矿用干式变压器绝缘状态评估方法分析

张 艳

(山西西山煤电股份有限公司 发电分公司，山西 古交 030200)

煤矿井下供电系统常用配电压为6 kV和10 kV，供电系统一般采用的矿用干式变压器分为树脂浇注类绝缘和浸渍式非包封类[1]. 随着Nomex绝缘纸及真空压力浸渍等工艺的发展，新型的矿用干式变压器主要绝缘材料已发生较大变化。随着井下作业设备用电量的增加，煤矿安全要求提高，干式变压器状态评估显得十分重要，它的运行状态直接影响到整个井下生产作业环节。但井下复杂多变的恶劣环境导致设备老化快，稳定性也受到一定影响。其中，绝缘故障占干式变压器故障80%以上[2]，其状态影响变压器本身的运行状态。目前，对绝缘状态的检测需要依靠维护人员现场勘查结果，具有一定的经验性和局限性。为避免传统定期维护导致的漏检测和过检测问题，对绝缘状态有效评估，建立相应的评估方法和模型，能够有效提高检测的准确率，最大程度保证设备运行安全可靠。矿用干式变压器结构属于密封型，与油浸式变压器相比，散热方式、绝缘材料等方面具有较大差异。此外，绝缘状态不能直接采用油浸式变压器绝缘状态评估方法进行检测和维护。因此，对矿用干式变压器绝缘状态进行有效评估，建立相应的评估模型，可以及时准确地判断干式变压器运行状态。本文通过分析矿用干式变压器老化原因，并以此建立绝缘状态评估模型，实现矿用干式变压器运行状态的有效评估，提升其在井下恶劣环境的稳定性和安全性。

1 矿用干式变压器老化原因分析

变压器老化是其热应力、电应力、机械应力、氧化等多种因素综合作用的结果，最终导致其绝缘下降。

运行状态下的干式变压器受自身电场影响，空、负载损耗等原因产生大量热量，井下空气环境(如温度和湿度)也对绝缘状态产生影响。绝缘材料在各种因素综合影响下产生老化，并发生绝缘击穿现象，容易使其丧失保护作用。根据调研发现，瞬间击穿概率与故障率均呈现相似的关系，见图1和图2.

图1 击穿概率与时间关系曲线图

图2 故障率与时间关系曲线图

从图1可知，瞬间击穿概率的分布特性呈现“浴盆”状，其击穿阶段分为初期击穿、突发击穿和老化击穿3部分。初期击穿主要是由设备在生产过程导致的，通常由绝缘材料安装失误引起；突发击穿是由设备本身设计或材料性质决定，一般难以发现，需要系统地测试干式变压器绝缘状态，测试周期较长；老化击穿受设备材料、运行环境和运行时间等因素共同影响，一般随运行时间呈指数形式增长。干式变压器在整个运行周期内的故障率和运行时间的关系见图2，与瞬间击穿概率分布特点类似，故障发生概率也可划分为3个阶段。早期故障率随着设备的磨合逐渐降低，在t1时间内，故障一般由干式变压器制造、运输、安装过程引起，例如制造过程中导线不平滑、焊点不实，运输过程引起绕组松动形变，安装过程绝缘期间贴合不良等原因。变压器通过一段时间的运行，这类原因引起的故障率得到显著下降，设备逐渐稳定过渡到偶发故障周期。在t1和t2时间周期内，干式变压器故障率是整个运行周期故障率的波谷，只有操作失误引起的过载和空载才会引起。当变压器运行到一定时期，绝缘部件老化严重，设备的故障率大幅提高，定期检修周期缩短，维修周期从小修变为大修或是更换。针对干式变压器运行状态及绝缘击穿变化规律，总结出常见的绝缘状态，并通过分析，明确绝缘状态需要进行评估的部分。通过对图1，2分析可知，对绝缘的老化进行分析是绝缘状态评估的关键。绝缘老化可以分为电、热老化，机械老化及环境影响等因素。电、热老化是煤矿井下干式变压器常见的问题。当设备在正常运行状态下时，电压强度对其绝缘影响较小，但如果设备在制造或安装过程中存在一些缺陷，就会导致局部电场过高，一旦超过绝缘耐受峰值便会引起局部放电，局部放电是引起绝缘老化的主要因素之一。同时，设备在运行过程长期受热应力影响，在井下潮湿环境中，其散热性能均较差，容易引起绝缘加速老化，且老化速度随温度呈指数式增加。机械和环境老化也是绝缘老化的重要原因，只有全面考虑绝缘老化影响因素，才能对绝缘状态进行有效评估。

