某船用雙箔樹脂澆注干式變壓器燒蝕故障分析

王智勇， 單純正

(海裝駐上海地區(qū)第四軍事代表室，上海 201108)

0 引 言

自20世紀(jì)60年代德國研制出世界上首臺環(huán)氧澆注式干式變壓器[1]起，干式變壓器就進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，目前環(huán)氧澆注式干式變壓器已成為干式變壓器的主流型式。近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，干式變壓器得到了迅猛發(fā)展，尤其是在配電變壓器中，干式變壓器所占比例越來越大。據(jù)統(tǒng)計：在歐美等發(fā)達(dá)國家中，干式變壓器已占配電變壓器的40%～50%；在我國，干式變壓器約占配電變壓器的50%。高低壓均為箔式繞組、絕緣樹脂澆注變壓器是20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)的干式變壓器生產(chǎn)技術(shù)，其具有介電性能好、絕緣水平高、機(jī)械強(qiáng)度好、耐沖擊和抗短路力強(qiáng)等特點，產(chǎn)品防潮、阻燃、免維護(hù)，具有過熱保護(hù)措施，可靠性高，短時過載能力強(qiáng)，尤其適用于艦船和海洋工程等工作環(huán)境惡劣、安全運行要求高的場合[2]。隨著船舶朝著大型化、自動化和綜合電力推進(jìn)方向發(fā)展，電網(wǎng)容量逐漸增大，配電系統(tǒng)電壓等級逐漸升高，常規(guī)的船用變壓器已不能滿足船舶的使用要求，需采用大功率干式變壓器。目前，箔繞樹脂澆注干式變壓器廣泛用作船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)移相變壓器或主日用變壓器[3]。大型變壓器通常配置在能量系統(tǒng)的前端，一旦發(fā)生故障，后果往往較為嚴(yán)重，因此準(zhǔn)確定位故障原因、研判故障性質(zhì)尤為重要。本文以某船用箔繞干式變壓器為例，對其燒蝕故障進(jìn)行分析，為類似故障及隱患的排查提供參考。

1 故障概況

某船采用某型2.1 MVA雙箔樹脂澆注干式變壓器作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的整流變壓器，該設(shè)備是全船的主要動力設(shè)備之一。在某次常規(guī)備航流程中，左舷推進(jìn)變壓器預(yù)充磁5 s之后，主開關(guān)自動閉合，此時聽到設(shè)備中傳來電流放電聲，緊接著變壓器柜內(nèi)開始冒煙，操作人員發(fā)現(xiàn)該異常之后進(jìn)行了緊急分閘，全過程持續(xù)約10 s。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：預(yù)充磁變壓器外觀正常，絕緣情況良好；冷卻器、溫濕度控制器和變頻器等附件未發(fā)現(xiàn)異常；整流變壓器本體B相存在明顯的煙熏痕跡，A相和C相外觀相對良好；柜體內(nèi)有銅屑散落。根據(jù)銅屑散落位置，初步判斷故障點為整流變壓器內(nèi)部的B相副邊繞組。故障變壓器外觀見圖1。

圖1 故障變壓器外觀

2 設(shè)備概況與拆解檢查

該設(shè)備由預(yù)充磁變壓器、整流變壓器本體、冷卻裝置、整流裝置和控制模塊組成。預(yù)充磁變壓器用來減小空載合閘時可能出現(xiàn)的數(shù)倍于額定電流的沖擊電流；鐵芯使用硅鋼片，采用45°全斜接縫，磁通沿著硅鋼片接縫方向通過；高壓線圈和低壓線圈均采用銅箔帶作為導(dǎo)體，采用寬帶狀的H 級絕緣材料作為層間絕緣，采用窄帶狀的絕緣材料作為端絕緣，在箔式繞線機(jī)上完成卷繞形成卷狀線圈，同時完成線圈內(nèi)外側(cè)引線的焊接和外表面包扎；線圈經(jīng)真空壓力浸漬(Vacuum Pressure Impregnating, VPI)工藝浸漬成堅固整體；變壓器采用強(qiáng)迫循環(huán)冷卻方式，變壓器本體與冷卻裝置之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)機(jī)將變壓器殼內(nèi)的熱氣抽出，進(jìn)入冷卻裝置內(nèi)冷卻。全船按左舷和右舷配置2臺該型變壓器，其功能流程見圖2。

