25 MVA 中頻爐整流變壓器故障分析與修復

潘雪青，喻建樑，毛海東

（寶武特種冶金有限公司電爐廠，上海 200940）

0 引言

寶武特種冶金有限公司電爐廠的大功率24 脈波中頻爐專用整流變壓器，具有過載能力強，諧波電流少，冷卻效果好等特點。在整流變壓器運行期間，可利用變壓器配套的各種檢測手段及其他檢測方法獲得變壓器的運行數據，從而掌握其運行狀態，發現其劣化趨勢和故障隱患，并采取必要的維護、改進措施，以確保其安全、穩定運行，并延長其生命周期。然而，由于變壓器本身是一個密閉容器，其運行狀態一般采用間接檢測方式，又由于其本身的復雜性和某些故障的突發性，有些隱患和劣化狀態在常規檢查、檢測過程中很難被及時發現，難免會發生意外故障。為了在最大程度上及時發現故障隱患，防止故障發生和擴大，在平時的工作中須按標準認真完成各項檢查、檢測、分析、維護工作。

1 變壓器簡介

該整流變壓器（型號：ZSSP-25000/35）用于向40 t 中頻爐晶閘管變頻裝置供電，額定容量25 MVA，額定電壓35/1.2 kV，低壓側設計4 組三相繞組，按上下結構排列，連接組別：D/yn11/d0/d+15o/d-15o，上部為第一組繞組，接線方式見圖1。變壓器總重37.17 t，箱體結構為箱蓋式全密封焊接和箱沿螺栓雙重連接，冷卻方式為OFWF（強油水冷），冷卻器功率250 kW。主要技術參數見表1。

表1 變壓器主要技術參數

圖1 變壓器繞組接線示意

2 故障描述及處理

2.1 故障發生初期的狀態及處理

2021 年7 月5 日，在40 t 中頻爐正常冶煉過程中，系統監控畫面突然顯示整流變壓器重瓦斯報警、二次側過電流報警、變壓器釋壓閥動作報警，同時，該整流變壓器高壓負荷開關自動分斷。隨后，技術人員立即進行了初步檢查，發現如下故障現象：①變壓器釋壓繼電器放油口及變壓器上蓋板密封處有噴油現象；②變壓器2 號低壓繞組對應的整流橋的兩個KP型晶閘管短路燒毀（圖2）；③瓦斯繼電器曾觸發過重瓦斯信號。

圖2 KP型晶閘管短路燒毀

根據故障現象判斷變壓器內部存在嚴重故障，因此立即對變壓器油進行色譜分析，分析結果：水分含量正常；H2為201.68 μL/L，CH4為67.37 μL/L，C2H6為11.71 μL/L，C2H4為167.5μL/L，C2H2為299.97 μL/L（正常值<5 μL/L），總烴為546.55 μL/L（正常值<150 μL/L），CO 為255.47 μL/L，CO2為1130.15 μL/L。根據三比值法得出初步結論：變壓器內部發生過低能量放電。隨后對變壓器繞組進行直流電阻測量，結果為：高壓繞組正常，低壓繞組2 號和4 號繞組的ab 與bc、ca 相偏差較大，分別為7.2%和7.02%。

綜上所述，初步判斷變壓器二次側繞組存在嚴重故障，于是立即組織變壓器出廠吊芯維修。

2.2 吊芯解體檢查

經原生產廠家吊芯并局部解體檢查后發現故障及異常現象如下：

（1）二次側2#繞組a 相和b 相附近的引出銅排有明顯拉弧點（圖3），繞組排列及拉弧放電點位置見圖4。

圖3 二次側繞組引出銅排拉弧點

圖4 繞組排列及拉弧放電點位置

（2）發現2#繞組磁軛絕緣壓板松動，油箱底部有一掉落的磁軛絕緣壓板及其固定用的絕緣螺栓（圖5）。

圖5 掉落的絕緣壓板及其固定用的絕緣螺栓

（3）當晚拆除變壓器高、低壓側銅排后，對高、低壓側繞組進行一系列測試，耐壓及直流電阻值均合格，確認繞組本身及其絕緣未損壞。

根據檢測結果，決定僅對低壓側出線銅排進行處理：加裝固定絕緣板、絕緣紙，以增強其絕緣性能和抗電磁力的機械強度（圖6）。

圖6 低壓側繞組出線銅排絕緣處理

對線圈磁軛壓板進行緊固，更換已斷裂的夾件緊固螺栓，變壓器芯回裝充油并進行濾油（濾除故障油中溶解的氣體成分）及24 h 靜放處理（消除充油時的氣泡，為后續出廠試驗做準備），并進行油樣色譜測試，結果合格后回廠安裝。

