風電場箱式變壓器鐵芯發(fā)熱故障分析

劉守豹，楊耀武2，袁 志3，童 理，方 圓，韋昌偉

(1.大唐水電科學技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.中國大唐集團有限公司重慶分公司，重慶 400020；3.國網(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)劃變壓器是風力發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換過程中的重要組成部分，它將風力發(fā)電機發(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，鐵芯通常采用單點接地[4-5]。

實際運行中變壓器由于設計、制造、材料等方面的問題，會發(fā)生鐵芯多點接地、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熱、中溫過熱和高溫過熱，如果鐵芯發(fā)熱故障未得到控制和解決將會引發(fā)更大故障，導致變壓器無法運行[10]。

下面以某風電場連續(xù)發(fā)生的3起箱式變壓器鐵芯發(fā)熱故障為分析對象，通過油化分析、現(xiàn)場拆解和仿真計算，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于緊密是導致發(fā)熱故障的原因。

1 故障簡介

2009年5月某風電場第一臺箱式變壓器投運，2010年10月最后一臺箱式變壓器投運，該風電場共安裝55臺同廠家、同型號、同批次風機箱式變壓器，其基本參數(shù)如下：

型號：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、免維護電力變壓器，其整體外觀和繞組鐵芯如圖1所示。

圖1 風電場箱式變壓器

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

2017年1月風電二回21號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熱痕跡，鐵芯至夾件引出連片已熔斷，C相繞組有過熱現(xiàn)象，A相低壓側(cè)線圈繞組燒斷，線圈燒斷處在6級鐵芯表面有明顯燒蝕痕跡。

2017年8月風電二回2號箱式變壓器再次出現(xiàn)油溫過熱問題，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臺故障變壓器具有共同的特點：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10號箱式變壓器解體前開展的油化分析發(fā)現(xiàn)大量氫、烴、一氧化碳、二氧化碳類氣體，其中氫含量超過260 μL/L，總烴超過1000 μL/L，并出現(xiàn)乙炔，油化報告如表1所示。

表1 10號箱式變壓器油化分析報告 單位：μL/L

通過三比值法對表1的數(shù)據(jù)進行分析，表明變壓器內(nèi)部存在低溫過熱的問題，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，聚合物在裂解過程中產(chǎn)生的水與鐵作用產(chǎn)生H2；C2H2含量相對較低表明變壓器內(nèi)部未出現(xiàn)電火花。

下面依次給出10號、21號、2號箱式變壓器解體照片如圖2—圖4所示，可見變壓器首端繞組與鐵芯之間接觸過于緊密，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臺變壓器的故障情況可以看出：1)故障點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，導致熱量無法通過油循環(huán)散發(fā)；3)局部發(fā)熱引起絕緣材料碳化，進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大電流，使得鐵芯與繞組接觸面被燒蝕，大電流通過鐵芯接地銅排入地進而將銅排融化。

圖2 10號變壓器A相解體情況

圖3 21號箱式變壓器C相解體情況

圖4 2號箱式變壓器B相解體情況

通過解體情況還可以得出如下結(jié)論：該風電場的箱式變壓器問題不是偶發(fā)故障，而是在3臺故障變壓器中共同存在的，故障點低壓繞組首端和引出線與鐵芯之間緊密接觸不是個案，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

為了對變壓器繞組和鐵芯之間距離較近情況下繞組發(fā)熱進行比較分析，采用有限元分析軟件ANSYS MAXWELL建立簡化二維軸對稱渦流場分析模型，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、低壓線圈為銅導體。

圖5 驗證模型空間布置

仿真計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，電流場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，因此導致了首尾匝繞組部分區(qū)域成為“熱點”。

為了對低壓繞組靠近鐵芯情況下的發(fā)熱進行分析，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，重新計算得到場量分析如圖7所示。

圖6 正常布置方式下場計算結(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加重。從1號、3號到5號線圈，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，這是因為1號線圈受端部效應的影響最嚴重。從發(fā)熱情況來看，1號線圈發(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計算結(jié)果

4 結(jié) 語

1)該風電場箱式變壓器鐵芯發(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致發(fā)熱加劇，同時緊密接觸處變壓器油無法通過，熱量無法有效散發(fā)，在長期發(fā)熱作用下絕緣老化，電流經(jīng)低壓線圈首端繞組再經(jīng)鐵芯入地導致鐵芯接地扁鐵熔斷。

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

首端繞組尤其顯著。

3)對于該風電場中仍在運行的箱式變壓器，應該加強油色譜分析，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致的，應該立即停止運行并進行大修處理。大修時應對低壓繞組及鐵芯表面的絕緣材料進行更換并增加首端繞組與鐵芯之間的間隙。