干式變壓器結(jié)構(gòu)及老化故障分析

丁濟(jì)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(lái)保障其內(nèi)部絕緣能力，同時(shí)其設(shè)備內(nèi)部的散熱也以循環(huán)絕緣油的方式進(jìn)行。干式變壓器則采用絕緣材料來(lái)保障匝間絕緣能力，同時(shí)干式變壓器中沒(méi)有油紙和油液，其采用風(fēng)冷式散熱模式，根據(jù)裝機(jī)容量的不同，其風(fēng)冷形式也各不相同[1]。從當(dāng)前電力技術(shù)及發(fā)展需求角度來(lái)看，干式變壓器和油浸式變壓器適合應(yīng)用的場(chǎng)景不同，干式變壓器在一些有較高防火防爆需求的場(chǎng)景中有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。由于干式變壓器其整體運(yùn)行狀態(tài)受到絕緣材料的直接影響，因此在對(duì)干式變壓器進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要重點(diǎn)分析其絕緣材料的老化故障問(wèn)題，在明確干式變壓器結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)其絕緣特性進(jìn)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(shù)發(fā)展和設(shè)備應(yīng)用的重要一環(huán)。

1 干式變壓器分類及優(yōu)勢(shì)

1.1 干式變壓器分類

干式變壓器可根據(jù)不同分類方向分為多種類型，例如可根據(jù)絕緣材料類型分為環(huán)氧樹(shù)脂絕緣型干式變壓器和非環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料型干式變壓器。也可以按照絕緣等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，目前按照絕緣等級(jí)分級(jí)可將干式變壓器分為B級(jí)、F級(jí)、H級(jí)以及C級(jí)，按照絕緣等級(jí)分級(jí)對(duì)于不同絕緣需求下相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行分類，按照這一分類標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)部設(shè)備完全處于密封外殼之內(nèi)，內(nèi)部設(shè)備不與外部氣體環(huán)境接觸，其冷卻方式為內(nèi)部循環(huán)氣冷。非封閉式設(shè)備無(wú)密封外殼，內(nèi)部設(shè)備可與外部氣體環(huán)境直接接觸，其冷卻方式包括自然氣冷和風(fēng)機(jī)強(qiáng)制氣冷。封閉式設(shè)備有非密封外部殼體，內(nèi)部設(shè)備仍然可與外部氣體環(huán)境直接接觸，這種干式變壓器主要采用外部空氣循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻。

1.2 干式變壓器優(yōu)勢(shì)

由于油浸式變壓器所使用的絕緣油為礦物質(zhì)油，其主要成分包括各類烷烴、環(huán)烴以及不飽和烴等，作為原油提煉產(chǎn)物，其化學(xué)成分較為復(fù)雜且具有可燃性，因此其發(fā)生化學(xué)污染和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，干式變壓器與其相比防火性能優(yōu)異且無(wú)有毒有害化學(xué)物質(zhì)[2]。另外絕緣油對(duì)于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求相對(duì)較高，由于潮濕或較高的運(yùn)行溫度都會(huì)對(duì)絕緣油產(chǎn)生相應(yīng)的劣化影響，因此在設(shè)備適應(yīng)性上干式變壓器表現(xiàn)更好。從安裝角度來(lái)看，干式變壓器整體設(shè)備質(zhì)量和設(shè)備體積相對(duì)更小，設(shè)備所占空間小，安裝所需空間也相對(duì)較小，安裝操作更加簡(jiǎn)便。除此之外當(dāng)前電力系統(tǒng)中所應(yīng)用的干式變壓器絕大多數(shù)擁有完善的溫度監(jiān)測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)，其設(shè)備安全性能相對(duì)更高。

