大型變流變壓器絕緣損傷故障分析

謝子浩 沈文華

（廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東珠海519050）

0 引言

JW電廠凝結(jié)水泵電機(jī)變頻調(diào)速用的變流變壓器為干式變壓器，型號(hào)為ZTSFG（H）-2500/6.3，額定容量為2 000 kVA，一次側(cè)額定電壓為6.3 kV，二次側(cè)額定電壓為710 V，由新華都特種電氣股份有限公司生產(chǎn)，制造時(shí)間為2014年8月。

2018年3月，凝結(jié)水泵調(diào)速變頻器在運(yùn)行過程中報(bào)重故障，變頻器退出運(yùn)行。電廠技術(shù)人員檢查變頻器后，未發(fā)現(xiàn)變頻器故障。確認(rèn)變頻器無故障后，電廠決定重新投入變頻器。由于變頻器投入失敗，電廠技術(shù)人員對變流變壓器進(jìn)行進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)低壓繞組部分存在絕緣損壞。

1 電廠處理情況

電廠技術(shù)人員對變流變壓器進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)低壓繞組有多處放電痕跡，并有兩處絕緣擊穿點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 絕緣擊穿處

檢查發(fā)現(xiàn)變壓器絕緣板上存在凝露，說明濕度較大。對變壓器進(jìn)行烘干處理后，電廠技術(shù)人員對變壓器進(jìn)行了直流電阻測量、絕緣電阻測量、交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：直流電阻測量結(jié)果無異常；絕緣良好的繞組絕緣電阻大于1 GΩ，絕緣破損的繞組絕緣電阻約100 MΩ；絕緣破損繞組進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，升壓至1 000 V時(shí)試驗(yàn)設(shè)備跳閘。

電廠技術(shù)人員使用砂紙將絕緣破損處殘留的碳粉打磨干凈后，刷上環(huán)氧樹脂漆，漆干后再進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，仍然未通過耐壓試驗(yàn)。

2 現(xiàn)場檢查及處理情況

2.1 現(xiàn)場檢查情況

2018年3月16日，對現(xiàn)場進(jìn)行檢查。

本次發(fā)生故障的變流變壓器高壓繞組為Y接線，低壓繞組為△接線，第三繞組為Yn接線（第三繞組在實(shí)際使用中為懸空，未接引線）。本次檢查到的絕緣破損處位于低壓繞組。圖2為低壓繞組的抽頭，從抽頭也可以看出來，低壓繞組分為3段，每段5組，從上至下共15組。以最上層的第1組為例，第1組的三個(gè)抽頭編號(hào)分別為L1-LV11、L2-LV11和L3-LV11，每一個(gè)抽頭引線連接至A、B、C三相的低壓繞組，分由三餅線圈構(gòu)成，因此每組繞組共有九餅線圈分布在A、B、C三相上，這九餅線圈的接線型式如圖3所示（以第1組為例）。

圖2 低壓繞組抽頭

圖3 低壓繞組接線型式

低壓繞組匝間采用紙絕緣，匝間無空隙。各餅線圈間通過環(huán)氧樹脂支撐塊絕緣，距離約1.2 cm。

絕緣擊穿點(diǎn)所在線圈對應(yīng)的低壓繞組抽頭編號(hào)為L1-LV15和L3-LV21。絕緣擊穿點(diǎn)已處理，涂有環(huán)氧樹脂漆，檢查時(shí)漆還未完全干透，較軟。

2.2 現(xiàn)場處理情況

對變壓器低壓繞組進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。

根據(jù)變壓器出廠試驗(yàn)報(bào)告，出廠時(shí)低壓各移相繞組之間（即各餅線圈之間）的交流耐壓試驗(yàn)電壓值為4 kV（注：第Ⅰ段和第Ⅱ段之間的交流耐壓試驗(yàn)電壓為10 kV，其余均為4 kV）。本次對低壓各移相繞組進(jìn)行交流耐壓的試驗(yàn)電壓值為出廠試驗(yàn)電壓值的85%，即3.4 kV。

