500 kV變壓器鐵心硅鋼片上竄原因解析及處理

眭上春，吳 敏，王 俏，申 良，高 分，何忠華

（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410213）

2018年08月22日16：43，某抽水蓄能電站在月度定期工作中，發(fā)現(xiàn)該電站3號(hào)變壓器鐵心電流為12.97 A、夾件接地電流12.93 A（2018年7月13日進(jìn)行月度定期工作中測(cè)的3號(hào)變壓器鐵心電流為5.1 mA，夾件接地電流 16.4 mA），超出《DL/T 596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求：運(yùn)行中鐵心接地電流一般不大于0.1 A。2018年08月22日20：19，3號(hào)變壓器由“運(yùn)行”轉(zhuǎn)“檢修”后，立即對(duì)3號(hào)變壓器的鐵心、夾件進(jìn)行絕緣搖測(cè)，鐵心-夾件的絕緣值為0 MΩ、鐵心-地的絕緣值為4.33 GΩ、夾件-地的絕緣值5.09 GΩ。2018年08月22日23：58完成3號(hào)變壓器絕緣油取樣。

2018年08月22日23：58變壓器油色譜在線分析裝置對(duì)3號(hào)變壓器絕緣油進(jìn)行取樣分析。色譜分析結(jié)果顯示氫氣為 218.3 μL/L、乙炔 1.6 μL/L、總烴含量 616 μL/L，均超出注意值（表 1），與 2018 年 6 月 20日數(shù)據(jù)相比CO、CO2無(wú)明顯變化，但烴類(lèi)氣體變化較大。8月23日完成了3號(hào)變壓器油化驗(yàn)，結(jié)果顯示總烴超標(biāo)，乙炔有1.6 μL/L。與2018年6月20日數(shù)據(jù)相比CO、CO2含量也一致，烴類(lèi)氣體變化同樣較大。經(jīng)三比值法分析，判定故障放電類(lèi)型為“0，2，2”（表2、表3），高溫過(guò)熱，能量較小，且與絕緣關(guān)系不大；結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，初步判斷為鐵心與夾件導(dǎo)通，形成多點(diǎn)接地，局部過(guò)熱。建議先放油內(nèi)檢，重點(diǎn)檢查鐵心尾級(jí)片、拉帶、上托梁、墊腳等，再進(jìn)行下一步處理。

表1 變壓器、電抗器和套管油中溶解氣體含量的注意值

表2 編碼規(guī)則

1 變壓器故障檢查及原因解析

1.1 變壓器內(nèi)檢過(guò)程

（1）變壓器內(nèi)部檢查前的準(zhǔn)備

表3 故障類(lèi)型判斷方法

變壓器內(nèi)部檢查前，衡陽(yáng)特變電I公司編制了詳細(xì)的施工方案，組織三方對(duì)方案的可行性進(jìn)行了評(píng)審。開(kāi)工前對(duì)施工所需的環(huán)境、設(shè)備調(diào)用與停放位置、工器具準(zhǔn)備、人員的培訓(xùn)情況進(jìn)行了分工與安排。為保證500 kV變壓器現(xiàn)場(chǎng)檢修質(zhì)量，衡陽(yáng)特變電I公司從其分公司調(diào)用了新濾油機(jī)、真空機(jī)組、干燥空氣發(fā)生器和60 t油罐緊急發(fā)往該電站，為變壓器內(nèi)部檢查做好了充足的準(zhǔn)備。

（2）變壓器抽油進(jìn)箱檢查過(guò)程

8月28日對(duì)變壓器抽油進(jìn)行內(nèi)檢，由于變壓器內(nèi)部空間狹小，檢查操作受限，只對(duì)可視部位進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；后采用內(nèi)窺鏡對(duì)器身縫隙、夾角及鐵心上鐵軛進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)旁A芯柱間上鐵軛末級(jí)料、AB芯柱間上鐵軛末級(jí)料、BC芯柱間上鐵軛末級(jí)料，有3～5片硅鋼片發(fā)生不同程度的向上位移跑片現(xiàn)象（圖1、圖2）。

圖1 硅鋼片上移一

圖2 硅鋼片上移二

基于上述檢查情況，衡陽(yáng)特變電工公司進(jìn)行了認(rèn)真分析，基本可以確定變壓器本次故障為鐵心多點(diǎn)接地造成，鐵心片局部與夾件上托梁導(dǎo)通，造成導(dǎo)通部位存在低能量放電，從而導(dǎo)致變壓器油中產(chǎn)生乙炔，變壓器應(yīng)該沒(méi)有其他絕緣方面的問(wèn)題。為徹底解決鐵心與夾件導(dǎo)通問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)人員和資深專(zhuān)家研究分析，提出了對(duì)變壓器進(jìn)行吊罩大修的建議。內(nèi)檢完畢后，進(jìn)行真空注油保存，防止絕緣受潮。并重新制定吊罩檢查處理方案。

