風電場箱式變壓器故障分析及防范措施

孫 彬

（中國大唐集團科學技術研究總院有限公司中南電力試驗研究院，河南鄭州 450000）

0 引言

2022 年3 月，某風電場2 臺箱式變壓器先后發生故障，變壓器室有黑煙冒出，進一步排查發現變壓器高壓線圈存在明顯故障點，故障點分別在高壓A 相和高壓C 相線圈（圖1）。

圖1 箱變高壓線圈故障

1 故障分析

1.1 變壓器電壓比及直流電阻測試

故障發生后，風電場技術人員立即對2 臺故障箱變進行了試驗分析與解體檢查，測試變壓器電壓比及直流電阻（表1、表2）。

表1 箱變1 測試值

表2 箱變2 測試值

由箱變1 試驗結果可知，箱變高壓側A 相對中性點AO 無直流電阻值，箱變低壓側a 相對中性點aO 直流電阻值與其他兩相一致，箱變高壓側A 相對低壓側a 相電壓比-91.5%，電壓比已接近100%，與其他兩相偏差較大，說明箱變1 高壓側A 相線圈內部電磁線已熔斷，線圈開路。

由箱變2 試驗結果可知，箱變高壓側C 相對中性點CO 無直流電阻值，箱變低壓側c 相對中性點cO 直流電阻值與其他兩相一致，箱變高壓側C 相對低壓側a 相電壓比已無法測試，說明箱變2 高壓側C 相線圈內部電磁線已熔斷，線圈開路。

1.2 故障變壓器解體檢查

基于箱變測試結果及初步分析，對2 臺故障箱變進行解體檢查。揭蓋后發現2 臺故障燒毀的變壓器線圈表面有嚴重熏黑，A 相、C 相燒損嚴重（圖2）。

圖2 揭蓋情況檢查

對2 臺變壓器線圈進行解剖，發現故障點均在B6 段圓周區域（距端子分接右側90°位置）內層表面已嚴重燒毀（圖3）。

圖3 現場解剖情況

故障變壓器1 解體后發現故障點在A 相高壓側（圖4），具體解體檢查情況如下：①對線圈進行層間解剖，發現B6 段故障點第2 層電磁線已嚴重燒毀，電磁線都已斷開；②對線圈進行層間解剖，發現B6 段故障點第3 層電磁線已嚴重燒毀，電磁線都已斷開；③對線圈進行層間解剖，發現B6 段故障點最外層（第13 層）電磁線也已嚴重燒毀，電磁線都已斷開；④對線圈進行解剖后，發現B6 段故障點每層電磁線都已燒毀斷開，即故障點存在層間或匝間短路故障。

故障變壓器2 解體后發現故障點在C 相高壓側（圖5），具體解體檢查情況如下：①解剖發現，短路點位于B6 段位置（距端子分接右側90°位置），周圍樹脂完全碳化；②短路故障點線段的電磁線全部熔斷，周圍碳化嚴重。

圖5 箱變2 解體檢查情況

針對短路點位置碳化嚴重的情況，在同線圈上距短路點180°的位置選取樣塊A，從檢查情況看，故障線圈B6 另一側樹脂浸潤良好，沒有出現大面積樹脂浸潤不充分現象。在與故障線圈同一批次的正常線圈B6 段同一位置選取樣塊B，從檢查情況看，同批次正常線圈B6 與故障線圈同一位置樹脂浸潤良好，沒有出現大面積樹脂浸潤不充分現象（圖6）。

圖6 樣塊A、B 檢查情況

1.3 故障線圈生產過程追溯

根據以上試驗測試分析結果及拆解檢查情況，對變壓器的原材料使用及工藝制造環節進行追溯，從人、機、料、法、測、環六方面對原材料領用、生產過程記錄、工藝執行進行分析，得出如下結論：①經查人員資質符合要求，故障變壓器相關的繞制人員工齡資質都在3 年及以上，能熟練執行繞制工藝和操作規程；②經追溯故障變壓器使用的主材，如硅鋼片、樹脂、銅導體等各項指標均滿足該項目技術協議要求；③檢查故障變壓器線圈繞制、澆注適用工藝文件《三維包線填料線繞高壓線圈繞制工藝》《全自動混料填料樹脂澆注固化工藝》，工藝規范經驗證后于2013 年11 月發布并執行，已應用近10 年未出現質量問題屬于成熟工藝；④檢查故障變壓器線圈生產期間環境無異常，溫濕度均在施工工藝要求范圍以內；⑤經查故障變壓器出廠例行試驗中電壓比測定、絕緣試驗、局部放電測量等試驗數據均滿足標準及合同要求。綜上所述，各個環節均符合標準和要求規定。

