某船干式变压器故障原因分析

陈明 徐迅之 姚斌 杜智慧 刘茂辉

摘    要：本文主要根据某船干式变压器故障现象，开展故障原因分析、排查及定位工作。结合干式变压器结构性能特点及相关标准要求，阐述了干式变压器在船上应用的注意事项，可供船用干式变压器选用、检验及安装使用提供参考。

关键词：干式变压器;箔绕;冷却;局部放电试验

中图分类号：U665.1                                   文献标识码：A

Fault Cause of Shipboard Dry-type Transformer

CHEN Ming1，XU Xunzhi1，YAO Bin2，DU Zhihui2，LIU Maohui2

（ 1.The First Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 510715 ;

2. CSSC Huangpu Wenchong Ship Building Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： Based on the fault phenomenon analysis of a shipboard dry-type transformer， the fault cause analysis， troubleshooting and positioning work are carried out. Combined with the structure and performance characteristics of the dry type transformer and the relevant standard requirements， this paper expounds the matters needing attention in the application of the dry-type transformer on the ship， which can provide reference for the selection， inspection， acceptance and installation of the shipboard dry- type transformer.

Key words： Dry-type transformer; Foil winding; Cooling; Partial discharge test

1     引言

随着船舶向着大型化、自动化和综合电力推进方向发展，电网容量及配电系统电压等级逐渐提高，常规船用变压器已不能满足使用要求，需采用大功率干式变压器才能满足要求。目前电力推进系统移相变压器或主日用变压器广泛使用环氧浇注型干式变压器，其浇注线圈的整体机械强度高、抗短路能力强、局部放电小、效率高、体积小、噪音低、防潮及耐腐蚀性能好，适合在恶劣的环境条件下使用。

2     干式變压器组成

干式变压器主要由铁芯和环氧树脂浇注的线圈组成：

（1）铁芯

铁芯所使用的硅钢片采用45度全斜接缝，磁通沿着硅钢片接缝方向通过。

（2）低压线圈

低压线圈多采用箔绕式。箔式绕线是以不同厚度的铜或铝箔带为导体、以宽带状的H级绝缘材料为层间绝缘、以窄带状的绝缘材料为端绝缘，在箔式绕线机上一次完成卷绕形成卷状线圈，同时完成线圈内外侧引线的焊接及外表面包扎。

（3）高压线圈

高压线圈多采用连续线绕式或箔绕式。线圈经VPI真空压力浸渍成坚固整体，从而避免了多层圆筒式线圈层间电压高、散热能力差、容易热击穿、机械强度低等缺点，提高了变压器运行的可靠性。

干式变压器冷却常用自然空气循环冷却或强迫空气循环冷却。为了提高船舶使用的经济性和变压器的运行效率，并有效降低变压器的温升，船用干式变压器多采用强迫循环冷却方式，变压器与冷却装置之间有风道连接，风机将变压器壳内的热气抽出，进入冷却装置进行冷却。

3     某船干式变压器故障情况

某船进行1号日用变压器半自动状态下岸电转船电试验：该变压器容量为1 600 kVA、690 V/398 V（空载），空载损耗为2 400 W;变压器经预充磁后原边合闸，此时副边未进行任何操作，约10 s后日用变压器原边主开关过流故障跳闸。

现场查看：变压器箱体外表温度较高，并且W（T）相底部有烧焦现象;打开柜门后发现变压器外表面有一层黑色浮灰，低压上夹件一侧靠近W（T）相线圈的温度传感器线缆用的走线槽融化约10 cm;拆开垂直隔板观察发现C相线圈侧面底部发生故障，可见环氧树脂外表破裂，下方底座上有融化的物质（见图1）;预充磁变压器、空水冷装置及状态监测单元无见故障。

图1  变压器C箱底部损坏情况

后续对2号日用变压器进行了感应高压、绝缘电阻、工频耐压、变压比、空载损耗、空载电流等物理参数测试：感应高压试验时，当电压加载到300 V左右时电压突降到220 V，再次逐步加载电压到690 V左右时电压突降到260 V左右，感应高压试验停止;随后复测空载试验，当电压加到15 V时，电流已达到14 A左右，表明2号日用变压器内部匝间绝缘已击穿。

4     故障原因诊断与分析

（1）1号日用变压器发生故障后，对变压器外部线路进行检查，外部电缆的绝缘及相序正常，排除线路以及接线错误引起的故障;

（2）变压器C相绕组副边一侧底部有烧毁的痕迹，变压器表明覆盖有黑色的浮灰，表明烧毁爆裂处发生了短路。变压器故障是由于匝间短路引起，可能是变压器本体或外部用电环境变化引起的过电压造成的绝缘击穿;

（3）采用日用变压器科研样机在该船上进行日用变压器空载投入、船岸电不断电转换等试验：试验过程中记录的电压、电流均正常，排除了外部电力系统即用电环境等外部因素造成变压器故障的可能性;

（4）在排除外部因素引起的故障，日用变压器厂对发生故障的C相线圈进行了拆解排查，分析重点放在变压器本体的生产及施工工艺上。短路故障树包含线圈受潮、绝缘厚度、绝缘老化、铜箔错位、铜箔焊接、试验步骤及方案、铜箔边缘毛刺、铜箔厚度、过电流电压等方面;

