淺談導線絕緣厚度對雷電沖擊試驗異常影響

龔曉明，林先永

（廣州西門子變壓器有限公司，廣東 廣州 510530）

0 引言

電力變壓器在出廠前需要做雷電沖擊的型式試驗。雷電沖擊試驗直接考驗變壓器的絕緣強度，其理論性很強，相關研究也取得了豐碩成果，但實物試驗研究勝少，且缺陷故障判斷與處理又具有很強的經驗積累，故依然是業內研究的重點。雷電沖擊一旦出現異常，幾乎非返工不可，不但造成很多返工材料與工時的浪費，還占用大量生產場地和設備，既影響質量又影響產出還影響后續的訂單情況。因此著重收集了實物試驗數據，分析了絕緣厚度影響沖擊的關聯情況，制定與落實相關措施，并進行驗證，為提高沖擊試驗的通過率奠定堅實基礎[1-2]。

1 絕緣強度與雷電沖擊試驗狀況

用產品的相關技術參數，在現有的工裝設備和操作指引，隨機安排操作人員進行生產制作，并進行雷電沖擊試驗。

1.1 絕緣設計強度與裕度

選取引線出頭位置的相關參數，其計算電場強度為50.8kV/mm、設計絕緣厚度為2.5mm，紙包銅線所處位置承受電壓為127kV，絕緣耐受電場強度為65kV/mm，絕緣設計裕度：65/50.8=1.279。

1.2 絕緣包扎情況

在現有的工裝設備、操作指引，隨機安排操作人員對出頭位置的導線進行絕緣包扎，用丹尼松微皺紙+皺紋紙的的方式，采用手工半疊繞包方法，其結果見表1。

表1 出頭位置的導線包扎結果

1.3 雷電沖擊試驗與結果

試驗時分別用最高電壓105kV試驗A組的絕緣、127kV試驗B組的絕緣、132kV試驗C組的絕緣。其中B組的絕緣在沖擊放電過程中，試驗人員聽到異常聲音。從圖1中可以看出，試驗結果顯示出現異常，在18us左右，100%電壓波形出現跌落，同時電流波形對應時刻出現大的振蕩，之后電壓波尾變短，電流幅值變大。拆卸相應的零部件件后，檢查故障點包絕緣情況，發現第四根導線故障點是在機包絕緣和手包絕緣過渡區域（手包絕緣和機包絕緣方向不同），第三根導線故障點都為手包絕緣（如圖2）。

圖1 B組雷電沖擊異常波形圖

圖2 故障現象

2 雷電沖擊與絕緣強度相關數據分析

針對絕緣包扎與雷電沖擊試驗現狀，組織設計、工藝、品質、生產等相關人員共同分析與探討各類數據，提煉影響因素及其關聯情況。設計裕度分析、檢查工藝文件，制定了相關檢查表格與檢查機制、對相關人員現場再培訓等措施[3]。

2.1 設計裕度分析

從設計圖上可以看出第2根和第3根之間為線間絕緣，電壓差較小，第1根和第2根、第3根和第4根之間為線圈頭尾匝電勢，電壓差較大。故障正常情況會發生在壓差大、絕緣薄弱的環節。對出線第三與第四根導線發生擊穿處的絕緣繞包的核查情況，第三和第四根導線每邊為2層丹尼松微皺紙+8層皺紋紙的手工繞包。這些紙作繞包時拉伸后的厚度分別為0.075mm和0.1mm。按此計算繞包后的絕緣厚度為2*（2*0.075+8*0.1）=1.90mm。

此處繞包的按計算場強為50.8kV/mm、設計絕緣厚度為2.5mm，繞包承受電壓為127kV，絕緣許用場強65kV/mm，絕緣設計裕度=65/50.8=1.279。如果絕緣厚度只有1.90mm時，絕緣中場強為=127/1.90=66.8（kV/mm），絕緣裕度為65/66.8=0.973，可見此處的手工繞包厚度并沒有滿足絕緣要求。

另外A組的絕緣包繞層數最少，與設計偏差最大，試驗未出現異常。是因為通過計算其場強為65.6（kV/mm），裕度為0.991，絕緣裕度處于臨界狀態，同時由于絕緣擊穿概率和每次沖擊試驗并不可能100%完全相同(施加峰值電壓和波形)，因此重復試驗中有可能出現不同絕緣狀態。從另外一個角度來看，裕度在臨界點0.991時是可以滿足試驗強度，故設計1.279的裕度是非常充足的[4]。

