壓突降到260 V左右，感應高壓試驗停止;隨后復測空載試驗，當電壓加到15 V時，電流已達到14 A左右，表明2號日用變壓器內(nèi)部匝間絕緣已擊穿。

4? ? ?故障原因診斷與分析

（1）1號日用變壓器發(fā)生故障后，對變壓器外部線路進行檢查，外部電纜的絕緣及相序正常，排除線路以及接線錯誤引起的故障;

（2）變壓器C相繞組副邊一側底部有燒毀的痕跡，變壓器表明覆蓋有黑色的浮灰，表明燒毀爆裂處發(fā)生了短路。變壓器故障是由于匝間短路引起，可能是變壓器本體或外部用電環(huán)境變化引起的過電壓造成的絕緣擊穿;

（3）采用日用變壓器科研樣機在該船上進行日用變壓器空載投入、船岸電不斷電轉(zhuǎn)換等試驗：試驗過程中記錄的電壓、電流均正常，排除了外部電力系統(tǒng)即用電環(huán)境等外部因素造成變壓器故障的可能性;

（4）在排除外部因素引起的故障，日用變壓器廠對發(fā)生故障的C相線圈進行了拆解排查，分析重點放在變壓器本體的生產(chǎn)及施工工藝上。短路故障樹包含線圈受潮、絕緣厚度、絕緣老化、銅箔錯位、銅箔焊接、試驗步驟及方案、銅箔邊緣毛刺、銅箔厚度、過電流電壓等方面;

（5）變壓器本身方面的原因包括：絕緣材料材質(zhì)、線圈情況、絕緣厚度、銅箔的位移、長時間運行引起的絕緣老化等。

下面進行逐項分析：

① 線圈受潮

該變壓器為線圈整體環(huán)氧澆筑型式，繞組封閉在環(huán)氧樹脂內(nèi)。在運輸和運行過程中，水汽均無法接觸到銅箔，故排除線圈受潮引發(fā)故障;

② 絕緣厚度

C相線圈拆解后，對初級及次級繞組的層間絕緣分別選取三處進行了測量，測量結果均符合圖紙及工藝的要求，因此可排除因絕緣厚度過薄引起的短路;

③ 絕緣老化

將變壓器的層間絕緣材料送到第三方進行材料檢測。檢測報告顯示，材料相關指標與材料物理參數(shù)基本一致;加上變壓器在投入使用7天后就發(fā)生故障，且沒有帶大的負載，只是參與船岸電轉(zhuǎn)換試驗，在出現(xiàn)故障時三相電流顯示均在50 A左右。因此可以排除長時間運行引起的絕緣老化可能引發(fā)故障的情況;

④ 線圈銅箔錯位

對變壓器C相線圈銅箔端部到絕緣紙端部的距離進行了測量，兩端均符合要求。故可排除線圈繞制過程中銅箔的錯位導致的端部絕緣低引發(fā)故障的可能性;

⑤ 銅箔厚度

排查生產(chǎn)過程記錄以及選取銅箔進行測量，結果顯示初級、次級銅箔厚度與圖紙要求厚度基本一致。

綜上所述，通過對故障變壓器的拆解及絕緣材料的化驗、厚度及物理參數(shù)的檢測，排除了銅箔的位移、絕緣材料材質(zhì)、線圈等方面的原因引起故障。

5? ? ?故障原因定位

根據(jù)引發(fā)短路故障的故障樹范圍，繼續(xù)排查變壓器的施工工藝：

（1）銅排焊接后處理過程

在拆檢損毀的變壓器時發(fā)現(xiàn)A相引線銅排和C相引線銅排焊接質(zhì)量較差。通過對變壓器線圈拆解后及對焊接過程和記錄的追溯：發(fā)現(xiàn)有磨光機打磨的過程;銅排附近的銅箔和絕緣層上有少量黑色的擊穿點。倒查該變壓器施工工序，此批次日用變壓器的銅排焊縫處因不夠平整，故采用了動力磨光機進行了打磨，且打磨后產(chǎn)生的銅屑清潔處理不夠徹底，從而導致有部分銅屑殘留在繞組內(nèi)部。A相初級高壓繞組終端的引線銅排拆開后的情況如圖2所示，從圖中可知焊口不平直、有尖角毛刺，并伴有經(jīng)過動力打磨后的痕跡。

