500 kV变压器铁心硅钢片上窜原因解析及处理

眭上春，吴 敏，王 俏，申 良，高 分，何忠华

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

2018年08月22日16：43，某抽水蓄能电站在月度定期工作中，发现该电站3号变压器铁心电流为12.97 A、夹件接地电流12.93 A（2018年7月13日进行月度定期工作中测的3号变压器铁心电流为5.1 mA，夹件接地电流 16.4 mA），超出《DL/T 596-2005电力设备预防性试验规程》要求：运行中铁心接地电流一般不大于0.1 A。2018年08月22日20：19，3号变压器由“运行”转“检修”后，立即对3号变压器的铁心、夹件进行绝缘摇测，铁心-夹件的绝缘值为0 MΩ、铁心-地的绝缘值为4.33 GΩ、夹件-地的绝缘值5.09 GΩ。2018年08月22日23：58完成3号变压器绝缘油取样。

2018年08月22日23：58变压器油色谱在线分析装置对3号变压器绝缘油进行取样分析。色谱分析结果显示氢气为 218.3 μL/L、乙炔 1.6 μL/L、总烃含量 616 μL/L，均超出注意值（表 1），与 2018 年 6 月 20日数据相比CO、CO2无明显变化，但烃类气体变化较大。8月23日完成了3号变压器油化验，结果显示总烃超标，乙炔有1.6 μL/L。与2018年6月20日数据相比CO、CO2含量也一致，烃类气体变化同样较大。经三比值法分析，判定故障放电类型为“0，2，2”（表2、表3），高温过热，能量较小，且与绝缘关系不大；结合试验数据分析，初步判断为铁心与夹件导通，形成多点接地，局部过热。建议先放油内检，重点检查铁心尾级片、拉带、上托梁、垫脚等，再进行下一步处理。

表1 变压器、电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值

表2 编码规则

1 变压器故障检查及原因解析

1.1 变压器内检过程

（1）变压器内部检查前的准备

表3 故障类型判断方法

变压器内部检查前，衡阳特变电I公司编制了详细的施工方案，组织三方对方案的可行性进行了评审。开工前对施工所需的环境、设备调用与停放位置、工器具准备、人员的培训情况进行了分工与安排。为保证500 kV变压器现场检修质量，衡阳特变电I公司从其分公司调用了新滤油机、真空机组、干燥空气发生器和60 t油罐紧急发往该电站，为变压器内部检查做好了充足的准备。

（2）变压器抽油进箱检查过程

8月28日对变压器抽油进行内检，由于变压器内部空间狭小，检查操作受限，只对可视部位进行检查，未发现异常现象；后采用内窥镜对器身缝隙、夹角及铁心上铁轭进行检查。发现高压侧旁A芯柱间上铁轭末级料、AB芯柱间上铁轭末级料、BC芯柱间上铁轭末级料，有3～5片硅钢片发生不同程度的向上位移跑片现象（图1、图2）。

图1 硅钢片上移一

图2 硅钢片上移二

基于上述检查情况，衡阳特变电工公司进行了认真分析，基本可以确定变压器本次故障为铁心多点接地造成，铁心片局部与夹件上托梁导通，造成导通部位存在低能量放电，从而导致变压器油中产生乙炔，变压器应该没有其他绝缘方面的问题。为彻底解决铁心与夹件导通问题，经现场专业人员和资深专家研究分析，提出了对变压器进行吊罩大修的建议。内检完毕后，进行真空注油保存，防止绝缘受潮。并重新制定吊罩检查处理方案。

1.2 变压器吊罩检查处理

9月7日，各项准备工作就绪，开始附件拆除、高压出线装置拆除、本体转移运输、箱沿切割等工作。9月12上午，环境温度21℃，湿度50%，现场环境具备变压器吊罩要求，12：00对变压器进行了吊罩，现场吊罩见图3，现场故障处理见图4。

图3 主变吊罩中

图4 主变吊罩后进行检查处理

吊罩后，发现变压器硅钢片末级最后一两片有不同程度的上窜，凸出约10～20 mm不等，对上托梁逐个拆开检查，发现上托梁与硅钢片间有一处放电点，如图5所示。

图5 硅钢片末级上窜及放电痕迹

1.3 故障原因分析

（1）变压器铁心硅钢片上窜原因分析

由于硅钢片末级片料向上位移导致铁心与夹件上托梁相碰，铁心和夹件的绝缘电阻为0。

因抽水蓄能变压器的运行工况比较复杂，在长期负荷变化及转换过程中，会产生暂态振动和电动力，因纸板与硅钢不同材料间摩擦系数较少，容易滑动；负荷变化引起的温度变化因膨胀系数不一致使铁心夹紧力有短时减少，末级硅钢片上容易产生相对运动，累积效应使得末级硅钢片向上位移（图6方框部分）。