2 干式變壓器結(jié)構(gòu)分析

2.1 鐵芯

鐵芯是干式變壓器磁路結(jié)構(gòu)的主體部分。對(duì)于變壓器而言，鐵芯相關(guān)參數(shù)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(shè)備的傳輸功率。目前絕大多數(shù)干式變壓器鐵芯所采用的材料為硅鋼片，企業(yè)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(lái)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(jiàn)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(wú)取向硅鋼片。根據(jù)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(cè)，這樣能夠減小硅鋼片的間隙進(jìn)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(zhǎng)寬參數(shù)如下：76片型參數(shù)為63.3×76，86片型參數(shù)為71.6×86.0，96片型參數(shù)為80.0×96.0，105片型參數(shù)為87.5×105.0。 EI硅鋼片長(zhǎng)寬參數(shù)與鐵芯整體片數(shù)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(yīng)的電磁感應(yīng)裝置。干式變壓器中的高壓線圈和低壓線圈可作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。設(shè)備中10~36kV的高壓繞組其結(jié)構(gòu)包括多層圓筒結(jié)構(gòu)以及分層結(jié)構(gòu)，而低壓線圈則包括分層結(jié)構(gòu)和箔式結(jié)構(gòu)。從繞組類型上來(lái)看，由于當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的干式變壓器為絕緣樹(shù)脂干式變壓器，因此其繞組間絕緣材質(zhì)也為環(huán)氧樹(shù)脂。從類型上來(lái)看當(dāng)前絕大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器繞組間絕緣形式為玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂澆注。這種繞組形式的干式變壓器絕緣等級(jí)為F和H級(jí)。從線圈絕緣隔離情況來(lái)看，此類線圈內(nèi)外部均有相應(yīng)的樹(shù)脂及玻璃纖維網(wǎng)格，絕緣性能好而且能夠在很大程度上避免模具澆筑時(shí)的樹(shù)脂開(kāi)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(lián)式繞組、雙柱式繞組等，具體繞組形式需結(jié)合實(shí)際容量以及設(shè)備參數(shù)需求決定。

3 干式變壓器絕緣分析

關(guān)于干式變壓器絕緣的分析主要應(yīng)從材料的絕緣等級(jí)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介質(zhì)損耗及力學(xué)性能這幾點(diǎn)入手。目前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的干式變壓器絕緣等級(jí)一般為F級(jí)或H級(jí)，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(chǎng)強(qiáng)可以從近年來(lái)10kV線路干式配電變壓器燒毀事故上進(jìn)行分析，根據(jù)此類事故研究報(bào)告顯示，半數(shù)以上該類型事故起因?yàn)榻^緣老化，由于絕緣材料老化，因此在工作電場(chǎng)中絕緣材料通過(guò)的電流顯著增加，導(dǎo)致其絕緣性能大幅下降進(jìn)而導(dǎo)致電擊穿并引發(fā)火災(zāi)，原材料老化會(huì)增加電擊穿概率，而絕緣層厚度以及運(yùn)行環(huán)境中的電壓頻率等參數(shù)也直接影響著擊穿場(chǎng)強(qiáng)的具體參數(shù)[5]。變壓器在運(yùn)行過(guò)程中受環(huán)境參數(shù)、電力參數(shù)等因素影響會(huì)出現(xiàn)絕緣材料損耗的情況，當(dāng)介質(zhì)損耗至一定程度，導(dǎo)致其絕緣性能低于現(xiàn)值則容易引發(fā)絕緣材料熱擊穿。力學(xué)參數(shù)主要是不同溫度或濕度下絕緣材料的伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度、韌性等，以某型固體絕緣材料為例，其在20%適度下伸長(zhǎng)率為22.1%，抗拉強(qiáng)度為282N/cm，而濕度變化為60%時(shí)，其伸長(zhǎng)率為26%，抗拉強(qiáng)度減小至251N/cm[6]。而該材料在100℃時(shí)，其伸長(zhǎng)率為19.4%，抗拉強(qiáng)度為249MPa，當(dāng)溫度升高至150℃，時(shí)其伸長(zhǎng)率增加至21.1%，抗拉強(qiáng)度下降至232MPa。材料在不同環(huán)境下，力學(xué)性能變化幅度越小，其絕緣性能隨環(huán)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(jiàn)類型。由于相當(dāng)一部分干式變壓器，其內(nèi)部設(shè)備與空氣環(huán)境有直接接觸，因此空氣環(huán)境中的水分子對(duì)于絕緣材料有直接的劣化影響。一方面來(lái)看絕緣材料長(zhǎng)時(shí)間處于較多水汽影響之下會(huì)導(dǎo)致其電導(dǎo)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(huán)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(tài)物質(zhì)或者導(dǎo)致強(qiáng)極性物質(zhì)解離，此時(shí)絕緣材料自身的電氣性能發(fā)生較大變化，在接受外部電壓的情況下容易形成通路，此時(shí)絕緣材料的擊穿電場(chǎng)和擊穿電壓大幅下降，容易出現(xiàn)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(jiàn)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(shù)脂絕緣干式變壓器所產(chǎn)生的樹(shù)脂放電。局部放電在發(fā)生過(guò)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(xiàn)的局部放電現(xiàn)象，其擊穿電壓與間隙距離以及氣體壓力有關(guān)，擊穿電壓與pd之間存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)巴申定律可以計(jì)算出擊穿電壓最小值。這種局部放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)有機(jī)高分子材料產(chǎn)生較大的電氣特性影響。變壓器屬高壓設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，局部放電容易產(chǎn)生少量O3和某些氮氧化物，此類物質(zhì)不僅會(huì)導(dǎo)致絕緣材料直接裂解，而且其與空氣中水分子結(jié)合所生成的酸性物質(zhì)也會(huì)對(duì)絕緣材料造成腐蝕。此外局部放電也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)，溫度升高也會(huì)對(duì)絕緣材料的整體性能產(chǎn)生影響，長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度下的絕緣材料將出現(xiàn)開(kāi)裂以及化學(xué)性質(zhì)變化等使其絕緣性能降低的問(wèn)題。

