500 kV變壓器鐵心硅鋼片上竄原因解析及處理

眭上春，吳 敏，王 俏，申 良，高 分，何忠華

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

2018年08月22日16：43，某抽水蓄能電站在月度定期工作中，發現該電站3號變壓器鐵心電流為12.97 A、夾件接地電流12.93 A（2018年7月13日進行月度定期工作中測的3號變壓器鐵心電流為5.1 mA，夾件接地電流 16.4 mA），超出《DL/T 596-2005電力設備預防性試驗規程》要求：運行中鐵心接地電流一般不大于0.1 A。2018年08月22日20：19，3號變壓器由“運行”轉“檢修”后，立即對3號變壓器的鐵心、夾件進行絕緣搖測，鐵心-夾件的絕緣值為0 MΩ、鐵心-地的絕緣值為4.33 GΩ、夾件-地的絕緣值5.09 GΩ。2018年08月22日23：58完成3號變壓器絕緣油取樣。

2018年08月22日23：58變壓器油色譜在線分析裝置對3號變壓器絕緣油進行取樣分析。色譜分析結果顯示氫氣為 218.3 μL/L、乙炔 1.6 μL/L、總烴含量 616 μL/L，均超出注意值（表 1），與 2018 年 6 月 20日數據相比CO、CO2無明顯變化，但烴類氣體變化較大。8月23日完成了3號變壓器油化驗，結果顯示總烴超標，乙炔有1.6 μL/L。與2018年6月20日數據相比CO、CO2含量也一致，烴類氣體變化同樣較大。經三比值法分析，判定故障放電類型為“0，2，2”（表2、表3），高溫過熱，能量較小，且與絕緣關系不大；結合試驗數據分析，初步判斷為鐵心與夾件導通，形成多點接地，局部過熱。建議先放油內檢，重點檢查鐵心尾級片、拉帶、上托梁、墊腳等，再進行下一步處理。

表1 變壓器、電抗器和套管油中溶解氣體含量的注意值

表2 編碼規則

1 變壓器故障檢查及原因解析

1.1 變壓器內檢過程

（1）變壓器內部檢查前的準備

表3 故障類型判斷方法

變壓器內部檢查前，衡陽特變電I公司編制了詳細的施工方案，組織三方對方案的可行性進行了評審。開工前對施工所需的環境、設備調用與停放位置、工器具準備、人員的培訓情況進行了分工與安排。為保證500 kV變壓器現場檢修質量，衡陽特變電I公司從其分公司調用了新濾油機、真空機組、干燥空氣發生器和60 t油罐緊急發往該電站，為變壓器內部檢查做好了充足的準備。

（2）變壓器抽油進箱檢查過程

8月28日對變壓器抽油進行內檢，由于變壓器內部空間狹小，檢查操作受限，只對可視部位進行檢查，未發現異常現象；后采用內窺鏡對器身縫隙、夾角及鐵心上鐵軛進行檢查。發現高壓側旁A芯柱間上鐵軛末級料、AB芯柱間上鐵軛末級料、BC芯柱間上鐵軛末級料，有3～5片硅鋼片發生不同程度的向上位移跑片現象（圖1、圖2）。

圖1 硅鋼片上移一

圖2 硅鋼片上移二

基于上述檢查情況，衡陽特變電工公司進行了認真分析，基本可以確定變壓器本次故障為鐵心多點接地造成，鐵心片局部與夾件上托梁導通，造成導通部位存在低能量放電，從而導致變壓器油中產生乙炔，變壓器應該沒有其他絕緣方面的問題。為徹底解決鐵心與夾件導通問題，經現場專業人員和資深專家研究分析，提出了對變壓器進行吊罩大修的建議。內檢完畢后，進行真空注油保存，防止絕緣受潮。并重新制定吊罩檢查處理方案。

1.2 變壓器吊罩檢查處理

9月7日，各項準備工作就緒，開始附件拆除、高壓出線裝置拆除、本體轉移運輸、箱沿切割等工作。9月12上午，環境溫度21℃，濕度50%，現場環境具備變壓器吊罩要求，12：00對變壓器進行了吊罩，現場吊罩見圖3，現場故障處理見圖4。

圖3 主變吊罩中

圖4 主變吊罩后進行檢查處理

吊罩后，發現變壓器硅鋼片末級最后一兩片有不同程度的上竄，凸出約10～20 mm不等，對上托梁逐個拆開檢查，發現上托梁與硅鋼片間有一處放電點，如圖5所示。

圖5 硅鋼片末級上竄及放電痕跡

1.3 故障原因分析

（1）變壓器鐵心硅鋼片上竄原因分析

由于硅鋼片末級片料向上位移導致鐵心與夾件上托梁相碰，鐵心和夾件的絕緣電阻為0。

因抽水蓄能變壓器的運行工況比較復雜，在長期負荷變化及轉換過程中，會產生暫態振動和電動力，因紙板與硅鋼不同材料間摩擦系數較少，容易滑動；負荷變化引起的溫度變化因膨脹系數不一致使鐵心夾緊力有短時減少，末級硅鋼片上容易產生相對運動，累積效應使得末級硅鋼片向上位移（圖6方框部分）。

