2起干式變壓器燒毀的原因分析及對策

劉金亮

0 引言

隨著電氣化鐵路的發展，防火和環保的要求越來越高，土地價格的高漲又使變電所設計人員更加關注占地面積小、安全系數高的組合電氣設備。干式變壓器以其獨特的防火性能，在新建和改建的小容量組合變電站中列為首選，其應用越來越廣泛，尤其在對防火要求高的地方更適宜使用干式變壓器。干式變壓器與油浸式變壓器相比，具有防火性能好，免維護，無污染，抗短路能力強，耐熱能力高，安裝方便等一系列優點。但干式變壓器的價格比油浸式變壓器高，出現故障后不易修復也是不容忽視的缺點。在朔黃鐵路肅寧分公司管內就曾經發生2起干式變壓器損壞的故障，筆者希望通過對這2起干式變壓器損壞實例的分析，為干式變壓器生產廠家提供一點現場運行資料并能和相關人員進行交流。

1 事故及分析

1.1 第1起事故

1.1.1 事故起因過程

2008年5月2日10時16分，黃驊南變電所2#所用變壓器（下文簡稱所用變）所供交流盤突然斷電，經巡視發現，2#所用變C相高壓繞組的絕緣體開裂，內部流出黑色膠質狀物體，經試驗檢測發現，高壓A相繞組直流電阻值由原來的40.20 Ω變為34.18 Ω，其余繞組狀態良好，初步分析認為該變壓器的損壞系該繞組內部匝間短路引起。

1.1.2 事故分析

該變壓器的損壞，由于當時沒有留存圖片，只能采用文字描述。該變壓器損壞時并沒有出現絕緣物質噴射現象，這說明該故障的出現經歷了長時間的累積過程，損壞后測試低壓繞組的直流電阻與出廠試驗數據一致，一直在12 mΩ，絕緣良好。低壓空氣開關容量選擇滿足過負荷跳閘要求，說明該故障與低壓回路無關。高壓繞組的損壞與繞組匝間絕緣不良導致局部介質損耗增大，隨著時間的推移，運行當中過電壓的沖擊，其絕緣會進一步下降，直到其局部絕緣電阻值小至能夠引起局部溫度比周圍溫度高的時刻，便是惡性循環的開始，發熱使絕緣進一步下降，最終使溫度升高到超過135℃甚至更高時環氧樹脂開始熔化膨脹，由于絕緣厚度的存在，內外溫度不一樣，致使內外膨脹系數出現了嚴重的不一致，內部壓力逐漸增高，導致外部不堪重負而開裂，繞組直接與空氣接觸，絕緣瞬間下降造成短路，高壓保險熔斷，故障結果產生。

1.2 第2起事故

1.2.1 事故起因過程

2010年6月2日8時18分，黃驊港配電所2#所用變在一聲沉悶的爆裂聲中損壞，經檢查發現，開關柜的柜門因氣浪沖擊導致變形扭曲，觀察窗玻璃破裂，C相繞組絕緣體嚴重破裂，高壓側兩相6.3 A高壓保險熔斷，低壓繞組經測量發現，繞組直流電阻由原來的12 mΩ變為6 mΩ，黑色膠質狀物體噴射至柜體的多個部位，空間彌漫著難聞的絕緣臭味。經分析，該起故障的原因是因為低壓引出線短路故障所致。

1.2.2 事故分析

發生故障的干式變壓器為2002年10月20日投入使用，運行環境與2008年損壞的變壓器運行在同一個電網當中，類似的還有3臺SG8-50/10型干式變壓器分別使用在其他配電所。設計安裝在10 kV高壓開關柜的最下層間隔內，處于密閉狀態，接線組別為 Dyn1，其主要功能是為配電所提供自用電，平時運行負荷很小，不足容量的10%，故障后內部有液體狀物體噴射在柜體周圍，保險兩相熔斷。圖1（均為2010年6月2日拍攝）是損壞的10 kV所用變側面圖，經分析認為造成故障的原因是變壓器的設計制造工藝不合理所致。

圖1 損壞的10 kV所用變側面圖

從圖1中燒毀的地方可以看到，內部繞組的顏色已由原來的黃褐色漆包線變成了鐵青色，說明在變壓器爆裂燒毀之前內部產生了高溫。其原因是內部發生了匝間短路，殼體的損壞是由于內部靠近繞組的部分熔化后體積變大而內部壓力超過外部構成容器壁的耐受能力所致。從工藝上看，該變壓器的制造工藝比較粗糙，低壓引出線纏繞的是普通的防水膠帶，而且間距很小，火線和零線幾乎密貼在一起，由于已經燒毀不能做十分深入的分析，但低壓繞組的直流電阻值變小，由原來的 12 mΩ變為6 mΩ，可以說明當時的變壓器低壓側存在短路現象，由于低壓側引出線絕緣不良造成短路，然后高壓繞組處于過負荷運行狀態，最終導致變壓器因過熱燒毀。另外，該變壓器高壓保險容量選擇不合適是事故范圍擴大的另一原因。設計采用6.3 A熔斷器作為保護，該變壓器的額定電流為2.88 A，作為短路保護和躲過送電時的勵磁涌流，6.3 A的選擇是沒有問題的，但出現過負荷時就起不到保護作用，這也就是造成高壓繞組損壞的第3個原因。

