干式變壓器老化與故障分析研究

祝亞玲，陳 慧，陳 華

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

通常情況下，大型的干式變壓器在長時間投入運行以后，變壓器內部繞組的絕緣特性在電、水、酸等各種綜合條件的持續作用下會逐步降低，導致的直接后果就是其電氣性能明顯下降，各種實用電氣指標也會受到影響。由于干式變壓器的結構及其絕緣結構相對復雜，所以需要結合其實際使用環境，根據目前生產中常見的干式變壓器的故障及老化現象，從而能夠分析對干式變壓器絕緣老化相關機理其決定性因素的因子，為大型干式變壓器絕緣加速老化試驗奠定理論基礎。

1 相關研究

干式變壓器作為電力消費終端通風、綜采、照明等設備的核心系統，其性能和狀態與電力大用戶（鋼鐵、煤礦等產業）的安全生產直接相關[1-3]。然而，由于所處環境的不同以及工作環境的不斷變化，干式變壓器的工作現場存在諸多復雜和不確定的因素，這些因素加速了干式變壓器內部絕緣材料的老化，從而大大增多了可能出現的故障隱患[4]。已有的眾多研究結果表明，引發干式變壓器出現故障的重要原因之一便是絕緣材料因變壓器長時間處于高負荷狀態。一般的，可以認為干式變壓器內部的絕緣部分主要由聚酰亞胺薄膜、酰間苯二胺（Nomex）等構成。而體現匝間絕緣特性的聚間苯二甲酰間苯二胺則屬于干式變壓器最為重要的一部分，如果該材料在變壓器持續運行后無法保障足夠的絕緣性，則會產生裂化乃至絕緣失效的后果，直接導致干式變壓器出現較大的故障，甚至威脅人身安全。

從21 世紀初至今，一方面國家電網作為生產性單位不斷收集相關生產信息；另一方面，依托旗下的電力設備生產企業（平高電氣及許繼電氣），不斷對已有的變壓器故障診斷策略進行消化、吸收、升級等。在這個階段，中國的變壓器診斷技術已經逐步達到了世界頂尖水平，從電力公司用變壓器的故障診斷到大工業用戶的干式變壓器故障診斷，中國的電力設備廠商已經具備了與ABB、西門子等優秀的國外廠商同臺競技的能力。

2 干式變壓器結構及絕緣分析

本文以采用H 級絕緣的干式變壓器為例，該種變壓器的低壓側電壓通常為400 V、1 200 V、3 450 V 等，而高壓側電壓一般分為2 種，即6 kV、10 kV。額定容量范圍一般為45～35 000 kVA。繞組冷卻方式為空氣自然冷卻，采用輻射式散熱。變壓器主要由本體、低壓保護箱、負荷、開關箱、電纜連接裝置等構成。變壓器的本結構為柱形，具有較大的散熱面積，最大程度地保證了散熱效果。其中，變壓器的本體內部主要由三相的低壓與高壓繞組以及鐵芯組成。

目前，電力系統大用戶用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結構，相較于常見的配網變壓器，最大區別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結構、電磁結構和結構緊固件的壽命。能夠對干式變壓器使用年限起到決定性作用的是其基本絕緣結構，而因變壓器內部絕緣問題導致的事故大約占全部事故的90%，常見的干式變壓器主要分為兩種絕緣手段：樹脂澆注型絕緣與浸漬式非包封絕緣。

目前，國內外的干式變壓器使用率最高的是杜邦公司于20 世紀所開發的Nomex 絕緣材料作為匝間絕緣設備的干式變壓器。其中導體間的絕緣采用的是Nomex T400 型的H 級，其能夠承受的最大溫度為250 ℃，利用Nomex 材料作為絕緣材料的浸漬式非包封型干式變壓器是目前大型工業用戶所使用較為廣泛的變壓器，電力系統大用戶用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結構，相較于常見的配網變壓器，最大區別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結構、電磁結構和結構緊固件的壽命。而研究這種變壓器的使用年限則主要從其模擬特性進行研究，本文對干式變壓器絕緣材料進行分析。顯然，不同電壓等級的干式變壓器對應著不同的匝間絕緣厚度，不同電壓等級的匝間絕緣厚度如表1 所示。