圖6 變壓器鐵心硅鋼片示意圖

該抽水蓄能電站3號主變壓器故障是由于上軛最小級（2～3片硅鋼片）上竄，與夾件上梁加強筋接觸，導致鐵心與夾件上梁導通。引起上軛最小級（2～3片硅鋼片）上竄的可能原因有2個，①器身起吊；②硅鋼片自身的磁致伸縮作用。變壓器在投運前進行的現場試驗正常，證明當時上軛與夾件未發生導通情況，導通的情況是在運行多年后發生的，在此運行期間并未再次起吊器身，因此，能夠影響其狀態的只有交變磁場引起的硅鋼片自身磁致伸縮作用。

（2）變壓器起吊過程硅鋼片受力分析

變壓器在靜放時，如圖7所示，未被楔形墊塊抵擋部分的硅鋼片（下面簡稱“竄片硅鋼片”）在自身重力的作用下趨于發生相對運動，但是需要克服靜摩擦的作用，未被抵擋部分的硅鋼片自重相對靜摩擦力（F1+F2）較小，因此“竄片硅鋼片”不會發生運動。

圖7 變壓器在靜放時竄片硅鋼片受力情況

起吊時，如圖8所示，在起吊作用力的作用下，夾件及夾件絕緣相對硅鋼片趨于發生相對運動，受到楔形墊塊抵擋作用的硅鋼片不會發生運動，而“竄片硅鋼片”受到夾件絕緣的摩擦力（F1=μ1N），同時受到其他硅鋼片對他的摩擦力（F2=μ2N），以及自重作用。由于F1-F2-mg＞0，因此，“竄片硅鋼片”將會隨著夾件及夾件絕緣發生向上位移，相對被抵擋部分的硅鋼片發生竄動。

圖8 變壓器在起吊時竄片硅鋼片受力情況

起吊結束時，如圖9所示，由于“竄片硅鋼片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且會發生不同程度的形變，這種形變會導致這部分硅鋼片無法隨著夾件及夾件絕緣回復到原來的位置，最終形成竄片現象。

圖9 變壓器起吊后竄片硅鋼片竄出情況

（3）硅鋼片磁致伸縮分析

雖然磁致伸縮是鐵磁材料的一項固有屬性，但人們更習慣于把磁致伸縮看成是在某種外力作用下發生的變形，這種外力其實是一種等效力，被稱為磁致伸縮力Fms。也就是說，在磁致伸縮力Fms的作用下，鐵磁材料的變形與其磁致伸縮產生的變形相同。

1）磁致伸縮力分析

在變壓器運行時，變壓器鐵心在磁場交變作用下引起硅鋼片的力學變形和運動，其中硅鋼片在磁場中發生的磁致伸縮效應尤為突出，為了表征處于這種復雜交變磁場中磁性材料所受到的電磁力作用，引入磁場力體積密度的概念，其表達式為：其中，■→為體積力密度矢量；為磁感應強度矢量為電流密度矢量；H為磁場強度；τ為介質的體積密度；μ為介質的磁導率。

取x方向為磁場方向，y為垂直于磁場方向，z為鐵心硅鋼片厚度方向，則磁場力體積密度沿著3個方向分量的表達形式為：

磁場力F的表達式為：

從彈性力學中的應變能體積密度概念考慮得到磁致伸縮力，而通過應變能來表征硅鋼片磁致伸縮現象的前提是需要忽略剪切應變。磁致伸縮現象具有周期性，因此磁致伸縮力的變化規律同樣具有周期性，如下式所示：

鐵磁材料的磁致伸縮率實際上可以等效為硅鋼片的最大應變，物體單位體積的應變能可表示為：

其中：

其中：E為硅鋼片的彈性模量；v為泊松比

將硅鋼片的磁致伸縮效應等效為儲存在鐵磁質中的應變能，由功能轉化關系可得到：

其中，dlx=εdx，dly=εdy，dlz=εdz，將右邊任一項進行積分后，可以得到任一方向的磁致伸縮力表達式：

應用上述推導公式即可求出變壓器鐵心沿著硅鋼片軋制方向的磁致伸縮力大小。本次分析的為Fcy對最小極自身的作用，其大小與y方向上的磁致伸縮率相關，而磁致伸縮率又和鐵心磁通密度密切相關，因此磁致伸縮力會隨著鐵心磁密的變化而變化。

