變壓器線圈局部過熱的常見情況和問題分析

賀巍

摘要：隨著我國城市化建設進程加快，城市用電需求量急劇增加，變壓器單臺容量提升。受到容量荷載限制，用電量增加使得漏磁場增強，從而引發(fā)渦流損耗不均，形成局部過熱，嚴重縮短了變壓器的使用壽命。本文以變壓器線圈過熱現(xiàn)象為主要內容，基于變壓器典型結構以及過熱問題特點，分析常見的變壓器線圈局部過熱現(xiàn)象，包括材料參數(shù)、漏磁場、油箱屏蔽等導致的局部過熱，并選擇合適的器材進行測試，確定測試方案指出注意事項，為解決變壓器線圈局部過熱問題提供參考。

關鍵詞：變壓器;線圈;局部過熱;常見現(xiàn)象

引言：在城市電網(wǎng)安全運行的要求下，變壓器運行需具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，能夠承載城市電力的運輸以及一定程度的短路能力，防止出現(xiàn)線圈過熱損壞[1]。由短路引起的電網(wǎng)事故時有發(fā)生，在短路情況下線圈內的短路電流是正常運行狀態(tài)下的數(shù)十倍，容易引發(fā)線圈變形、折斷、燒毀、松散等，進而產(chǎn)生大面積的停電事故，對區(qū)域城市供電帶來較大影響。隨著大容量變壓器設備的不斷升級與改進，加大防止局部過熱、降低損耗等研究，能夠有效提高變壓器線圈的使用壽命，提高傳輸效率節(jié)約電能損耗?；诖?，本文對變壓器線圈局部過熱的常見情況進行以下探究。

1變壓器典型結構及其線圈局部過熱問題

1.1變壓器典型結構

變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱、輔助油箱、呼吸器、防爆管、測量裝置、冷卻裝置等組成，其中鐵芯、繞組是核心結構[2]。為了減少磁滯損耗，不同類型的變壓器鐵芯形狀與結構存在較大的差異，城市電力運輸采用的大容量變壓器大多為心式鐵芯繞組，用鐵量較少。

1.2變壓器線圈局部過熱問題的特點

在變壓器線圈局部過熱問題上，國內外學者已經(jīng)有了較為豐富的研究，但在試驗過程中仍舊面臨著一些難點，致使該問題始終難以得到合理解決：一是變壓器漏磁分布不均，尤其是大容量變壓器結構尺寸較大，劃分節(jié)點缺乏可行的技術與方法，可靠性不強;二是線圈局部過熱現(xiàn)象的重點在于繞組受力計算，需建立復雜的三維結構進行有限元網(wǎng)格分析，理論模擬與實際運行存在差距;三是計算量大、算法復雜，現(xiàn)有的求解方法豐富但均受到一定的限制;四是線圈過熱產(chǎn)生變形、位移的情況不一致，對磁場分布的影響變化多端，還需充分考慮到機械強度等因素。

2變壓器線圈局部過熱的常見現(xiàn)象

2.1變壓器材料參數(shù)及局部過熱現(xiàn)象

從本質上來看，變壓器線圈局部過熱受到電磁力分布的影響，電磁力分布不均，則根據(jù)電磁力分布規(guī)律將會出現(xiàn)局部過熱的問題[3]。在變壓器器件選擇以及材料參數(shù)設計中，部分參數(shù)甚至不合理則會嚴重影響線圈電磁力分布，進而導致局部過熱現(xiàn)象出現(xiàn)：一是油箱到線圈外表面距離，高壓繞組下該材料參數(shù)的影響不大，不論是輻向力還是軸向力，變化幅度較小;低壓繞組下輻向力無變化，但軸向力呈現(xiàn)出增大的趨勢，距離越大則軸向力越大，其主要是受到屏蔽方式等影響。二是壓板參數(shù)，壓板材質、厚度對線圈受力的影響較大，厚度增加則輻向力減小，軸向力增加。三是拉板參數(shù)，在漏磁場下拉板參數(shù)與渦流大小息息相關，從而對線圈局部過熱分布造成影響。四是夾件參數(shù)，金屬壓板的變壓器需考慮夾件參數(shù)對線圈電磁力分布的影響，但由于現(xiàn)階段絕大部分的變壓器采用絕緣壓板，此時夾件材料的影響不大，因此可以忽略該材料參數(shù)的影響。