1.2 變壓器吊罩檢查處理

9月7日，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒，開(kāi)始附件拆除、高壓出線裝置拆除、本體轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、箱沿切割等工作。9月12上午，環(huán)境溫度21℃，濕度50%，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具備變壓器吊罩要求，12：00對(duì)變壓器進(jìn)行了吊罩，現(xiàn)場(chǎng)吊罩見(jiàn)圖3，現(xiàn)場(chǎng)故障處理見(jiàn)圖4。

圖3 主變吊罩中

圖4 主變吊罩后進(jìn)行檢查處理

吊罩后，發(fā)現(xiàn)變壓器硅鋼片末級(jí)最后一兩片有不同程度的上竄，凸出約10～20 mm不等，對(duì)上托梁逐個(gè)拆開(kāi)檢查，發(fā)現(xiàn)上托梁與硅鋼片間有一處放電點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 硅鋼片末級(jí)上竄及放電痕跡

1.3 故障原因分析

（1）變壓器鐵心硅鋼片上竄原因分析

由于硅鋼片末級(jí)片料向上位移導(dǎo)致鐵心與夾件上托梁相碰，鐵心和夾件的絕緣電阻為0。

因抽水蓄能變壓器的運(yùn)行工況比較復(fù)雜，在長(zhǎng)期負(fù)荷變化及轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)振動(dòng)和電動(dòng)力，因紙板與硅鋼不同材料間摩擦系數(shù)較少，容易滑動(dòng)；負(fù)荷變化引起的溫度變化因膨脹系數(shù)不一致使鐵心夾緊力有短時(shí)減少，末級(jí)硅鋼片上容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，累積效應(yīng)使得末級(jí)硅鋼片向上位移（圖6方框部分）。

圖6 變壓器鐵心硅鋼片示意圖

該抽水蓄能電站3號(hào)主變壓器故障是由于上軛最小級(jí)（2～3片硅鋼片）上竄，與夾件上梁加強(qiáng)筋接觸，導(dǎo)致鐵心與夾件上梁導(dǎo)通。引起上軛最小級(jí)（2～3片硅鋼片）上竄的可能原因有2個(gè)，①器身起吊；②硅鋼片自身的磁致伸縮作用。變壓器在投運(yùn)前進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)正常，證明當(dāng)時(shí)上軛與夾件未發(fā)生導(dǎo)通情況，導(dǎo)通的情況是在運(yùn)行多年后發(fā)生的，在此運(yùn)行期間并未再次起吊器身，因此，能夠影響其狀態(tài)的只有交變磁場(chǎng)引起的硅鋼片自身磁致伸縮作用。

（2）變壓器起吊過(guò)程硅鋼片受力分析

變壓器在靜放時(shí)，如圖7所示，未被楔形墊塊抵擋部分的硅鋼片（下面簡(jiǎn)稱(chēng)“竄片硅鋼片”）在自身重力的作用下趨于發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是需要克服靜摩擦的作用，未被抵擋部分的硅鋼片自重相對(duì)靜摩擦力（F1+F2）較小，因此“竄片硅鋼片”不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

圖7 變壓器在靜放時(shí)竄片硅鋼片受力情況

起吊時(shí)，如圖8所示，在起吊作用力的作用下，夾件及夾件絕緣相對(duì)硅鋼片趨于發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，受到楔形墊塊抵擋作用的硅鋼片不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而“竄片硅鋼片”受到夾件絕緣的摩擦力（F1=μ1N），同時(shí)受到其他硅鋼片對(duì)他的摩擦力（F2=μ2N），以及自重作用。由于F1-F2-mg＞0，因此，“竄片硅鋼片”將會(huì)隨著夾件及夾件絕緣發(fā)生向上位移，相對(duì)被抵擋部分的硅鋼片發(fā)生竄動(dòng)。

圖8 變壓器在起吊時(shí)竄片硅鋼片受力情況

起吊結(jié)束時(shí)，如圖9所示，由于“竄片硅鋼片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且會(huì)發(fā)生不同程度的形變，這種形變會(huì)導(dǎo)致這部分硅鋼片無(wú)法隨著夾件及夾件絕緣回復(fù)到原來(lái)的位置，最終形成竄片現(xiàn)象。

