劉守豹，楊耀武2，袁 志3，童 理，方 圓，韋昌偉

(1.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司重慶分公司，重慶 400020；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

目前水電調(diào)度問(wèn)題常用的求解方法有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、混合整數(shù)線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及啟發(fā)式現(xiàn)代智能算法等[1]，其中混合整數(shù)線性規(guī)劃變壓器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要組成部分，它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成高電壓低電流形式并輸送至電網(wǎng)[1-3]。鐵芯是變壓器傳遞和交換能量的重要部件，為防止在運(yùn)行電壓作用下鐵芯出現(xiàn)懸浮電位放電，鐵芯通常采用單點(diǎn)接地[4-5]。

實(shí)際運(yùn)行中變壓器由于設(shè)計(jì)、制造、材料等方面的問(wèn)題，會(huì)發(fā)生鐵芯多點(diǎn)接地、鐵芯接地不良引起的鐵芯發(fā)熱故障[6-9]。根據(jù)鐵芯發(fā)熱程度可分為低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱和高溫過(guò)熱，如果鐵芯發(fā)熱故障未得到控制和解決將會(huì)引發(fā)更大故障，導(dǎo)致變壓器無(wú)法運(yùn)行[10]。

下面以某風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)發(fā)生的3起箱式變壓器鐵芯發(fā)熱故障為分析對(duì)象，通過(guò)油化分析、現(xiàn)場(chǎng)拆解和仿真計(jì)算，確定箱式變壓器制造工藝存在缺陷，首端低壓繞組與鐵芯接觸過(guò)于緊密是導(dǎo)致發(fā)熱故障的原因。

1 故障簡(jiǎn)介

2009年5月某風(fēng)電場(chǎng)第一臺(tái)箱式變壓器投運(yùn)，2010年10月最后一臺(tái)箱式變壓器投運(yùn)，該風(fēng)電場(chǎng)共安裝55臺(tái)同廠家、同型號(hào)、同批次風(fēng)機(jī)箱式變壓器，其基本參數(shù)如下：

型號(hào)：ZGS-ZF-1000/38.5

電壓組合：38.5 kV±2×2.5%/0.62 kV

聯(lián)接組別：D/Yn11

阻抗電壓：6.31%

該變壓器為三相、雙繞組、油浸、自冷、低損耗、全密封、免維護(hù)電力變壓器，其整體外觀和繞組鐵芯如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器

2016年5月巡檢發(fā)現(xiàn)風(fēng)電二回10號(hào)箱式變壓器空載油面溫度達(dá)65 ℃，吊芯發(fā)現(xiàn)A相低壓線圈上部絕緣圈碳化，導(dǎo)線絕緣破壞，其中緊鄰的兩根導(dǎo)線從上到下絕緣碳化。

2017年1月風(fēng)電二回21號(hào)箱式變壓器電壓異常，吊芯檢查發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯有多處明顯過(guò)熱痕跡，鐵芯至夾件引出連片已熔斷，C相繞組有過(guò)熱現(xiàn)象，A相低壓側(cè)線圈繞組燒斷，線圈燒斷處在6級(jí)鐵芯表面有明顯燒蝕痕跡。

2017年8月風(fēng)電二回2號(hào)箱式變壓器再次出現(xiàn)油溫過(guò)熱問(wèn)題，解體發(fā)現(xiàn)A、B、C三相低壓出口端繞組與鐵芯接觸緊密，部分區(qū)域絕緣紙板已經(jīng)發(fā)黑碳化。

2 故障原因分析

上述3臺(tái)故障變壓器具有共同的特點(diǎn)：變壓器油色黃亮，油中有較濃的焦糊味，這表明變壓器油出現(xiàn)異常。例如2016年5月在對(duì)10號(hào)箱式變壓器解體前開(kāi)展的油化分析發(fā)現(xiàn)大量氫、烴、一氧化碳、二氧化碳類(lèi)氣體，其中氫含量超過(guò)260 μL/L，總烴超過(guò)1000 μL/L，并出現(xiàn)乙炔，油化報(bào)告如表1所示。

表1 10號(hào)箱式變壓器油化分析報(bào)告 單位：μL/L

通過(guò)三比值法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明變壓器內(nèi)部存在低溫過(guò)熱的問(wèn)題，其中CO、CO2、CH4含量高表明變壓器內(nèi)部固體絕緣材料(絕緣紙、層壓紙板、木塊等)聚合物裂解，聚合物在裂解過(guò)程中產(chǎn)生的水與鐵作用產(chǎn)生H2；C2H2含量相對(duì)較低表明變壓器內(nèi)部未出現(xiàn)電火花。