由于干式變壓器低壓繞組間存在支撐用撐條，因此，干式變壓器能夠具備較好的散熱性，但是，與此同時也帶來了易受潮的缺陷。由于高壓繞組匝間不存在聯通氣道，處于密閉狀態，因此系統內熱量只能以逐層散熱的方式利用空氣散熱。而這種散熱方式如果遇到特殊環境，例如，干式變壓器位于礦井內或其他外界條件較為惡劣的環境，由于整個變壓器所處較為潮濕環境，這種散熱與水分的共同作用下，會進一步加大干式變壓器的絕緣老化過程。在正常運行過程中除銅耗、鐵耗產熱之外，繞組中的絕緣劣化導致電場分布不均，進而引發局部放電等問題。

表1 干式變壓器不同電壓絕緣厚度

3 干式變壓器老化分析

干式變壓器長期在電、熱、機械力和環境因素等多因子作用下運行，各類內、外部因素導致了其基本的絕緣材料的組成和結構被破壞。而通常干式變壓器遭受過電壓的影響，繞組周圍的熱源使絕緣材料長期處于高溫下，而潮濕的環境等一系列外界因素往往則是引發變壓器絕緣出現過早老化的主要原因。

干式變壓器的固體絕緣屬于高分子有機絕緣材料，以Nomex 為代表的干式變壓器絕緣材料為例，Nomex 材料在老化時，絕緣表觀上會出現較為明顯的變色、粉化、起泡；微觀上出現脆化、變形、裂縫或裂紋等缺陷。

電力系統大用戶用干式變壓器的鐵芯和繞組均為外露式結構，相較于常見的配網變壓器，最大區別在于絕緣方式（不采用液體絕緣）。干式變壓器使用壽命所受到的影響因子主要包含絕緣結構、電磁結構和結構緊固件的壽命。因此，首先可以對變壓器繞組的電氣絕緣耐熱性進行分析。干式變壓器絕緣耐熱程度統計如表2 所示。

表2 干式變壓器匝間絕緣的耐熱性程度統計表

干式變壓器匝間絕緣性能關系到其整體壽命，然而長時間在現場運行的干式變壓器，受各種因素的影響，絕緣系統可能經歷了相當程度的老化，能夠影響干式變壓器Nomex絕緣材料老化的因素眾多，其老化的機理異常復雜，研究證明最重要的就是熱老化。國際電工協會經過研究得出，對于絕大多數的干式變壓器來說，如果其長時間工作在160 ℃以上，必然會縮短整個干式變壓器絕緣材料的壽命，而在160 ℃基礎上，如果每升高12 ℃，那么絕緣材料的壽命將會縮短0.5 倍，即12 ℃法則。

4 干式變壓器故障分析

在實際生產當中，最為常見的變壓器故障為繞組故障與鐵芯故障，根據數據統計顯示，故障出現概率約在95%以上。

繞組故障是由于繞組浸漆不充分，導致繞組匝間絕緣層產生氣隙，如果干式變壓器長期處于高負荷運行狀態，匝間電壓升高擊穿空氣，最終出現匝間短路。與此同時，因為在震動的情況下，繞組間不產生相對運動，絕緣表面不斷摩擦，直接導致絕緣性能降低，容易誘發匝間短路現象的出現。

鐵芯故障產生原因與干式變壓器的三相疊狀結構有著直接的關系。由于制作工藝原因，變壓器內部鐵芯存在毛刺，導致部分絕緣漆無法完全覆蓋，隨著時間推移絕緣漆會因毛刺失效，導致變壓器片間短路，而干式變壓器如果所處環境較為潮濕，硅鋼片剪口處斷面受潮后會導致鐵芯持續發熱，由于鐵芯有多個接電點，進一步引發鐵芯發熱并發出噪聲。長時間運行后，使得匝間絕緣出現劣化，絕緣處進一步碳化，出現局部發電現象，最終擴大變壓器故障。

工程現場常見的四種最嚴重的干式變壓器故障與干式變壓器正常運行共同構成樣本分類：干式變壓器正常工作、干式變壓器內部斷線、變干式壓器內部線圈短路、干式變壓器接地短路。電壓與電流共同進行的信號收集判斷效果要遠遠優于單純使用一種信號作為判斷依據，兩種信號融合診斷有助于實現對故障的合理判斷，從而實現對監測目標變壓器的合理診斷。

5 結論

本文對大型干式變壓器基本結構與絕緣特性進行分析，根據基本特性對其進行老化分析及常見故障分析，從而為變壓器故障判定提供合理的依據。