2 故障原因分析

根據對線圈生產過程的追溯，結合箱式變壓器故障案例，可能導致類似線圈短路的原因主要有澆注質量、異物掉入線圈、線圈特殊工藝處理不當、線圈轉運防護不當、操作工工藝執行不到位、電磁線缺陷等。

2.1 澆注質量

在澆注過程中，如果澆注設備異常，如真空度不足、溫度控制異常，可能會導致線圈浸潤不充分或線圈內存在氣泡等絕緣缺陷。經檢查分析，故障線圈生產期間，澆注設備沒有任何故障報修及大修記錄，可排除設備因素。

另外，故障變壓器采用環氧樹脂真空澆注工藝，樹脂液體是自下而上浸潤，如果存在澆注浸潤異常，理論上是澆注最上端，但故障位置位于線圈中間位置，與其本身物理特性不符。并且從解剖現象看，故障點圓周方向（未碳化位置）澆注浸潤良好。同時，如果澆注過程有細小氣泡，局部放電試驗會出現異常，而故障變壓器出廠時局部放電試驗合格。因此可以排除因澆注質量導致線圈故障的可能性。

2.2 異物掉入線圈

線圈繞制過程及吊運過程中，如果有異物掉入，會削弱電磁線表面絕緣性能，導致匝間絕緣影響。按照故障變壓器生產廠家的工藝要求，在線圈焊接、吊運過程中，需對線圈進行遮蓋防護，以防止焊接時候的焊渣和高空異物掉入。經檢查，車間對該要求執行情況良好，排除因異物掉入導致線圈故障的可能性。

2.3 線圈特殊工藝處理不當

特殊工藝位置一般指升層、段間過渡、分接引線和電磁線接頭焊接為線圈質量關鍵點，需做絕緣加強處理，如果存在處理不當會造成線圈絕緣性能下降。查線圈圖紙結構和繞制記錄，段間過渡及分接引線焊接端子板與故障點位置不符；升層位置在故障點反方向，與故障點位置不符；2 個故障線圈除分接引線焊接外，也無電磁線接頭焊接處理。根據以上分析，排除因特殊工藝處理不當導致線圈故障的可能性。

2.4 線圈轉運防護不當

線圈轉運過程中，可能會發生滾動、碰撞，從而損傷電磁線絕緣。故障變壓器生產廠家線圈轉運過程中均進行了防異物掉入和碰撞防護，圓周方向加塞防滾動木塊，線圈不會發生滾動、碰撞。經檢查，上述措施均得到良好執行，排除線圈轉運防護不當導致線圈故障的可能性較低。

2.5 操作工工藝執行不到位

操作工在繞制過程中，可能存在暴力敲打、工藝衛生執行不到位的情況，導致絕緣性能受到影響。經查故障變壓器的工藝符合性檢查記錄，沒有發現有野蠻敲打電磁線和不按工藝要求執行的情況。排除操作工工藝執行不到位導致線圈故障的可能性。

2.6 電磁線缺陷

無氧銅桿使用連續擠壓機，配合相應規格的模具連續生產而成。在擠壓過程中，由于原材料表面質量、硬度、設備工裝等可能導致電磁線表面出現少量缺陷，如氣泡、缺口、凹凸等。由于擠壓線速度較快（80 m/min），現有電磁線在線檢測技術不完善。變壓器生產廠家根據實際情況安排專人現場摸線，并配合尼龍絲預警系統進行質量控制，但實際在生產過程中可能存在操作工在摸線時沒有嚴格執行手不離線，同時尼龍絲預警系統對小缺陷探測靈敏度較低，可能存在小缺陷被遺漏的現象。

結合本次故障線圈解剖及追溯情況，2 臺故障線圈均使用了同一廠家、同一批次的銅桿，綜合檢查分析結果，認為該批次銅桿擠壓的電磁線存在缺陷是導致本次箱變變壓器故障的根本原因。

3 結論與防范措施

通過對本次箱式變壓器故障分析，判斷出因電磁線擠壓質量缺陷是導致該風電場2 個箱式變壓器高壓線圈故障的根本原因，且同批次銅桿所涉及的其他線圈也存在一定隱患。為了避免同類箱式變壓器故障再次發生，本文給出如下處理措施與建議：①風電場應立即對同類型箱式變壓器進行排查，更換同批次銅桿擠壓的電磁線；②建議在箱式變壓器內部應增加煙霧傳感器，接入箱變監控系統，并與高低壓開關聯動；③應完善電磁線缺陷在線監測設備，避免類似事故發生。