第二，在制定會計準則時，考慮不到不同利益集團的需要，注重基本原則的指導，同時要相應增加實施的細則，不能只依靠會計人員的經驗。

3 故障之前的變壓器狀態管理

3.1 變壓器的日常維護

該變壓器于2018 年投入運行，主要的日常維護、檢測工作見表2，在此次突發故障前，表2 所涉及的各項維護工作都正常進行，各項狀態、數據始終處于正常范圍，未發生過任何瓦斯、高溫等報警。

表2 日常維護、檢查工作內容

3.2 變壓器周期性測試

變壓器周期性測試按相關標準執行，主要工作見表3。

表3 變壓器周期性測試

從該變壓器投用的2018—2021 年，表3 中所涉及的測試數據都符合標準，特別是在故障發生前1 個月剛做的油色譜和油簡化試驗都正常（圖7）。因此判斷此次變壓器內部銅牌拉弧應該是外部原因引起，變壓器內部不存在絕緣老化現象。

圖7 油液試驗結果

4 故障原因分析

從深度解體觀察到的故障現象及檢測數據中可以判斷出故障過程為：

（1）變壓器低壓側2#繞組ab 相KP型晶閘管損壞短路（損壞原因可能為老化引起），造成晶閘管變頻裝置進線側低壓真空斷路器動作，但低壓真空斷路器保護時間不夠快速，造成變壓器內部銅牌拉弧放電。

（2）KP 管瞬間損壞短路，引起電流變化率（di/dt）過大，在2#繞組a、b 相間產生極高的過電壓。

（3）短路電流產生的電磁力引起低壓側2#繞組a、b 相銅排機械變形，銅排間隙變小，并在間隙最小位置放電拉弧。

（4）低壓排短路放電產生氣體引起重瓦斯繼電器動作、釋壓繼電器動作，并引起少量噴油。

（5）二次側過電流、重瓦斯動作、釋壓動作造成高壓短路器跳閘及報警。

（6）變壓器內部放電故障后，引起變壓器油氣體成分發生相應變化，色譜測試值異常。

5 修復及改進措施

根據異常狀況和查明的故障原因，經技術論證，實施如下改進措施：

（1）對低壓側銅排加裝固定絕緣板并用絕緣紙包扎，以增強其絕緣性能和抗電磁力的機械強度。

（2）在變壓器低壓側安裝四組快速過電壓、過電流保護器，保護動作時間為0.2 s。

（3）在磁軛壓板支撐壓圈下增加若干填充撐條，可有效減少在頻繁激磁涌流沖擊下的線圈振動。

（4）制定晶閘管變頻電源系統維修技術標準，每半年對KP、KK 晶閘管的RC 阻容吸收保護裝置進行離線檢測，特別是電容量數值不符合標準的及時更換。

6 設備投用

該整流變壓器整體修復工作正式結束并被安裝就位。經全面檢查和測試，確認各項狀態數據合格后，將變壓器投入生產運行，在隨后1 個月的連續運行過程中，各項狀態數據正常、穩定。

7 經驗與教訓

（1）變壓器的故障，首先可以通過設備監控畫面的報警提示，變壓器配套的瓦斯繼電器、釋壓閥、油溫、油位等進行判斷，接著可采用油樣色譜檢驗、電氣測試進一步判斷故障原因。

（2）如果出現變壓器內部嚴重事故，必須吊芯檢修處理，絕不能嘗試第二次通電。

（3）原因未分析清楚，不能輕易回裝，防止再次故障而造成嚴重后果。

（4）當變壓器在檢測、分析過程中出現矛盾或無法解釋的數據時，應委托專業檢測單位作進一步檢測、分析，直至全部明確。

（5）變壓器內部出現放電故障后，不能僅處理故障點，應根據故障原因，對整個變壓器內部可能出現類似故障的部位進行相應的改進處理，盡力杜絕今后出現類似故障。

（6）變壓器低壓側出現放電故障，須同時考慮外部負載本身故障造成過電壓、過電流的可能性，并對其作詳細的檢查。