图6 变压器铁心硅钢片示意图

该抽水蓄能电站3号主变压器故障是由于上轭最小级（2～3片硅钢片）上窜，与夹件上梁加强筋接触，导致铁心与夹件上梁导通。引起上轭最小级（2～3片硅钢片）上窜的可能原因有2个，①器身起吊；②硅钢片自身的磁致伸缩作用。变压器在投运前进行的现场试验正常，证明当时上轭与夹件未发生导通情况，导通的情况是在运行多年后发生的，在此运行期间并未再次起吊器身，因此，能够影响其状态的只有交变磁场引起的硅钢片自身磁致伸缩作用。

（2）变压器起吊过程硅钢片受力分析

变压器在静放时，如图7所示，未被楔形垫块抵挡部分的硅钢片（下面简称“窜片硅钢片”）在自身重力的作用下趋于发生相对运动，但是需要克服静摩擦的作用，未被抵挡部分的硅钢片自重相对静摩擦力（F1+F2）较小，因此“窜片硅钢片”不会发生运动。

图7 变压器在静放时窜片硅钢片受力情况

起吊时，如图8所示，在起吊作用力的作用下，夹件及夹件绝缘相对硅钢片趋于发生相对运动，受到楔形垫块抵挡作用的硅钢片不会发生运动，而“窜片硅钢片”受到夹件绝缘的摩擦力（F1=μ1N），同时受到其他硅钢片对他的摩擦力（F2=μ2N），以及自重作用。由于F1-F2-mg＞0，因此，“窜片硅钢片”将会随着夹件及夹件绝缘发生向上位移，相对被抵挡部分的硅钢片发生窜动。

图8 变压器在起吊时窜片硅钢片受力情况

起吊结束时，如图9所示，由于“窜片硅钢片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且会发生不同程度的形变，这种形变会导致这部分硅钢片无法随着夹件及夹件绝缘回复到原来的位置，最终形成窜片现象。

图9 变压器起吊后窜片硅钢片窜出情况

（3）硅钢片磁致伸缩分析

虽然磁致伸缩是铁磁材料的一项固有属性，但人们更习惯于把磁致伸缩看成是在某种外力作用下发生的变形，这种外力其实是一种等效力，被称为磁致伸缩力Fms。也就是说，在磁致伸缩力Fms的作用下，铁磁材料的变形与其磁致伸缩产生的变形相同。

1）磁致伸缩力分析

在变压器运行时，变压器铁心在磁场交变作用下引起硅钢片的力学变形和运动，其中硅钢片在磁场中发生的磁致伸缩效应尤为突出，为了表征处于这种复杂交变磁场中磁性材料所受到的电磁力作用，引入磁场力体积密度的概念，其表达式为：其中，■→为体积力密度矢量；为磁感应强度矢量为电流密度矢量；H为磁场强度；τ为介质的体积密度；μ为介质的磁导率。

取x方向为磁场方向，y为垂直于磁场方向，z为铁心硅钢片厚度方向，则磁场力体积密度沿着3个方向分量的表达形式为：

磁场力F的表达式为：

从弹性力学中的应变能体积密度概念考虑得到磁致伸缩力，而通过应变能来表征硅钢片磁致伸缩现象的前提是需要忽略剪切应变。磁致伸缩现象具有周期性，因此磁致伸缩力的变化规律同样具有周期性，如下式所示：

铁磁材料的磁致伸缩率实际上可以等效为硅钢片的最大应变，物体单位体积的应变能可表示为：

其中：

其中：E为硅钢片的弹性模量；v为泊松比

将硅钢片的磁致伸缩效应等效为储存在铁磁质中的应变能，由功能转化关系可得到：

其中，dlx=εdx，dly=εdy，dlz=εdz，将右边任一项进行积分后，可以得到任一方向的磁致伸缩力表达式：

应用上述推导公式即可求出变压器铁心沿着硅钢片轧制方向的磁致伸缩力大小。本次分析的为Fcy对最小极自身的作用，其大小与y方向上的磁致伸缩率相关，而磁致伸缩率又和铁心磁通密度密切相关，因此磁致伸缩力会随着铁心磁密的变化而变化。