圖9 變壓器起吊后竄片硅鋼片竄出情況

（3）硅鋼片磁致伸縮分析

雖然磁致伸縮是鐵磁材料的一項(xiàng)固有屬性，但人們更習(xí)慣于把磁致伸縮看成是在某種外力作用下發(fā)生的變形，這種外力其實(shí)是一種等效力，被稱(chēng)為磁致伸縮力Fms。也就是說(shuō)，在磁致伸縮力Fms的作用下，鐵磁材料的變形與其磁致伸縮產(chǎn)生的變形相同。

1）磁致伸縮力分析

在變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器鐵心在磁場(chǎng)交變作用下引起硅鋼片的力學(xué)變形和運(yùn)動(dòng)，其中硅鋼片在磁場(chǎng)中發(fā)生的磁致伸縮效應(yīng)尤為突出，為了表征處于這種復(fù)雜交變磁場(chǎng)中磁性材料所受到的電磁力作用，引入磁場(chǎng)力體積密度的概念，其表達(dá)式為：其中，■→為體積力密度矢量；為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量為電流密度矢量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；τ為介質(zhì)的體積密度；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

取x方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，y為垂直于磁場(chǎng)方向，z為鐵心硅鋼片厚度方向，則磁場(chǎng)力體積密度沿著3個(gè)方向分量的表達(dá)形式為：

磁場(chǎng)力F的表達(dá)式為：

從彈性力學(xué)中的應(yīng)變能體積密度概念考慮得到磁致伸縮力，而通過(guò)應(yīng)變能來(lái)表征硅鋼片磁致伸縮現(xiàn)象的前提是需要忽略剪切應(yīng)變。磁致伸縮現(xiàn)象具有周期性，因此磁致伸縮力的變化規(guī)律同樣具有周期性，如下式所示：

鐵磁材料的磁致伸縮率實(shí)際上可以等效為硅鋼片的最大應(yīng)變，物體單位體積的應(yīng)變能可表示為：

其中：

其中：E為硅鋼片的彈性模量；v為泊松比

將硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)等效為儲(chǔ)存在鐵磁質(zhì)中的應(yīng)變能，由功能轉(zhuǎn)化關(guān)系可得到：

其中，dlx=εdx，dly=εdy，dlz=εdz，將右邊任一項(xiàng)進(jìn)行積分后，可以得到任一方向的磁致伸縮力表達(dá)式：

應(yīng)用上述推導(dǎo)公式即可求出變壓器鐵心沿著硅鋼片軋制方向的磁致伸縮力大小。本次分析的為Fcy對(duì)最小極自身的作用，其大小與y方向上的磁致伸縮率相關(guān)，而磁致伸縮率又和鐵心磁通密度密切相關(guān)，因此磁致伸縮力會(huì)隨著鐵心磁密的變化而變化。

2）磁致伸縮力與磁場(chǎng)方向及軋制方向的關(guān)系

考慮硅鋼片軋制方向與磁化方向?qū)Σ牧洗胖律炜s的影響，如圖10所示，忽略硅鋼片表面涂層和表面應(yīng)力等的作用影響。

圖10 電力變壓器鐵心硅鋼片試樣圖

圖10（a）：試樣的勵(lì)磁方向平行于軋制方向，其磁致伸縮沿磁場(chǎng)方向測(cè)量

圖10（b）：勵(lì)磁方向垂直于軋制方向，其磁致伸縮同樣沿磁場(chǎng)方向測(cè)量

將試樣裝入磁致伸縮測(cè)量?jī)x的測(cè)試盒，沿長(zhǎng)度方向，固定試樣的一端，將另一端與激光位移計(jì)相連。試樣被勵(lì)磁電流磁化后，將沿長(zhǎng)度方向（勵(lì)磁方向）變形，產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象。試樣的磁致伸縮變形量被激光位移計(jì)記錄下來(lái)，變形量與試樣長(zhǎng)度的比值即為磁致伸縮率。改變通過(guò)試樣的磁通密度，即可獲得試樣的磁致伸縮特性曲線。對(duì)某牌號(hào)的硅鋼片通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量分別獲得了勵(lì)磁磁場(chǎng)平行和垂直于硅鋼片軋制方向時(shí)的磁致伸縮特性曲線如圖11所示。

圖11 磁致伸縮單值特性曲線圖

圖11中縱坐標(biāo)表示的是磁致伸縮率，磁致伸縮率無(wú)量綱且其數(shù)量級(jí)很小，僅在微米級(jí)，即10-6級(jí)。對(duì)于試樣取向硅鋼片而言，垂直軋制方向的磁致伸縮率明顯大于平行于軋制方向的磁致伸縮率，并且在0.0～1.2 T左右的磁密范圍內(nèi)磁致伸縮率變化不大，超過(guò)1.2 T后，硅鋼片的磁導(dǎo)率進(jìn)入飽和區(qū)，其磁致伸縮率也不斷增高。為計(jì)算電力變壓器鐵心硅鋼片的磁致伸縮力，基于最小二乘法的原理對(duì)測(cè)量的磁致伸縮率單值特性曲線進(jìn)行函數(shù)擬合：