圖2 2.1 MVA船用推進(jìn)變壓器功能流程

變壓器采用軸向分裂式變壓器，一次側(cè)采用延邊移相結(jié)構(gòu)，二次側(cè)采用星/角結(jié)構(gòu)；左舷變壓器和右舷變壓器分別進(jìn)行原邊移相±7.5°。該型變壓器接線原理見圖3。

a)一次側(cè)接線圖(+7.5°)

整套推進(jìn)系統(tǒng)采用中性點不接地方式，屬于典型的中性點不接地系統(tǒng)(即IT系統(tǒng)，其中：I表示電源端所有帶電部分不接地或有1點通過阻抗接地；T 表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，此接地點在電氣裝置上獨立于電源端的接地點)。IT系統(tǒng)的特點是，當(dāng)發(fā)生接地故障時，接地故障電流僅為非故障相對地的電容電流，其值很小。圖4為IT系統(tǒng)單相接地故障等效電路。從圖4中可看出，ik=-(ia+ib)，接地故障電流的大小取決于另外兩相的對地電容，而該對地電容的值很小，故該接地故障電流ik可忽略不計。

圖4 IT系統(tǒng)單相接地故障等效電路

故障線圈為B相副邊y接線圈，由于環(huán)氧澆注型變壓器的故障表象可能與實際情況存在偏差，對存在故障的B相繞組進(jìn)行拆解檢查，排除了層間絕緣老化、銅排與銅箔間焊接不可靠等因素，參照繞組結(jié)構(gòu)(見圖5)，內(nèi)部4匝燒蝕較為嚴(yán)重，中間4匝中最靠近內(nèi)部的1匝明顯受損，外部7匝無明顯的燒蝕情況。

對內(nèi)層損壞銅箔部分進(jìn)行拓印、測繪，圖6為燒蝕銅箔拓印現(xiàn)場照片。

對各匝損傷面進(jìn)行拓印，對雙層銅箔正面和反面邊緣進(jìn)行描繪之后，采用CAD軟件計算其面積，從鐵芯內(nèi)部向外部計算，各匝的損傷面數(shù)據(jù)見圖7，其中：第1～4匝為內(nèi)部4匝；第5匝為中間4匝中的最內(nèi)匝。

a)1匝內(nèi)

由此可見，第2匝和第3匝的燒蝕面積最大，從而排除線圈位移磨損引起的對鐵芯放電短路的情況，推斷短路點應(yīng)在第2匝與第3匝之間的繞組下端部。

3 理論分析與試驗

匝間短路必然是由層間絕緣受機(jī)械損傷、電、熱等因素的影響而被擊穿引起的。[4]

3.1 設(shè)計角度分析

通過對電磁計算書、圖紙等進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：鐵芯選用的是牌號為85的激光刻痕硅鋼片，磁通密度為1.59 T；線圈采用環(huán)氧樹脂澆注結(jié)構(gòu)，電流密度最大為1.64 A/mm2；介電性能好，實際運行過程中各項指標(biāo)正常，參數(shù)穩(wěn)定；在開發(fā)階段進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗、變壓器熱場仿真和柜內(nèi)風(fēng)量流體仿真，各項指標(biāo)均能達(dá)到技術(shù)要求；對故障線圈進(jìn)行解剖，未發(fā)現(xiàn)絕緣、銅箔局部過熱老化現(xiàn)象。因此，排除電磁、熱場方面的設(shè)計因素引起短路故障。

3.2 使用角度分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，在額定工況下，網(wǎng)側(cè)總的高次諧波電流占比小于等于10%，單次諧波電流占比小于等于5%，總的諧波電壓占比小于等于5%，單次諧波電壓占比小于等于3%。當(dāng)實測單機(jī)滿載時，網(wǎng)側(cè)線電壓總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)為3.166%，網(wǎng)側(cè)相電流THD為3.626%，2個副邊各繞組主要頻次諧波的THD均在正常范圍內(nèi)。因此，高次諧波因素造成絕緣局部過熱老化引起匝間短路的可能性也可排除。

該變壓器副邊采用2組線圈(Y和△)實現(xiàn)12脈波輸出，若由系統(tǒng)因素引起副邊2組線圈的負(fù)載率不同，可能會使其中某個線圈過載，引起絕緣過熱老化。在海試時測量2組線圈的輸出電流，y繞組(即Y線圈)電流測試數(shù)據(jù)見圖8，d繞組(即△線圈)電流測試數(shù)據(jù)見圖9。