2 绝缘状态评估

绝缘状态是矿用干式变压器运行状态良好与否的先决条件，通过上述分析，本文主要以绝缘老化参数作为评估绝缘状态的指标。首先确定绝缘状态的评估参量：1) 绝缘电阻。2) 极化指数。绝缘电阻和极化指数是评估绝缘状态的常用指标[3]，绝缘电阻受环境影响可能导致阻值下降，因此计算绝缘电阻可以发现干式变压器绝缘是否受环境影响发生了变化。极化指数同样受环境影响会导致比值下降，因此可以通过极化指数测量作为绝缘状态评估的指标。根据研究发现，不同温度的绝缘电阻最低值见表1.

表1 绝缘电阻最小值表

一般情况下，不同温度环境下测得绝缘电阻阻值需要归一化到同一温度环境中进行对比，归一化公式如下：

Rc=Rr×1.5(Tr-Tc)/10

(1)

式(1)中，Rr和Rc为温度在Tr及Tc时测得的绝缘电阻阻值(MΩ). 而干式变压器极化指数也有相应的规定，见表2.

表2 绝缘状态与极化指数关系表

极化指数在评估矿用干式变压器绝缘状态时存在不确定性，因此需要对测量得到的绝缘电阻值进行周期性测试，并取周期初始和末尾两组数据进行极化指数计算。绕组直流电阻可以作为绝缘状态评估的辅助参量，其值反映了干式变压器绕组是否存在漏焊、短路、接触不良等异常情况。绝缘状态也由干式变压器的状态参数做评估，尤其是设备平稳运行过程中温度参量、拉伸度参量、电压参量及局部放电情况。通过研究发现，温度湿度混合变化系数可以导致绝缘状态发生改变，同样湿度条件下，温度升高可加速绝缘器件老化，容易导致器件纤维表面变粗糙，造成表面凹凸不平，甚至导致纤维表面出现孔洞。拉伸度是反映绝缘材料机械性能的参量，假设设备在平稳运行状态的温度不出现较大变化，则环境温湿度改变对绝缘器件机械性能造成的影响见图3.

图3 拉伸度与绝缘老化时间变化关系图

由图3变化关系可以推出，绝缘老化程度与环境温度及湿度呈现正相关关系。电压参量是指干式变压器在井下供电系统正常状态下遭受的各类过压影响，过电压在绝缘故障中占比较大。瞬态过电压、误操作过电压、变频导致的谐波过电压均是评估绝缘状态指标。因此各类效应均在绝缘状态评估中起参考作用。

根据上述分析，可以按分层建立3层结构体系，第一层为绝缘电阻和极化指数等技术参量，以Tec表示其指标；第二层为矿用干式变压器运行状态参量，用Run表示；第三层则是由其他参量组成，属于前两层的补充指标。绝缘状态评估结构见图4.

图4 绝缘状态基本评估参量结构图

上述结构中部分参量是定量的，部分则是定性评估，按照标准的权重分配方法，将定量参量权重设计大于0.7，其余参量则作为评估体系的补充。根据上述结构特点可以指定相应的绝缘状态评估方法，具体的评估过程按以下步骤进行：

1) 构造评估参量集合X.

X={x1,x2,…,xn}

(2)

2) 构造评价集合Y.

Y={y1,y2,…,yn}

(3)

3) 构造权重函数集合W.

W={w1,w2,…,wn}

(4)

4) 得到绝缘状态评估函数.

(5)

式(3)—(5)中，分别以加权的参量集合与归一化系数C作积，并将所有参量加入到绝缘状态评估模型当中。一般情况下，为得到可靠的状态评估指标，还应对绝缘状态评估函数做加权平均，这样既能考虑到各个参量权重，也考虑到不同层级参量对状态评估的作用[4].根据图2，将0.1～0.9标度作为评价分级标准，具体绝缘状态划分见表3.

表3 绝缘状态评价分级表

通过构建分层结构体系，采用加权平均方法对绝缘状态进行修正，确立了各类参量的隶属关系，实现了矿用干式变压器绝缘状态评估，对变压器稳定、安全的运行起到了指导作用。

3 结束语

本文提出绝缘老化影响运行状态的观点，并对各类老化进行分析。通过综合考虑常用的绝缘状态评价参量，构建参量集、权重集和评价集的方法完善了评估体系，通过加权平均得到绝缘状态的评估，论证其方法的可行性，在今后的绝缘状态评估和变压器运行状态评估上，均具有借鉴价值。