下面依次給出10號(hào)、21號(hào)、2號(hào)箱式變壓器解體照片如圖2—圖4所示，可見(jiàn)變壓器首端繞組與鐵芯之間接觸過(guò)于緊密，兩者之間的絕緣材料有明顯勒痕，勒痕處絕緣紙和繞組絕緣材料碳化。從3臺(tái)變壓器的故障情況可以看出：1)故障點(diǎn)均位于低壓繞組首端繞組和鐵芯；2)低壓繞組與鐵芯緊密接觸，導(dǎo)致熱量無(wú)法通過(guò)油循環(huán)散發(fā)；3)局部發(fā)熱引起絕緣材料碳化，進(jìn)而使得低壓繞組和鐵芯之間絕緣喪失；4)低壓繞組與鐵芯緊密接觸的部位通過(guò)大電流，使得鐵芯與繞組接觸面被燒蝕，大電流通過(guò)鐵芯接地銅排入地進(jìn)而將銅排融化。

圖2 10號(hào)變壓器A相解體情況

圖3 21號(hào)箱式變壓器C相解體情況

圖4 2號(hào)箱式變壓器B相解體情況

通過(guò)解體情況還可以得出如下結(jié)論：該風(fēng)電場(chǎng)的箱式變壓器問(wèn)題不是偶發(fā)故障，而是在3臺(tái)故障變壓器中共同存在的，故障點(diǎn)低壓繞組首端和引出線與鐵芯之間緊密接觸不是個(gè)案，因此判斷廠家安裝工藝存在缺陷。

3 鐵芯發(fā)熱的有限元分析

為了對(duì)變壓器繞組和鐵芯之間距離較近情況下繞組發(fā)熱進(jìn)行比較分析，采用有限元分析軟件ANSYS MAXWELL建立簡(jiǎn)化二維軸對(duì)稱渦流場(chǎng)分析模型，正常情況下繞組布置方式如圖5所示，其中鐵芯采用層疊硅鋼片，高、低壓線圈為銅導(dǎo)體。

圖5 驗(yàn)證模型空間布置

仿真計(jì)算得到正常布置方式下磁力線、電流密度、發(fā)熱情況如圖6所示。

從圖6可知：低壓繞組的首尾匝繞組由于端部效應(yīng)，電流場(chǎng)分布較其他繞組不均勻，在靠近鐵芯的端部區(qū)域電流集中，因此導(dǎo)致了首尾匝繞組部分區(qū)域成為“熱點(diǎn)”。

為了對(duì)低壓繞組靠近鐵芯情況下的發(fā)熱進(jìn)行分析，將低壓繞組從上往下數(shù)的第1、第3和第5匝向旋轉(zhuǎn)軸方向內(nèi)移4.5 mm，重新計(jì)算得到場(chǎng)量分析如圖7所示。

圖6 正常布置方式下場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

從圖7可知，在低壓繞組靠近鐵芯的情況下，繞組電流分布的不均勻程度會(huì)加重。從1號(hào)、3號(hào)到5號(hào)線圈，在同樣靠近鐵芯的情況下，電流分布的不均勻程度依次遞減，這是因?yàn)?號(hào)線圈受端部效應(yīng)的影響最嚴(yán)重。從發(fā)熱情況來(lái)看，1號(hào)線圈發(fā)熱集中區(qū)域面積和最大發(fā)熱量較正常情況下有明顯提升，其中最大發(fā)熱量從22.8 W/m3增加至30.2 W/m3。

圖7 部分低壓繞組靠近鐵芯情況下場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1)該風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器鐵芯發(fā)熱是由于低壓首端繞組與鐵芯緊密接觸造成的，低壓側(cè)首端與鐵芯緊密接觸導(dǎo)致發(fā)熱加劇，同時(shí)緊密接觸處變壓器油無(wú)法通過(guò)，熱量無(wú)法有效散發(fā)，在長(zhǎng)期發(fā)熱作用下絕緣老化，電流經(jīng)低壓線圈首端繞組再經(jīng)鐵芯入地導(dǎo)致鐵芯接地扁鐵熔斷。

2)變壓器繞組應(yīng)與鐵芯保持一定距離，鐵芯與繞組接觸緊密不僅導(dǎo)致繞組內(nèi)部電流分布向局部區(qū)域集中，導(dǎo)致發(fā)熱區(qū)域面積擴(kuò)大和最大發(fā)熱量升高，這種繞組與鐵芯接觸緊密引起發(fā)熱增加的趨勢(shì)對(duì)于

首端繞組尤其顯著。

3)對(duì)于該風(fēng)電場(chǎng)中仍在運(yùn)行的箱式變壓器，應(yīng)該加強(qiáng)油色譜分析，一旦發(fā)生特征氣體產(chǎn)氣率升高，則極有可能是首端繞組制造工藝缺陷導(dǎo)致的，應(yīng)該立即停止運(yùn)行并進(jìn)行大修處理。大修時(shí)應(yīng)對(duì)低壓繞組及鐵芯表面的絕緣材料進(jìn)行更換并增加首端繞組與鐵芯之間的間隙。