2.2 工藝要求與制作流程分析

檢查工藝文件手工包扎絕緣的相關描述，手工包扎絕緣時，用單張絕緣紙采用1/2搭接包扎，絕緣層與層之間錯開1/4的方式進行，用手緊密、均勻、平整的將紙帶繞包在導線上，紙帶可來回折返包扎，直至規定厚度。最后一層紙帶的繞包方向與原有的紙帶方向應一致。描述了繞包層數與絕緣厚度計算依據。

但絕緣繞包操作人員在手工包扎過程中，憑經驗或相當然地操作，沒有認真落實工藝要求進行包扎，絕緣紙搭接的尺寸控制不均勻，絕緣厚度大部分地方小于設計的2.5mm要求（折算繞包絕緣層數為15層），詳見上表1。最后一層紙帶的繞包方向與原有的紙帶方向有一致的現象。綜合以上調查及驗證情況分析，關鍵在于手包絕緣厚度達不到設計要求，為本次雷電沖擊試驗導致第3根和第4根匝間絕緣擊穿的根本原因[5-7]。

2.3 相關檢查表格與檢查機制

調查分析發現在相關的文件中有規定絕緣厚度與公差要求，但沒有相應的表格進行記錄。在絕緣包扎完畢后抽檢頻率少，未抽檢到絕緣厚度偏少的位置可能性就大，特別是內側、有遮擋的地方難以檢查，且沒有質量檢查記錄[8]。

3 制定了與制定相關措施落實影響絕緣強度的相關措施與驗證

通過重審設計原則和工藝流程、分析絕緣制作與檢查情況，進一步細化工藝文件，制定相關檢查表格與檢查機制，落實對生產人員現場再培訓措施[9]。

3.1 細化工藝文件

為了一線操作人員通俗易懂的理解與掌握相關操作指引，進一步細化了手工包扎絕緣的方法，增加繞包示意圖，明確了測量工具；同時增加了不同絕緣紙拉伸后的絕緣厚度，及對應的半疊包扎絕緣厚度與層數的關系表格；明確在外層顯著位置標注繞包層數與操作者工號標識等等[11]。

3.2 制定相關檢查表格與檢查機制

由設計、工藝、生產、品質人員進一步分析圖紙與工藝文件的相關要求，查閱現有的故障案例，對高電場高電壓區、重點位置（例如出線頭位置，圖3：出頭位置改進前檢查表，圖4：出頭位置改進后檢查表）、難以復查等等地方更改或增加相應的檢查點，在制作、檢查時及時準確記錄，對相關內容簽名確認，最后掃描存檔以便追溯[12]。

圖3 出頭位置改進檢查表

圖4 出頭位置改進檢查表

3.3 人員培訓

為了確保產品上百分百滿足設計的絕緣厚度，對相關人員進行培訓。通過從解讀設計圖紙，現行實物制作與試驗現象，試驗結果與故障分享；到要求掌握細化后的工藝文件及相關檢查表格與檢查機制；再到現場實物展示，以及操作人員對繞包絕緣進行操作和相關表格的填寫；到最后強調按圖紙、工藝等文件進行操作，如憑經驗、想當然等現象將采取扣分、通報處理。對簽名后的培訓記錄進行存檔，并定期在班組會議上進行培訓[13-14]。

4 相關措施的落實與驗證

通過實物試驗失敗的分析原因，制定與落實相關措施，再次制作實物進行試驗，再次以50%全波與100%全波雷電沖擊試驗，比較示傷電流與電壓波形均無異常。再次證明現行的設計裕度足夠的，并將細化后的文件和修改后的檢查表等相關措施固化成正式文件，并落實到后續的生產制作中，有效確保產品雷電沖擊試驗一次性合格[15]。

5 結論

通過使用產品的設計參數，利用現行工裝設備和操作指引，隨機安排操作人員進行生產制作，并進行雷電沖擊實物試驗。進一步掌握絕緣厚度與雷電之間的密切關系，發現工藝文件不夠細化，操作人員未按相關指引與圖紙、憑經驗、想當然的操作，還有檢查表格不夠完善等不足之處。針對不足之處制定與落實實施了工藝文件細化、完善檢查表、對相關人員進行培訓等等相關措施，最后通過50%與100%的全波雷電沖擊試驗。在這過程中完善與總結，積累缺陷故障判斷經驗，為產品的一次試驗通過奠定堅實基礎。更是為減少了不必要返工材料與工時的浪費，節約了不必要的生產場地和設備占用，傳承了西門子高質量、穩定耐用理念，為后續的訂單鋪設好道路。