4.3 熱老化

關(guān)于干式變壓器絕緣材料熱老化故障，可以結(jié)合十度法則來(lái)進(jìn)行分析。十度法則是國(guó)際電工協(xié)會(huì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)搜集及實(shí)踐實(shí)驗(yàn)所得出的一項(xiàng)關(guān)于干式變壓器壽命與使用溫度之間的關(guān)系[7]。該法則指出，干式變壓器內(nèi)部溫度每升高10℃，變壓器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少0.5倍。從這一點(diǎn)上可以了解干式變壓器內(nèi)部溫度對(duì)于絕緣材料性能穩(wěn)定時(shí)間有直接影響。以樹(shù)脂絕緣材料為例，當(dāng)其所處環(huán)境溫度升高，材料質(zhì)量隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減少，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)樹(shù)脂絕緣材料處于170℃溫度環(huán)境下，暴露時(shí)間為24h時(shí)，其質(zhì)量損失約為0.111%左右，這部分損失掉物質(zhì)對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂絕緣性和力學(xué)特性均有較大影響，不僅導(dǎo)致絕緣材料電阻下降，同時(shí)也容易導(dǎo)致絕緣材料開(kāi)裂脫落[8]。

5 溫控系統(tǒng)對(duì)絕緣材料老化的影響分析

從本文對(duì)干式變壓器老化故障因素的分析結(jié)果上來(lái)看，設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行溫度對(duì)于設(shè)備整體穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)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(chǔ)上引發(fā)了絕緣材料老化和性能劣化，因此科學(xué)有效的溫控系統(tǒng)，對(duì)于絕緣材料有著較好的保護(hù)作用。當(dāng)前比較常見(jiàn)的干式變壓器溫度控制系統(tǒng)包括溫度顯示系統(tǒng)、熱敏電阻自動(dòng)跳閘系統(tǒng)以及有風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫氣冷的風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以某型干式變壓器溫度控制系統(tǒng)為例，其溫度顯示系統(tǒng)中采用的PT100型熱敏電阻能夠根據(jù)設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行溫度的變化而調(diào)整自身電阻大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度顯示。而該型溫度控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)參數(shù)方面規(guī)定，當(dāng)監(jiān)測(cè)到繞組溫度達(dá)到120℃時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)扇增加內(nèi)部冷卻氣體流量控制設(shè)備運(yùn)行溫度。而根據(jù)出廠參數(shù)設(shè)定該溫度控制系統(tǒng)將在設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行溫度超過(guò)175℃時(shí)發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)并執(zhí)行跳閘動(dòng)作。整套系統(tǒng)從控溫角度最大限度避免了高溫因素對(duì)絕緣材料老化速率的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)干式變壓器技術(shù)的不斷發(fā)展，最大限度保障干式變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行并提升其設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)成為該類設(shè)備的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，本文重點(diǎn)分析了干式變壓器的類型、優(yōu)勢(shì)以及具體結(jié)構(gòu)內(nèi)容，研究了導(dǎo)致干式變壓器老化故障的各項(xiàng)因素，希望能對(duì)該方向上的相應(yīng)技術(shù)發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。