試驗(yàn)方法為：對某一組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，其他各組低壓繞組短接接地（例如圖2中，對抽頭L1-LV11、L2-LV11和L3-LV11施加交流電壓時(shí)，低壓繞組其他抽頭短接接地），高壓繞組短接接地，第三繞組短接接地。

試驗(yàn)順序和試驗(yàn)結(jié)果為：

（1）對第Ⅰ段第5組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，電壓升至3.4 kV，保持1 min，試驗(yàn)電壓無跌落。加壓過程中，變壓器低壓繞組多點(diǎn)出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。

（2）對第Ⅰ段第4組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，電壓升至3.4 kV，保持1 min，試驗(yàn)電壓無跌落。加壓過程中，變壓器低壓繞組多點(diǎn)出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。

（3）對第Ⅰ段第1組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，電壓升至3.4 kV，保持1 min，試驗(yàn)電壓無跌落。變壓器低壓繞組無放電、無閃絡(luò)，試驗(yàn)通過。

（4）對第Ⅰ段第2組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，電壓升至3.4 kV，保持1 min，試驗(yàn)電壓無跌落。加壓過程中，低壓繞組第Ⅰ段第2繞組和第Ⅰ段第3繞組之間出現(xiàn)了放電。

（5）對第Ⅰ段第3組低壓繞組施加交流電壓時(shí)，電壓升至3.4 kV，保持1 min，試驗(yàn)電壓無跌落。加壓過程中，低壓繞組第Ⅰ段第2繞組和第Ⅰ段第3繞組之間出現(xiàn)了放電、第Ⅰ段第3繞組和第Ⅰ段第4繞組之間出現(xiàn)了放電。

上述試驗(yàn)過程中，發(fā)生放電時(shí)的放電路徑均為沿著線圈餅間的環(huán)氧樹脂支撐條進(jìn)行放電，放電的部位都出現(xiàn)在絕緣擊穿點(diǎn)所在的環(huán)氧支撐條及其左右兩根環(huán)氧支撐條上。

由于變壓器低壓繞組在圓周上沒有進(jìn)行編號(hào)，較難準(zhǔn)確描述放電位置，本報(bào)告用圖4進(jìn)行示意。圖4中，圓圈圈出的兩個(gè)點(diǎn)為絕緣擊穿點(diǎn)（絕緣擊穿點(diǎn)的位置是明確的），交流耐壓試驗(yàn)過程中放電的位置集中出現(xiàn)在灰色矩形內(nèi)的三根環(huán)氧支撐條上，即絕緣擊穿點(diǎn)所在的環(huán)氧支撐條及其左右兩根環(huán)氧支撐條。當(dāng)然，對不同組的繞組進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，放電的具體位置有所不同，但都是相鄰餅間的線圈沿著圖4所示灰色矩形內(nèi)的三根環(huán)氧支撐條進(jìn)行放電。

由于交流耐壓試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，此次試驗(yàn)僅進(jìn)行了上述5步，未繼續(xù)對下層其余繞組進(jìn)行試驗(yàn)。建議先采取措施進(jìn)行防暈處理后再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.3 缺陷及原因分析

從目前的現(xiàn)象來看，此次檢查到的缺陷有：

（1）出現(xiàn)了兩處肉眼可見的絕緣擊穿點(diǎn)，擊穿點(diǎn)基本呈圓形，直徑約1 mm，絕緣擊穿點(diǎn)所在線圈對應(yīng)的低壓繞組抽頭編號(hào)為L1-LV15和L3-LV21。

（2）在現(xiàn)場的交流耐壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了多處放電，放電路徑均為沿環(huán)氧樹脂支撐條，放電部位集中位于絕緣擊穿點(diǎn)所在的環(huán)氧支撐條及其左右兩根環(huán)氧支撐條上。放電處的絕緣較薄弱，存在一定缺陷。