（5）变压器本身方面的原因包括：绝缘材料材质、线圈情况、绝缘厚度、铜箔的位移、长时间运行引起的绝缘老化等。

下面进行逐项分析：

① 线圈受潮

该变压器为线圈整体环氧浇筑型式，绕组封闭在环氧树脂内。在运输和运行过程中，水汽均无法接触到铜箔，故排除线圈受潮引发故障;

② 绝缘厚度

C相线圈拆解后，对初级及次级绕组的层间绝缘分别选取三处进行了测量，测量结果均符合图纸及工艺的要求，因此可排除因绝缘厚度过薄引起的短路;

③ 绝缘老化

将变压器的层间绝缘材料送到第三方进行材料检测。检测报告显示，材料相关指标与材料物理参数基本一致;加上变压器在投入使用7天后就发生故障，且没有带大的负载，只是参与船岸电转换试验，在出现故障时三相电流显示均在50 A左右。因此可以排除长时间运行引起的绝缘老化可能引发故障的情况;

④ 线圈铜箔错位

对变压器C相线圈铜箔端部到绝缘纸端部的距离进行了测量，两端均符合要求。故可排除线圈绕制过程中铜箔的错位导致的端部绝缘低引发故障的可能性;

⑤ 铜箔厚度

排查生产过程记录以及选取铜箔进行测量，结果显示初级、次级铜箔厚度与图纸要求厚度基本一致。

综上所述，通过对故障变压器的拆解及绝缘材料的化验、厚度及物理参数的检测，排除了铜箔的位移、绝缘材料材质、线圈等方面的原因引起故障。

5     故障原因定位

根據引发短路故障的故障树范围，继续排查变压器的施工工艺：

（1）铜排焊接后处理过程

在拆检损毁的变压器时发现A相引线铜排和C相引线铜排焊接质量较差。通过对变压器线圈拆解后及对焊接过程和记录的追溯：发现有磨光机打磨的过程;铜排附近的铜箔和绝缘层上有少量黑色的击穿点。倒查该变压器施工工序，此批次日用变压器的铜排焊缝处因不够平整，故采用了动力磨光机进行了打磨，且打磨后产生的铜屑清洁处理不够彻底，从而导致有部分铜屑残留在绕组内部。A相初级高压绕组终端的引线铜排拆开后的情况如图2所示，从图中可知焊口不平直、有尖角毛刺，并伴有经过动力打磨后的痕迹。

此批次日用变压器的铜排焊缝处因不够平整进行了打磨，打磨后产生的铜屑清理不彻底导致有部分铜屑残留在绕组内部，出厂进行感应耐压试验时铜屑处的绝缘层已经受到损伤，但还未完全击穿。但在多次通电后，铜屑残留的位置会对绝缘层有一定的磨损和集中放电现象，加速了层间绝缘的破损和老化，从而导致层间绝缘完全破损产生匝间短路，最终引发故障。

（2）出厂试验项目、方法以及步骤

排查试验过程记录，开展了绕组冷、热态绝缘电阻、变压比、短路阻抗和负载损耗测量，以及空载损耗和空载电流测试、外施工频耐压试验、感应耐压试验等，试验数据符合指标要求。但日用变压器厂在出厂试验步骤没有开展局部放电试验项目，从而没有发现日用变压器绕组匝间的铜屑，导致故障发生。

6     故障发生的启示

该船主变压器在使用过程中连续发生匝间短路故障，在进行故障分析时要求生产厂家提供局部放电测量数据，但厂家提供不出数据，理由是变压器的额定电压为AC690 V/398 V，没有达到干式变压器标准要求的电压1.1 kV，可以不参照执行。

根据以上对故障原因的分析定位，为了杜绝上述质量隐患：焊接完成后不能用动力磨光机打磨，应改用细砂纸打磨，同时用清洁的塑料薄膜覆盖铜箔，防止碎屑、粉尘附落在铜箔上，打磨位置要低于绕线架;同时，焊接过程须在负压状态下进行，打磨后用专用清洁工具（如吸尘器）清理残留的粉尘铜屑等杂质;此外，相对应的检验控制措施需要改进，铜排焊接要严格做到无虚焊、漏焊、毛刺、夹渣等，且需平直。光洁，确保铜箔上没有残留粉尘。

若能在出厂试验时进行局部放电量测量，则可以非常容易的检测到线圈层间是否有铜屑等金属杂质，从而排除隐患避免装船后严重事故的发生。因此，局部放电量的测量是干式变压器一个重要的出厂试验项目，验证其局部放电量在较低水平，保证绕制质量。局部放电水平的最大值为10 pC，此指标越低越好。

开展局部放电试验，需要注意以下几点：

（1）局部放电试验尽量安排在安静的环境下进行，车间内尽量无其他设备在同时运行;

（2）每次试验前需测量环境背景下局部放电具体数值，作为变压器开展局部放电测试时的基数;

（3）试验过程中，变压器需进行可靠接地。

7     结论

在选用干式变压器时，不仅要关注其结构形式、定额数据匹配性、性能指标，而且要关注出厂试验项目并严格按照施工程序及工艺开展生产及检验工作，特别在铜排焊接、铜箔绕制和线圈浇筑等关键工序点要严格过程控制。同时，各种电压等级的干式变压器都需要在出厂试验时做局部放电量测量，以保证变压器的可靠使用。