磁化方向平行于軋制方向：

磁化方向垂直于軋制方向：

式中，λ∥為磁化方向平行于軋制方向的磁致伸縮率，單位1×10-6；λ⊥為磁化方向垂直于軋制方向的磁致伸縮率，單位1×10-6；B為通過(guò)硅鋼片的磁通密度，單位T。某牌號(hào)硅鋼片的磁致伸縮特性曲線如圖12所示。

2 變壓器鐵心硅鋼片上竄原因總結(jié)及處理

2.1 硅鋼片上竄原因總結(jié)

圖12 垂直軋制方向磁致伸縮特性

（1）制作的階梯墊塊槽口尺寸制造偏差未能限位尾級(jí)硅鋼片，器身起吊時(shí)夾件絕緣對(duì)“竄片硅鋼片”的摩擦力大于硅鋼片之間的摩擦力，導(dǎo)致“竄片硅鋼片”被夾件絕緣帶動(dòng)發(fā)生竄動(dòng)，而在起吊完畢后，“竄片硅鋼片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且會(huì)發(fā)生不同程度的形變，這種形變會(huì)導(dǎo)致這部分硅鋼片無(wú)法隨著夾件及夾件絕緣回到原來(lái)的位置，最終形成竄片現(xiàn)象。

（2）夾緊力的大小也會(huì)影響“竄片硅鋼片”發(fā)生竄動(dòng)的大小，夾緊力大竄動(dòng)小。

（3）由于“竄片硅鋼片”的磁場(chǎng)分布都比較復(fù)雜，磁通走向不一定沿著主磁通方向，可能偏離軋制方向，甚至可能垂直軋制方向，因此，“竄片硅鋼片”在此磁通下會(huì)繼續(xù)發(fā)生竄動(dòng)。

（4）當(dāng)“竄片硅鋼片”竄動(dòng)到與夾件上梁加強(qiáng)筋接觸時(shí)，導(dǎo)致鐵心與夾件上梁導(dǎo)通。

2.2 故障處理及預(yù)防措施

（1）故障處理及預(yù)防措施

1）逐個(gè)對(duì)上托梁處末級(jí)向上位移的硅鋼片采取折彎卷邊處理，在折彎的硅鋼片處用0.5 mm紙板增加紙槽絕緣與固定，防止碰觸相鄰級(jí)的硅鋼片。

2）用插刀將0.5 mm的紙板塞入夾件絕緣與鐵心末級(jí)硅鋼片縫隙中，塞滿(mǎn)縫隙，并將紙板伸出一部分，對(duì)伸出部分折彎后包覆鐵心末級(jí)，加強(qiáng)絕緣。緊固上夾件、托梁、側(cè)梁及鋼拉帶等所有螺栓緊固部分。

3）對(duì)處理過(guò)的局部硅鋼片按照工藝要求進(jìn)行刷清漆處理。

4）緊固所有上梁緊固件及鋼拉帶緊固螺母。5）更換變壓器箱沿橡膠。

6）更換鐵心接地套管及夾件接地套管。

（2）處理后絕緣測(cè)量情況

經(jīng)處理后測(cè)量絕緣情況如下：

鐵心對(duì)夾件及地9.31 GΩ；夾件對(duì)鐵心及地7.63 GΩ；鐵心對(duì)夾件8.57 GΩ。

在吊罩過(guò)程中，處理完故障缺陷后，又對(duì)器身和油箱進(jìn)行了全面檢查，檢查了磁屏蔽及接地情況，對(duì)局部引線絕緣進(jìn)行了包扎，清理箱沿臟物，清理箱底余油等；確認(rèn)變壓器器身無(wú)問(wèn)題后，清點(diǎn)工具，然后進(jìn)行變壓器扣罩，抽真空，結(jié)束變壓器吊罩檢查處理工作。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)500 kV變壓器鐵心硅鋼片上竄原因的解析，為變壓器的安全生產(chǎn)提供了有力的依據(jù)，為生產(chǎn)更安全穩(wěn)定的產(chǎn)品提供了實(shí)際案例；現(xiàn)場(chǎng)缺陷的處理過(guò)程，為電力系統(tǒng)變壓器的檢修和日常運(yùn)維工作提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。