根據(jù)現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)的情況，加之出廠時(shí)的交流耐壓試驗(yàn)未見異常，出廠時(shí)的其他試驗(yàn)均合格，因此基本可以排除絕緣材料缺陷或制作工藝不足的因素。

根據(jù)現(xiàn)場檢查的情況和變流變壓器運(yùn)行的特點(diǎn)，對導(dǎo)致絕緣缺陷的原因進(jìn)行初步分析如下：

圖4 交流耐壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的放電位置示意圖

（1）絕緣受潮所致。紙絕緣的防潮防污性能較差，如果絕緣受潮，則會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻低的問題[1]。據(jù)了解，在變流變壓器運(yùn)行中，柜內(nèi)采取了通風(fēng)除濕的措施，小室內(nèi)有濕度計(jì)進(jìn)行濕度監(jiān)測，空氣濕度低于80%。第2節(jié)中提到的電廠人員檢查到變壓器絕緣板上存在凝露，是在變壓器停運(yùn)后、通風(fēng)除濕措施停止后發(fā)現(xiàn)的，不能說明運(yùn)行中存在凝露或潮氣過大。在變壓器出現(xiàn)故障后，采取了烘干措施，已基本保證絕緣干燥。因此，絕緣受潮這一原因不能完全解釋本次故障和缺陷的現(xiàn)象。

（2）熱效應(yīng)導(dǎo)致絕緣老化。繞組流過電流時(shí)會(huì)發(fā)熱，絕緣材料長期處于高溫狀態(tài)會(huì)引起絕緣老化[2]。由于該變壓器為H級(jí)絕緣，可承受180℃高溫，因此熱效應(yīng)導(dǎo)致絕緣老化的可能性也較低。同時(shí)，出現(xiàn)絕緣缺陷的位置并不是通風(fēng)散熱條件最差的位置。因此，基本可以排除熱效應(yīng)導(dǎo)致絕緣老化這一因素。

（3）變壓器振動(dòng)導(dǎo)致絕緣磨損。變流變壓器位于變頻器的整流側(cè)，由于變頻器電力電子元件的非線性工作，流過變流變壓器的電流存在復(fù)雜的高次諧波，諧波的存在會(huì)導(dǎo)致如下兩個(gè)問題：

1）諧波電流流過繞組時(shí)，使鐵芯的磁致伸縮加劇，從而加劇了鐵芯的振動(dòng)，導(dǎo)致變壓器本體振動(dòng)加??；

2）電流流過繞組時(shí)，由于繞組受到電動(dòng)力也會(huì)出現(xiàn)一定的振動(dòng)，諧波的存在同樣會(huì)加劇繞組的振動(dòng)。當(dāng)電流導(dǎo)致的變壓器振動(dòng)頻率與變壓器自振頻率接近時(shí)，振幅達(dá)到最大。實(shí)際上，即使是輕微的振動(dòng)，長期積累也會(huì)造成繞組絕緣的磨損[3]。由于目前發(fā)現(xiàn)的放電部位集中在同一區(qū)域，因此，不排除這一區(qū)域?yàn)檎穹^大的區(qū)域，絕緣磨損較為嚴(yán)重。

3 結(jié)論及建議

本次電廠凝結(jié)水泵變頻變壓器絕緣故障分析結(jié)論如下：

（1）凝結(jié)水泵變流變壓器低壓繞組C相L1-LV15和L3-LV21繞組有絕緣擊穿點(diǎn)，局部處理難以滿足絕緣要求，對這兩組繞組、共六餅線圈需進(jìn)行更換、重繞；

（2）對交流耐壓試驗(yàn)中出現(xiàn)放電的位置（圖4所示的三列環(huán)氧樹脂支撐條）的繞組進(jìn)行防暈處理；

（3）運(yùn)行中應(yīng)保持變流變壓器的環(huán)境干凈、干燥，加強(qiáng)通風(fēng)散熱和除濕措施，具備條件時(shí)可對變壓器的振動(dòng)進(jìn)行測量。