2 對策

2.1 增加必要的保護

干式變壓器以其獨特的結構和免維護運行特點受到了絕大多數人的歡迎，但是致命的缺陷就是過載能力較差，容量偏小，制造工藝復雜，絕緣材料膨脹系數較小，高寒地區不宜使用。干式變壓器一旦出現故障，故障線包只能報廢，絕緣材料不能重復利用，因此，干式變壓器必須在出現問題之前進行預防才能有效的防止事故的擴大。因干式變壓器損壞的真正原因多是絕緣損壞導致繞組燒毀，所有的變壓器損壞都與繞組溫度過高有關，即使是油浸式也是如此。如果能夠監視變壓器的負荷狀況，防止過負荷，并納入報警回路，發生故障的幾率則會大大下降。

2.2 加強溫度的實時監測并使用通風散熱裝置

干式變壓器的安全運行和使用壽命，很大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全可靠。繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導致變壓器不能正常工作的主要原因之一，因此對變壓器運行溫度的監測及其報警控制是十分重要的。容量較小的變壓器因其造價較低，可能會在這方面的投資較小，甚至不設溫度監測，這都給變壓器的安全運行構成威脅，貼示溫蠟片不失為一選擇，但是需要運行人員的精心觀察。因上述2臺變壓器的損壞都在繞組的中上部，許多廠家的溫度傳感器都裝在繞組的頂部，并不能準確反映變壓器的器身整體狀況，最好是利用紅外線測溫裝置進行報警，可以對變壓器的過熱點及時反應。這2臺燒毀的變壓器不屬于環境過熱，高壓室有制冷設備，當時的環境溫度也只有22 ℃，因此屬于變壓器內部故障，但是局部過熱是存在的。如果有溫度監測設備，能夠監測局部過熱，及時增加通風散熱，及時提醒運行人員發現故障的存在，故障或許可以避免。

2.3 建議加大繞組間絕緣間隙

干式變壓器在試驗中，主要是測試繞組的直流電阻、絕緣和工頻耐壓、局部放電等指標，現場做局部放電幾乎不具備條件，尤其是電氣化鐵路，干擾嚴重。工頻耐壓屬于破壞性試驗，一般運行中不建議對干式變壓器實施該項目，而絕緣電壓的試驗發現，即使變壓器燒毀了，在進行絕緣檢測時，仍然是完好的，不能準確反映繞組內部的絕緣狀況，因為一般都是在繞組對地和高低壓繞組之間做絕緣試驗，不能反映匝間的情況。局部放電是最好的檢測手段，直流電阻試驗因其試驗結果一旦出現異常，變壓器基本處于損壞的邊緣狀態，且一般的低壓繞組只有十幾個毫歐，高壓繞組對于50 kV·A的變壓器一般在40 Ω左右，即使有一匝的絕緣不良，也未必能準確的反應出來。所以建議生產廠家在繞制繞組時應該給繞組的匝間留有足夠的絕緣間隙，這樣雖然會使變壓器的體積有所增加，但是損壞的幾率可能為零。實際運行發現，體積較大的干式變壓器運行時間比體積較小的變壓器時間長，在朔黃鐵路肅寧分公司管內的19臺干式變壓器（分屬4個廠家）中，只有體積小的損壞，建議加大干式變壓器的幾何尺寸，這樣，不僅絕緣水平可以提高，而且散熱效果也會大大改善。

3 結束語

上述2起變壓器故障，1起為高壓繞組本身故障，另1起為低壓繞組引出線故障引起的高壓繞組損壞。尤其是第2起故障，變壓器本體的低壓側繞組引出線發生短路故障導致高壓繞組過載發熱而損壞，設備在運行中因其處于密閉的狹小的空間內導致熱量不易散發，加速了防水絕緣膠帶的老化龜裂最終導致短路。而設備在制造過程中過分考慮空間的適應性而忽略了其應有的絕緣幾何尺寸，最終導致變壓器的壽命縮短，在故障中被淘汰。在故障發生后，肅寧分公司將開關柜的觀察窗改為通風孔，變壓器在最熱時，60℃的試溫蠟片不再變色，鐵心溫度也在 70℃以下，同時對低壓引出線進行絕緣加固，截止目前，變壓器運行狀況良好。可見，干式變壓器安裝在散熱、通風良好，空間較大的間隔內是可以避免故障再次發生的。

另外，干式變壓器的故障由于沒有可重復性，所以，筆者的分析不一定正確，望同行批評指正。