2.2變壓器漏磁場及局部過熱現(xiàn)象

不同結構原理、不同材料的變壓器漏磁場存在差異，需根據(jù)設備實際情況加以定量計算與分析，根據(jù)渦流與損耗密度等規(guī)律，明確線圈過熱區(qū)域[4]。在無屏蔽設計的情況下，由于結構設計缺陷，油箱將會產(chǎn)生嚴重的局部過熱，使得外繞組、油箱較近的一側中部區(qū)域局部過熱，需加裝屏蔽措施。拉板、夾件材料得以優(yōu)化的情況下，能夠有效減小渦流，線圈過熱的情況有所減緩，但要注重磁屏、鐵芯表面等區(qū)域過熱導致的線圈過熱。在設計允許的情況下，根據(jù)拉板電磁力分布進行熱判斷，針對局部過熱的位置開槽，增加絕緣，同時防止各個器件不良接觸產(chǎn)生過熱。此外，根據(jù)漏磁分布劃分局部過熱區(qū)域，調整磁密，減少過熱現(xiàn)象。

2.3變壓器油箱屏蔽及局部過熱現(xiàn)象

油箱屏蔽材料、高度、厚度以及綜合作用情況對線圈電磁力分布有著較大的影響，形成的漏磁分布存在差異，需加以針對性分析。屏蔽作為防止局部過熱的重要措施，不同的屏蔽組合、屏蔽原則其局部過熱的屏蔽效果不同。通常情況下，屏蔽高度應超出線圈30%左右，材料可選擇銅屏，以此來避免線圈上部受到油箱影響出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。屏蔽厚度由材料決定，銅屏只需4mm左右厚度，而磁屏厚度應在銅屏的五倍左右，該過程中應考慮到設備成本，達到厚度臨界值后效果改善不大。此外，注重接縫處的過熱現(xiàn)象，尤其是磁屏與油箱接縫、銅屏與磁屏接縫等，應結合實際的過熱情況加大屏蔽組合設計，提高屏蔽效果。

3變壓器線圈局部過熱問題的測試方案

3.1測試器材

為解決變壓器線圈局部過熱問題，需加強線圈電磁力大小、分布、隨時間變化情況，計算并明確機械強度，以此來調整線圈結構。由于結構復雜，單依靠計算、理論模型來評估可靠性不強，因此需結合實際測量，來加以判斷。如，可采用加載光學測試系統(tǒng)的攝像設備，對變壓器運行過程中線圈受力變形、位移等加以測量和記錄，形成過熱分布成像，根據(jù)熱成像數(shù)據(jù)來調整變壓器繞組數(shù)據(jù)。

3.2測試方案

基于以上測試器材與系統(tǒng)的選擇，根據(jù)變壓器線圈局部過熱時出現(xiàn)的明顯位移變化，由光學測試系統(tǒng)加以檢測，結合位移變化量與熱量變化量之間的關系，進行實時計算和判斷。該技術的應用需確保線圈位移可測量，即在變壓器側面開孔觀測，明確測量的距離、開孔大小、光源照明需求等。由于變壓器線圈過熱有可能發(fā)生在一瞬間，因此需縮短測量的時間，加大頻率。為了提高測試穩(wěn)定性，需提供獨立電源，采取相應的保護措施，減少測量誤差。

3.3注意事項

在測試試驗的過程中，需注意：一是大容量變壓器線圈附近通常充滿了油，光測試效果可能存在偏差，尤其是油變色、光源折射等問題，可采取一定的預處理措施，消除偏差;二是電力變壓器的高壓繞組、低壓繞組結構問題，外側只能夠測量到高壓繞組，過熱判斷存在局限;三是突然短路時由于瞬時發(fā)生，線圈瞬間變形，且位移較大，此時判斷較為困難，且容易損壞測量系統(tǒng)。

結論：綜上所述，通過對變壓器線圈局部過熱的影響因素及常見現(xiàn)象進行研究，可分為從變壓器器件選擇、變壓器運行控制、變壓器溫度測試等方面，加強對線圈局部過熱問題的關注。結合變壓器線圈局部過熱的原理，在器件選擇上應注重油箱、壓板、拉板、夾件對線圈電磁力分布的影響，提高器件選擇的合理性，減少漏磁場。在變壓器運行的過程中，應加大漏磁場、油箱屏蔽等問題的關注，選擇合適的器材、測試方案加大局部過熱測試。此外，應注重變壓器線圈局部過熱數(shù)據(jù)收集，在智能化發(fā)展的趨勢下，加大局部溫度檢測與自動分析，便于及時采取相應的控制方法，防止線圈局部過熱對變壓器的整體運行造成影響。

參考文獻

[1]楊磊.電力變壓器局部過熱實例分析與處理[J].電工技術，2020（11）：91-93.

[2]姚志，祁穎矢，李錦軍.大型變壓器結構件損耗及局部過熱仿真研究[J].變壓器，2015，52（07）：30-33.

[3]李巖，額爾和木巴亞爾，張霄霆，井永騰，李曉輝.變壓器磁熱耦合計算與局部過熱屏蔽措施[J].沈陽工業(yè)大學學報，2012，34（04）：366-371.

[4]趙峰，王凱，張俊杰，劉東升.大容量變壓器局部過熱問題分析[J].變壓器，2009，46（07）：74-75.