干式变压器结构及老化故障分析

2023-01-19丁济民

科学与信息化 2022年15期

丁济民

合肥博微田村电气有限公司安徽合肥 230000

引言

干式变压器与油浸式变压器最大的差异在于绝缘和冷却方式，油浸式变压器依托于绝缘油来保障其内部绝缘能力，同时其设备内部的散热也以循环绝缘油的方式进行。干式变压器则采用绝缘材料来保障匝间绝缘能力，同时干式变压器中没有油纸和油液，其采用风冷式散热模式，根据装机容量的不同，其风冷形式也各不相同[1]。从当前电力技术及发展需求角度来看，干式变压器和油浸式变压器适合应用的场景不同，干式变压器在一些有较高防火防爆需求的场景中有独特的应用优势。由于干式变压器其整体运行状态受到绝缘材料的直接影响，因此在对干式变压器进行研究的过程中，需要重点分析其绝缘材料的老化故障问题，在明确干式变压器结构及优势的基础上，针对其绝缘特性进行分析并研究干式变压器中绝缘材料老化因素是干式变压器技术发展和设备应用的重要一环。

1 干式变压器分类及优势

1.1 干式变压器分类

干式变压器可根据不同分类方向分为多种类型，例如可根据绝缘材料类型分为环氧树脂绝缘型干式变压器和非环氧树脂绝缘材料型干式变压器。也可以按照绝缘等级进行分级，目前按照绝缘等级分级可将干式变压器分为B级、F级、H级以及C级，按照绝缘等级分级对于不同绝缘需求下相关应用场景的干式变压器选择具有决定性意义。干式变压器也可按其封闭形式进行分类，按照这一分类标准，可将其分为全封闭式干式变压器、非封闭型干式变压器以及封闭式干式变压器三种。全封闭型其内部设备完全处于密封外壳之内，内部设备不与外部气体环境接触，其冷却方式为内部循环气冷。非封闭式设备无密封外壳，内部设备可与外部气体环境直接接触，其冷却方式包括自然气冷和风机强制气冷。封闭式设备有非密封外部壳体，内部设备仍然可与外部气体环境直接接触，这种干式变压器主要采用外部空气循环的方式进行冷却。

1.2 干式变压器优势

由于油浸式变压器所使用的绝缘油为矿物质油，其主要成分包括各类烷烃、环烃以及不饱和烃等，作为原油提炼产物，其化学成分较为复杂且具有可燃性，因此其发生化学污染和火灾的风险相对较大，干式变压器与其相比防火性能优异且无有毒有害化学物质[2]。另外绝缘油对于设备运行环境要求相对较高，由于潮湿或较高的运行温度都会对绝缘油产生相应的劣化影响，因此在设备适应性上干式变压器表现更好。从安装角度来看，干式变压器整体设备质量和设备体积相对更小，设备所占空间小，安装所需空间也相对较小，安装操作更加简便。除此之外当前电力系统中所应用的干式变压器绝大多数拥有完善的温度监测及保护系统，其设备安全性能相对更高。

2 干式变压器结构分析

2.1 铁芯

铁芯是干式变压器磁路结构的主体部分。对于变压器而言，铁芯相关参数直接决定了变压器传输功率，不同铁芯材料以及铁芯横截面积都能够直接影响设备的传输功率。目前绝大多数干式变压器铁芯所采用的材料为硅钢片，企业加工制造选用冷轧晶粒工艺。硅钢片加工完毕后采用直接缝或全斜接缝的模式来保障正确的磁通路方向[3]。变压器铁芯所采用的硅钢片有两种常见类型，一种是厚度较薄的取向硅钢片，另一种则为厚度较厚的无取向硅钢片。根据变压器磁通需求的不同，硅钢片的组装方式也有一定差异，如需较大的磁通，则硅钢片组装方式选择交叠法，此种方式需要将加工好的硅钢片交替分布于两侧，这样能够减小硅钢片的间隙进而起到增大磁通的效果。干式变压器最常使用的为EI型硅钢片，此类硅钢片组成的铁芯包括76片型、86片型、96片型、105片型等，其基本长宽参数如下：76片型参数为63.3×76，86片型参数为71.6×86.0，96片型参数为80.0×96.0，105片型参数为87.5×105.0。 EI硅钢片长宽参数与铁芯整体片数成正比。

2.2 绕组

干式变压器绕组包括高压线圈和低压线圈，不同线圈套于铁芯之上共同组成相应的电磁感应装置。干式变压器中的高压线圈和低压线圈可作为独立结构进行分析。设备中10~36kV的高压绕组其结构包括多层圆筒结构以及分层结构，而低压线圈则包括分层结构和箔式结构。从绕组类型上来看，由于当前应用最广泛的干式变压器为绝缘树脂干式变压器，因此其绕组间绝缘材质也为环氧树脂。从类型上来看当前绝大多数环氧树脂干式变压器绕组间绝缘形式为玻璃纤维环氧树脂浇注。这种绕组形式的干式变压器绝缘等级为F和H级。从线圈绝缘隔离情况来看，此类线圈内外部均有相应的树脂及玻璃纤维网格，绝缘性能好而且能够在很大程度上避免模具浇筑时的树脂开裂[4]。绕组有不同的线圈交互形式，主要包括同心式绕组、并联式绕组、双柱式绕组等，具体绕组形式需结合实际容量以及设备参数需求决定。