2）磁致伸縮力與磁場方向及軋制方向的關系

考慮硅鋼片軋制方向與磁化方向對材料磁致伸縮的影響，如圖10所示，忽略硅鋼片表面涂層和表面應力等的作用影響。

圖10 電力變壓器鐵心硅鋼片試樣圖

圖10（a）：試樣的勵磁方向平行于軋制方向，其磁致伸縮沿磁場方向測量

圖10（b）：勵磁方向垂直于軋制方向，其磁致伸縮同樣沿磁場方向測量

將試樣裝入磁致伸縮測量儀的測試盒，沿長度方向，固定試樣的一端，將另一端與激光位移計相連。試樣被勵磁電流磁化后，將沿長度方向（勵磁方向）變形，產生磁致伸縮現象。試樣的磁致伸縮變形量被激光位移計記錄下來，變形量與試樣長度的比值即為磁致伸縮率。改變通過試樣的磁通密度，即可獲得試樣的磁致伸縮特性曲線。對某牌號的硅鋼片通過試驗測量分別獲得了勵磁磁場平行和垂直于硅鋼片軋制方向時的磁致伸縮特性曲線如圖11所示。

圖11 磁致伸縮單值特性曲線圖

圖11中縱坐標表示的是磁致伸縮率，磁致伸縮率無量綱且其數量級很小，僅在微米級，即10-6級。對于試樣取向硅鋼片而言，垂直軋制方向的磁致伸縮率明顯大于平行于軋制方向的磁致伸縮率，并且在0.0～1.2 T左右的磁密范圍內磁致伸縮率變化不大，超過1.2 T后，硅鋼片的磁導率進入飽和區，其磁致伸縮率也不斷增高。為計算電力變壓器鐵心硅鋼片的磁致伸縮力，基于最小二乘法的原理對測量的磁致伸縮率單值特性曲線進行函數擬合：

磁化方向平行于軋制方向：

磁化方向垂直于軋制方向：

式中，λ∥為磁化方向平行于軋制方向的磁致伸縮率，單位1×10-6；λ⊥為磁化方向垂直于軋制方向的磁致伸縮率，單位1×10-6；B為通過硅鋼片的磁通密度，單位T。某牌號硅鋼片的磁致伸縮特性曲線如圖12所示。

2 變壓器鐵心硅鋼片上竄原因總結及處理

2.1 硅鋼片上竄原因總結

圖12 垂直軋制方向磁致伸縮特性

（1）制作的階梯墊塊槽口尺寸制造偏差未能限位尾級硅鋼片，器身起吊時夾件絕緣對“竄片硅鋼片”的摩擦力大于硅鋼片之間的摩擦力，導致“竄片硅鋼片”被夾件絕緣帶動發生竄動，而在起吊完畢后，“竄片硅鋼片”伸出部分不再受到摩擦力作用，而且會發生不同程度的形變，這種形變會導致這部分硅鋼片無法隨著夾件及夾件絕緣回到原來的位置，最終形成竄片現象。

（2）夾緊力的大小也會影響“竄片硅鋼片”發生竄動的大小，夾緊力大竄動小。

（3）由于“竄片硅鋼片”的磁場分布都比較復雜，磁通走向不一定沿著主磁通方向，可能偏離軋制方向，甚至可能垂直軋制方向，因此，“竄片硅鋼片”在此磁通下會繼續發生竄動。

（4）當“竄片硅鋼片”竄動到與夾件上梁加強筋接觸時，導致鐵心與夾件上梁導通。

2.2 故障處理及預防措施

（1）故障處理及預防措施

1）逐個對上托梁處末級向上位移的硅鋼片采取折彎卷邊處理，在折彎的硅鋼片處用0.5 mm紙板增加紙槽絕緣與固定，防止碰觸相鄰級的硅鋼片。

2）用插刀將0.5 mm的紙板塞入夾件絕緣與鐵心末級硅鋼片縫隙中，塞滿縫隙，并將紙板伸出一部分，對伸出部分折彎后包覆鐵心末級，加強絕緣。緊固上夾件、托梁、側梁及鋼拉帶等所有螺栓緊固部分。

3）對處理過的局部硅鋼片按照工藝要求進行刷清漆處理。

4）緊固所有上梁緊固件及鋼拉帶緊固螺母。5）更換變壓器箱沿橡膠。

6）更換鐵心接地套管及夾件接地套管。

（2）處理后絕緣測量情況

經處理后測量絕緣情況如下：

鐵心對夾件及地9.31 GΩ；夾件對鐵心及地7.63 GΩ；鐵心對夾件8.57 GΩ。

在吊罩過程中，處理完故障缺陷后，又對器身和油箱進行了全面檢查，檢查了磁屏蔽及接地情況，對局部引線絕緣進行了包扎，清理箱沿臟物，清理箱底余油等；確認變壓器器身無問題后，清點工具，然后進行變壓器扣罩，抽真空，結束變壓器吊罩檢查處理工作。

3 總結

通過對500 kV變壓器鐵心硅鋼片上竄原因的解析，為變壓器的安全生產提供了有力的依據，為生產更安全穩定的產品提供了實際案例；現場缺陷的處理過程，為電力系統變壓器的檢修和日常運維工作提供了寶貴的實踐經驗。