2）磁致伸缩力与磁场方向及轧制方向的关系

考虑硅钢片轧制方向与磁化方向对材料磁致伸缩的影响，如图10所示，忽略硅钢片表面涂层和表面应力等的作用影响。

图10 电力变压器铁心硅钢片试样图

图10（a）：试样的励磁方向平行于轧制方向，其磁致伸缩沿磁场方向测量

图10（b）：励磁方向垂直于轧制方向，其磁致伸缩同样沿磁场方向测量

将试样装入磁致伸缩测量仪的测试盒，沿长度方向，固定试样的一端，将另一端与激光位移计相连。试样被励磁电流磁化后，将沿长度方向（励磁方向）变形，产生磁致伸缩现象。试样的磁致伸缩变形量被激光位移计记录下来，变形量与试样长度的比值即为磁致伸缩率。改变通过试样的磁通密度，即可获得试样的磁致伸缩特性曲线。对某牌号的硅钢片通过试验测量分别获得了励磁磁场平行和垂直于硅钢片轧制方向时的磁致伸缩特性曲线如图11所示。

图11 磁致伸缩单值特性曲线图

图11中纵坐标表示的是磁致伸缩率，磁致伸缩率无量纲且其数量级很小，仅在微米级，即10-6级。对于试样取向硅钢片而言，垂直轧制方向的磁致伸缩率明显大于平行于轧制方向的磁致伸缩率，并且在0.0～1.2 T左右的磁密范围内磁致伸缩率变化不大，超过1.2 T后，硅钢片的磁导率进入饱和区，其磁致伸缩率也不断增高。为计算电力变压器铁心硅钢片的磁致伸缩力，基于最小二乘法的原理对测量的磁致伸缩率单值特性曲线进行函数拟合：

磁化方向平行于轧制方向：

磁化方向垂直于轧制方向：

式中，λ∥为磁化方向平行于轧制方向的磁致伸缩率，单位1×10-6；λ⊥为磁化方向垂直于轧制方向的磁致伸缩率，单位1×10-6；B为通过硅钢片的磁通密度，单位T。某牌号硅钢片的磁致伸缩特性曲线如图12所示。

2 变压器铁心硅钢片上窜原因总结及处理

2.1 硅钢片上窜原因总结

图12 垂直轧制方向磁致伸缩特性

（1）制作的阶梯垫块槽口尺寸制造偏差未能限位尾级硅钢片，器身起吊时夹件绝缘对“窜片硅钢片”的摩擦力大于硅钢片之间的摩擦力，导致“窜片硅钢片”被夹件绝缘带动发生窜动，而在起吊完毕后，“窜片硅钢片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且会发生不同程度的形变，这种形变会导致这部分硅钢片无法随着夹件及夹件绝缘回到原来的位置，最终形成窜片现象。

（2）夹紧力的大小也会影响“窜片硅钢片”发生窜动的大小，夹紧力大窜动小。

（3）由于“窜片硅钢片”的磁场分布都比较复杂，磁通走向不一定沿着主磁通方向，可能偏离轧制方向，甚至可能垂直轧制方向，因此，“窜片硅钢片”在此磁通下会继续发生窜动。

（4）当“窜片硅钢片”窜动到与夹件上梁加强筋接触时，导致铁心与夹件上梁导通。

2.2 故障处理及预防措施

（1）故障处理及预防措施

1）逐个对上托梁处末级向上位移的硅钢片采取折弯卷边处理，在折弯的硅钢片处用0.5 mm纸板增加纸槽绝缘与固定，防止碰触相邻级的硅钢片。

2）用插刀将0.5 mm的纸板塞入夹件绝缘与铁心末级硅钢片缝隙中，塞满缝隙，并将纸板伸出一部分，对伸出部分折弯后包覆铁心末级，加强绝缘。紧固上夹件、托梁、侧梁及钢拉带等所有螺栓紧固部分。

3）对处理过的局部硅钢片按照工艺要求进行刷清漆处理。

4）紧固所有上梁紧固件及钢拉带紧固螺母。5）更换变压器箱沿橡胶。

6）更换铁心接地套管及夹件接地套管。

（2）处理后绝缘测量情况

经处理后测量绝缘情况如下：

铁心对夹件及地9.31 GΩ；夹件对铁心及地7.63 GΩ；铁心对夹件8.57 GΩ。

在吊罩过程中，处理完故障缺陷后，又对器身和油箱进行了全面检查，检查了磁屏蔽及接地情况，对局部引线绝缘进行了包扎，清理箱沿脏物，清理箱底余油等；确认变压器器身无问题后，清点工具，然后进行变压器扣罩，抽真空，结束变压器吊罩检查处理工作。

3 总结

通过对500 kV变压器铁心硅钢片上窜原因的解析，为变压器的安全生产提供了有力的依据，为生产更安全稳定的产品提供了实际案例；现场缺陷的处理过程，为电力系统变压器的检修和日常运维工作提供了宝贵的实践经验。