3 干式变压器绝缘分析

关于干式变压器绝缘的分析主要应从材料的绝缘等级、击穿场强、介质损耗及力学性能这几点入手。目前，行业内应用的干式变压器绝缘等级一般为F级或H级，因此材料最高允许温度为155℃或180℃，绕组温升限值为105K或125K，性能参考温度为120℃或145℃。击穿场强可以从近年来10kV线路干式配电变压器烧毁事故上进行分析，根据此类事故研究报告显示，半数以上该类型事故起因为绝缘老化，由于绝缘材料老化，因此在工作电场中绝缘材料通过的电流显著增加，导致其绝缘性能大幅下降进而导致电击穿并引发火灾，原材料老化会增加电击穿概率，而绝缘层厚度以及运行环境中的电压频率等参数也直接影响着击穿场强的具体参数[5]。变压器在运行过程中受环境参数、电力参数等因素影响会出现绝缘材料损耗的情况，当介质损耗至一定程度，导致其绝缘性能低于现值则容易引发绝缘材料热击穿。力学参数主要是不同温度或湿度下绝缘材料的伸长率、抗拉强度、韧性等，以某型固体绝缘材料为例，其在20%适度下伸长率为22.1%，抗拉强度为282N/cm，而湿度变化为60%时，其伸长率为26%，抗拉强度减小至251N/cm[6]。而该材料在100℃时，其伸长率为19.4%，抗拉强度为249MPa，当温度升高至150℃，时其伸长率增加至21.1%，抗拉强度下降至232MPa。材料在不同环境下，力学性能变化幅度越小，其绝缘性能随环境变化越小。

4 干式变压器绝缘材料老化故障因素分析

4.1 受潮老化

受潮老化是一种干式变压器绝缘材料老化故障的常见类型。由于相当一部分干式变压器，其内部设备与空气环境有直接接触，因此空气环境中的水分子对于绝缘材料有直接的劣化影响。一方面来看绝缘材料长时间处于较多水汽影响之下会导致其电导增加，这种情况下绝缘材料的损耗速率同步增加。处于潮湿环境下的绝缘材料，其表面附着的水气能够在很大程度上溶解离子态物质或者导致强极性物质解离，此时绝缘材料自身的电气性能发生较大变化，在接受外部电压的情况下容易形成通路，此时绝缘材料的击穿电场和击穿电压大幅下降，容易出现绝缘材料被热击穿的故障。

4.2 电老化

绝缘材料电老化是一种较为常见的干式变压器老化故障。电老化主要包括两种类型，一种为局部放电，而另一种是树脂绝缘干式变压器所产生的树脂放电。局部放电在发生过程中遵循巴申定律，即Ub=f(pd)。由该式可知，绕组卷材料间隙出现的局部放电现象，其击穿电压与间隙距离以及气体压力有关，击穿电压与pd之间存在相应的函数关系，根据巴申定律可以计算出击穿电压最小值。这种局部放电现象会对有机高分子材料产生较大的电气特性影响。变压器属高压设备，在此基础上，局部放电容易产生少量O3和某些氮氧化物，此类物质不仅会导致绝缘材料直接裂解，而且其与空气中水分子结合所生成的酸性物质也会对绝缘材料造成腐蚀。此外局部放电也会产生相应的热效应，温度升高也会对绝缘材料的整体性能产生影响，长时间处于较高温度下的绝缘材料将出现开裂以及化学性质变化等使其绝缘性能降低的问题。

4.3 热老化

关于干式变压器绝缘材料热老化故障，可以结合十度法则来进行分析。十度法则是国际电工协会经过长时间数据搜集及实践实验所得出的一项关于干式变压器寿命与使用温度之间的关系[7]。该法则指出，干式变压器内部温度每升高10℃，变压器稳定运行时长减少0.5倍。从这一点上可以了解干式变压器内部温度对于绝缘材料性能稳定时间有直接影响。以树脂绝缘材料为例，当其所处环境温度升高，材料质量随时间延长逐渐减少，有实验数据表明，当树脂绝缘材料处于170℃温度环境下，暴露时间为24h时，其质量损失约为0.111%左右，这部分损失掉物质对于环氧树脂绝缘性和力学特性均有较大影响，不仅导致绝缘材料电阻下降，同时也容易导致绝缘材料开裂脱落[8]。

5 温控系统对绝缘材料老化的影响分析

从本文对干式变压器老化故障因素的分析结果上来看，设备内部的运行温度对于设备整体稳定运行产生了较大影响，不论是电老化还是热老化都在改变绝缘材料所处温度的基础上引发了绝缘材料老化和性能劣化，因此科学有效的温控系统，对于绝缘材料有着较好的保护作用。当前比较常见的干式变压器温度控制系统包括温度显示系统、热敏电阻自动跳闸系统以及有风机进行强迫气冷的风机自动控制系统。以某型干式变压器温度控制系统为例，其温度显示系统中采用的PT100型热敏电阻能够根据设备内部运行温度的变化而调整自身电阻大小，进而实现对系统内部的温度显示。而该型温度控制系统在预设参数方面规定，当监测到绕组温度达到120℃时，系统将自动启动循环风扇增加内部冷却气体流量控制设备运行温度。而根据出厂参数设定该温度控制系统将在设备内部运行温度超过175℃时发出高温报警信号并执行跳闸动作。整套系统从控温角度最大限度避免了高温因素对绝缘材料老化速率的影响。