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(guó)研制出世界上首臺(tái)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(gè)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(lái)，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(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，干式變壓器已占配電變壓器的40%～50%；在我國(guó)，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(shù)脂澆注變壓器是20世紀(jì)90年代從國(guó)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(diǎn)，產(chǎn)品防潮、阻燃、免維護(hù)，具有過(guò)熱保護(hù)措施，可靠性高，短時(shí)過(guò)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(yùn)行要求高的場(chǎng)合[2]。隨著船舶朝著大型化、自動(dòng)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(jí)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(shù)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(duì)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(shù)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?jiǎng)恿υO(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(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，此時(shí)聽(tīng)到設(shè)備中傳來(lái)電流放電聲，緊接著變壓器柜內(nèi)開(kāi)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(guò)程持續(xù)約10 s。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(diǎn)為整流變壓器內(nèi)部的B相副邊繞組。故障變壓器外觀見(jiàn)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(lái)減小空載合閘時(shí)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(guò)；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(jí)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(shí)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(jiān)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(tái)該型變壓器，其功能流程見(jiàn)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(jiàn)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(diǎn)不接地方式，屬于典型的中性點(diǎn)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(diǎn)通過(guò)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(diǎn)在電氣裝置上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn))。IT系統(tǒng)的特點(diǎn)是，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流僅為非故障相對(duì)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(duì)地電容，而該對(duì)地電容的值很小，故該接地故障電流ik可忽略不計(jì)。

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(shí)際情況存在偏差，對(duì)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(jiàn)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(wú)明顯的燒蝕情況。

對(duì)內(nèi)層損壞銅箔部分進(jìn)行拓印、測(cè)繪，圖6為燒蝕銅箔拓印現(xiàn)場(chǎng)照片。

對(duì)各匝損傷面進(jìn)行拓印，對(duì)雙層銅箔正面和反面邊緣進(jìn)行描繪之后，采用CAD軟件計(jì)算其面積，從鐵芯內(nèi)部向外部計(jì)算，各匝的損傷面數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jiàn)，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(duì)鐵芯放電短路的情況，推斷短路點(diǎn)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(yàn)

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(jì)角度分析

通過(guò)對(duì)電磁計(jì)算書(shū)、圖紙等進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：鐵芯選用的是牌號(hào)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(shù)脂澆注結(jié)構(gòu)，電流密度最大為1.64 A/mm2；介電性能好，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)正常，參數(shù)穩(wěn)定；在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、變壓器熱場(chǎng)仿真和柜內(nèi)風(fēng)量流體仿真，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到技術(shù)要求；對(duì)故障線圈進(jìn)行解剖，未發(fā)現(xiàn)絕緣、銅箔局部過(guò)熱老化現(xiàn)象。因此，排除電磁、熱場(chǎng)方面的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)測(cè)單機(jī)滿載時(shí)，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(gè)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(guò)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(shí)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(huì)使其中某個(gè)線圈過(guò)載，引起絕緣過(guò)熱老化。在海試時(shí)測(cè)量2組線圈的輸出電流，y繞組(即Y線圈)電流測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8，d繞組(即△線圈)電流測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。

圖8 y繞組電流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 d繞組電流測(cè)試數(shù)據(jù)

由此可見(jiàn)，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(wú)過(guò)熱、報(bào)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(guò)對(duì)每層銅箔進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，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(guò)檢查非故障相和同型號(hào)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(dòng)氬弧焊工藝，確保了繞組引線銅排焊接的可靠性；通過(guò)人工設(shè)置氣道板缺陷試驗(yàn)，排除了氣道板缺陷引起層間絕緣受損的可能性；通過(guò)檢查設(shè)備運(yùn)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(diǎn)很可能是銅箔毛刺和硬物導(dǎo)致的，隨著變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行，絕緣層可能會(huì)在電動(dòng)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(jì)算

當(dāng)額定電壓下副邊相繞組單匝短路時(shí)，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(shí)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(duì)于2個(gè)獨(dú)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(shí)原邊電流越大。

3)對(duì)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(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)人工在銅箔上制造邊角毛刺(見(jiàn)圖11)，中間用層間絕緣隔開(kāi)，分別在空氣中和樹(shù)脂澆注之后開(kāi)展系列試驗(yàn)。

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(kāi)進(jìn)行試驗(yàn)。由于銅箔間較松，樹(shù)脂滲透較厚，試驗(yàn)擊穿電壓大于4 kV，擊穿點(diǎn)不在毛刺位置。線圈繞制時(shí)是完整、緊實(shí)的正常線圈，試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 毛刺擊穿試驗(yàn)情況

試驗(yàn)結(jié)果表明，銅箔毛刺在層間纏繞緊實(shí)的情況下必然會(huì)對(duì)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(diǎn)試驗(yàn)不能有效排查繞組毛刺；繞組感應(yīng)試驗(yàn)對(duì)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(yàn)在一定范圍內(nèi)能有效驗(yàn)證箔毛刺或絕緣損傷情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)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(duì)采購(gòu)、檢驗(yàn)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(yàn)次數(shù)，排查繞組隱患。