圖8 y繞組電流測試數(shù)據(jù)

圖9 d繞組電流測試數(shù)據(jù)

由此可見，在額定工況下，y繞組的U相、V相和W相電流幅值與d繞組的A相、B相和C相電流幅值幾乎相同，電流不均衡度小于5%。此外，溫度記錄中無過熱、報警記錄。因此，排除副邊2組負(fù)載不平衡引起絕緣老化的可能性。

3.3 其他因素分析

通過對每層銅箔進(jìn)行耐壓試驗，排除了彎折應(yīng)力造成銅箔機(jī)械破損，進(jìn)而導(dǎo)致其絕緣性能下降的可能性；通過檢查非故障相和同型號正常變壓器，排除了線圈位移引起絕緣磨損的可能性；采用箔繞機(jī)自動氬弧焊工藝，確保了繞組引線銅排焊接的可靠性；通過人工設(shè)置氣道板缺陷試驗，排除了氣道板缺陷引起層間絕緣受損的可能性；通過檢查設(shè)備運輸和使用環(huán)境，排除了繞組受潮引起匝間短路的可能性。

綜上所述，絕緣層存在薄弱點很可能是銅箔毛刺和硬物導(dǎo)致的，隨著變壓器長期運行，絕緣層可能會在電動力的作用下產(chǎn)生機(jī)械損傷，直至被擊穿，引起匝間短路，導(dǎo)致箔繞線圈被燒蝕。

3.4 理論計算

當(dāng)額定電壓下副邊相繞組單匝短路時，原邊電流為

(1)

副邊相繞組短路電流為

(2)

式(1)和式(2)中：I1K為原邊電流；I2K為副邊相繞阻短路電流；I2K-單匝為副邊相繞組單匝短路時的電流，近似為9 490 A，該電流足以導(dǎo)致匝間短路的金屬毛刺燒熔。

圖10 三繞組變壓器等效電路

(3)

(4)

若副邊單匝短路，則變壓器輸入阻抗為

(5)

若副邊發(fā)生2匝短路，則變壓器輸入阻抗為

(6)

2)對于2個獨立匝短路的情況，由于耦合系數(shù)k接近于1，故Xin2略小于Xin1，因此2匝短路的原邊電流略大于1匝短路的原邊電流。此外還可看出，副邊耦合系數(shù)k越小，即繞組間互感越小，副邊短路時原邊電流越大。

3)對于更多匝短路的情況，由于短路匝之間是強(qiáng)耦合關(guān)系，互感系數(shù)均接近于1，因此原邊電流的增加非常有限。

3.5 試驗驗證

通過人工在銅箔上制造邊角毛刺(見圖11)，中間用層間絕緣隔開，分別在空氣中和樹脂澆注之后開展系列試驗。

圖11 人工形成的銅箔毛刺

將澆注不滿的線圈脫模，將其據(jù)開進(jìn)行試驗。由于銅箔間較松，樹脂滲透較厚，試驗擊穿電壓大于4 kV，擊穿點不在毛刺位置。線圈繞制時是完整、緊實的正常線圈，試驗情況見表1。

表1 毛刺擊穿試驗情況

試驗結(jié)果表明，銅箔毛刺在層間纏繞緊實的情況下必然會對層間絕緣形成破壞，使層間絕緣的絕緣性能下降，根據(jù)毛刺大小情況，可能直接導(dǎo)通或保有一定的耐壓值(如擊穿電壓為1 kV左右)。

局部放點試驗不能有效排查繞組毛刺；繞組感應(yīng)試驗對成功排查毛刺有一定的概率，需經(jīng)多次排查才能得到可靠的結(jié)果；沖擊試驗在一定范圍內(nèi)能有效驗證箔毛刺或絕緣損傷情況。

4 結(jié) 語

通過分析發(fā)現(xiàn)，本文所述船用雙箔變壓器燒蝕故障是由偶發(fā)性、低概率的銅箔毛刺引起的，屬于一般性匝間短路故障。為避免今后發(fā)生類似故障，應(yīng)做到：加強(qiáng)對采購、檢驗環(huán)節(jié)的管理，消除銅箔毛刺隱患；優(yōu)化繞制工藝和責(zé)任追溯機(jī)制，降低繞組缺陷率；增加感應(yīng)耐壓試驗次數(shù)，排查繞組隱患。