此批次日用變壓器的銅排焊縫處因不夠平整進行了打磨，打磨后產(chǎn)生的銅屑清理不徹底導致有部分銅屑殘留在繞組內(nèi)部，出廠進行感應耐壓試驗時銅屑處的絕緣層已經(jīng)受到損傷，但還未完全擊穿。但在多次通電后，銅屑殘留的位置會對絕緣層有一定的磨損和集中放電現(xiàn)象，加速了層間絕緣的破損和老化，從而導致層間絕緣完全破損產(chǎn)生匝間短路，最終引發(fā)故障。

（2）出廠試驗項目、方法以及步驟

排查試驗過程記錄，開展了繞組冷、熱態(tài)絕緣電阻、變壓比、短路阻抗和負載損耗測量，以及空載損耗和空載電流測試、外施工頻耐壓試驗、感應耐壓試驗等，試驗數(shù)據(jù)符合指標要求。但日用變壓器廠在出廠試驗步驟沒有開展局部放電試驗項目，從而沒有發(fā)現(xiàn)日用變壓器繞組匝間的銅屑，導致故障發(fā)生。

6? ? ?故障發(fā)生的啟示

該船主變壓器在使用過程中連續(xù)發(fā)生匝間短路故障，在進行故障分析時要求生產(chǎn)廠家提供局部放電測量數(shù)據(jù)，但廠家提供不出數(shù)據(jù)，理由是變壓器的額定電壓為AC690 V/398 V，沒有達到干式變壓器標準要求的電壓1.1 kV，可以不參照執(zhí)行。

根據(jù)以上對故障原因的分析定位，為了杜絕上述質(zhì)量隱患：焊接完成后不能用動力磨光機打磨，應改用細砂紙打磨，同時用清潔的塑料薄膜覆蓋銅箔，防止碎屑、粉塵附落在銅箔上，打磨位置要低于繞線架;同時，焊接過程須在負壓狀態(tài)下進行，打磨后用專用清潔工具（如吸塵器）清理殘留的粉塵銅屑等雜質(zhì);此外，相對應的檢驗控制措施需要改進，銅排焊接要嚴格做到無虛焊、漏焊、毛刺、夾渣等，且需平直。光潔，確保銅箔上沒有殘留粉塵。

若能在出廠試驗時進行局部放電量測量，則可以非常容易的檢測到線圈層間是否有銅屑等金屬雜質(zhì)，從而排除隱患避免裝船后嚴重事故的發(fā)生。因此，局部放電量的測量是干式變壓器一個重要的出廠試驗項目，驗證其局部放電量在較低水平，保證繞制質(zhì)量。局部放電水平的最大值為10 pC，此指標越低越好。

開展局部放電試驗，需要注意以下幾點：

（1）局部放電試驗盡量安排在安靜的環(huán)境下進行，車間內(nèi)盡量無其他設備在同時運行;

（2）每次試驗前需測量環(huán)境背景下局部放電具體數(shù)值，作為變壓器開展局部放電測試時的基數(shù);

（3）試驗過程中，變壓器需進行可靠接地。

7? ? ?結論

在選用干式變壓器時，不僅要關注其結構形式、定額數(shù)據(jù)匹配性、性能指標，而且要關注出廠試驗項目并嚴格按照施工程序及工藝開展生產(chǎn)及檢驗工作，特別在銅排焊接、銅箔繞制和線圈澆筑等關鍵工序點要嚴格過程控制。同時，各種電壓等級的干式變壓器都需要在出廠試驗時做局部放電量測量，以保證變壓器的可靠使用。