大型变流变压器绝缘损伤故障分析

谢子浩 沈文华

（广东珠海金湾发电有限公司，广东珠海519050）

0 引言

JW电厂凝结水泵电机变频调速用的变流变压器为干式变压器，型号为ZTSFG（H）-2500/6.3，额定容量为2 000 kVA，一次侧额定电压为6.3 kV，二次侧额定电压为710 V，由新华都特种电气股份有限公司生产，制造时间为2014年8月。

2018年3月，凝结水泵调速变频器在运行过程中报重故障，变频器退出运行。电厂技术人员检查变频器后，未发现变频器故障。确认变频器无故障后，电厂决定重新投入变频器。由于变频器投入失败，电厂技术人员对变流变压器进行进一步检查，发现低压绕组部分存在绝缘损坏。

1 电厂处理情况

电厂技术人员对变流变压器进行了检查，发现低压绕组有多处放电痕迹，并有两处绝缘击穿点，如图1所示。

图1 绝缘击穿处

检查发现变压器绝缘板上存在凝露，说明湿度较大。对变压器进行烘干处理后，电厂技术人员对变压器进行了直流电阻测量、绝缘电阻测量、交流耐压试验。试验结果为：直流电阻测量结果无异常；绝缘良好的绕组绝缘电阻大于1 GΩ，绝缘破损的绕组绝缘电阻约100 MΩ；绝缘破损绕组进行交流耐压试验时，升压至1 000 V时试验设备跳闸。

电厂技术人员使用砂纸将绝缘破损处残留的碳粉打磨干净后，刷上环氧树脂漆，漆干后再进行交流耐压试验，仍然未通过耐压试验。

2 现场检查及处理情况

2.1 现场检查情况

2018年3月16日，对现场进行检查。

本次发生故障的变流变压器高压绕组为Y接线，低压绕组为△接线，第三绕组为Yn接线（第三绕组在实际使用中为悬空，未接引线）。本次检查到的绝缘破损处位于低压绕组。图2为低压绕组的抽头，从抽头也可以看出来，低压绕组分为3段，每段5组，从上至下共15组。以最上层的第1组为例，第1组的三个抽头编号分别为L1-LV11、L2-LV11和L3-LV11，每一个抽头引线连接至A、B、C三相的低压绕组，分由三饼线圈构成，因此每组绕组共有九饼线圈分布在A、B、C三相上，这九饼线圈的接线型式如图3所示（以第1组为例）。

图2 低压绕组抽头

图3 低压绕组接线型式

低压绕组匝间采用纸绝缘，匝间无空隙。各饼线圈间通过环氧树脂支撑块绝缘，距离约1.2 cm。

绝缘击穿点所在线圈对应的低压绕组抽头编号为L1-LV15和L3-LV21。绝缘击穿点已处理，涂有环氧树脂漆，检查时漆还未完全干透，较软。

2.2 现场处理情况

对变压器低压绕组进行交流耐压试验。

根据变压器出厂试验报告，出厂时低压各移相绕组之间（即各饼线圈之间）的交流耐压试验电压值为4 kV（注：第Ⅰ段和第Ⅱ段之间的交流耐压试验电压为10 kV，其余均为4 kV）。本次对低压各移相绕组进行交流耐压的试验电压值为出厂试验电压值的85%，即3.4 kV。

试验方法为：对某一组低压绕组施加交流电压时，其他各组低压绕组短接接地（例如图2中，对抽头L1-LV11、L2-LV11和L3-LV11施加交流电压时，低压绕组其他抽头短接接地），高压绕组短接接地，第三绕组短接接地。

试验顺序和试验结果为：

（1）对第Ⅰ段第5组低压绕组施加交流电压时，电压升至3.4 kV，保持1 min，试验电压无跌落。加压过程中，变压器低压绕组多点出现了放电现象。

（2）对第Ⅰ段第4组低压绕组施加交流电压时，电压升至3.4 kV，保持1 min，试验电压无跌落。加压过程中，变压器低压绕组多点出现了放电现象。

（3）对第Ⅰ段第1组低压绕组施加交流电压时，电压升至3.4 kV，保持1 min，试验电压无跌落。变压器低压绕组无放电、无闪络，试验通过。

（4）对第Ⅰ段第2组低压绕组施加交流电压时，电压升至3.4 kV，保持1 min，试验电压无跌落。加压过程中，低压绕组第Ⅰ段第2绕组和第Ⅰ段第3绕组之间出现了放电。

（5）对第Ⅰ段第3组低压绕组施加交流电压时，电压升至3.4 kV，保持1 min，试验电压无跌落。加压过程中，低压绕组第Ⅰ段第2绕组和第Ⅰ段第3绕组之间出现了放电、第Ⅰ段第3绕组和第Ⅰ段第4绕组之间出现了放电。

上述试验过程中，发生放电时的放电路径均为沿着线圈饼间的环氧树脂支撑条进行放电，放电的部位都出现在绝缘击穿点所在的环氧支撑条及其左右两根环氧支撑条上。

由于变压器低压绕组在圆周上没有进行编号，较难准确描述放电位置，本报告用图4进行示意。图4中，圆圈圈出的两个点为绝缘击穿点（绝缘击穿点的位置是明确的），交流耐压试验过程中放电的位置集中出现在灰色矩形内的三根环氧支撑条上，即绝缘击穿点所在的环氧支撑条及其左右两根环氧支撑条。当然，对不同组的绕组进行交流耐压试验时，放电的具体位置有所不同，但都是相邻饼间的线圈沿着图4所示灰色矩形内的三根环氧支撑条进行放电。

由于交流耐压试验属于破坏性试验，此次试验仅进行了上述5步，未继续对下层其余绕组进行试验。建议先采取措施进行防晕处理后再进行下一步试验。

2.3 缺陷及原因分析

从目前的现象来看，此次检查到的缺陷有：

（1）出现了两处肉眼可见的绝缘击穿点，击穿点基本呈圆形，直径约1 mm，绝缘击穿点所在线圈对应的低压绕组抽头编号为L1-LV15和L3-LV21。

（2）在现场的交流耐压试验中发现了多处放电，放电路径均为沿环氧树脂支撑条，放电部位集中位于绝缘击穿点所在的环氧支撑条及其左右两根环氧支撑条上。放电处的绝缘较薄弱，存在一定缺陷。

根据现场交流耐压试验的情况，加之出厂时的交流耐压试验未见异常，出厂时的其他试验均合格，因此基本可以排除绝缘材料缺陷或制作工艺不足的因素。

根据现场检查的情况和变流变压器运行的特点，对导致绝缘缺陷的原因进行初步分析如下：

图4 交流耐压试验过程中出现的放电位置示意图

（1）绝缘受潮所致。纸绝缘的防潮防污性能较差，如果绝缘受潮，则会导致绝缘电阻低的问题[1]。据了解，在变流变压器运行中，柜内采取了通风除湿的措施，小室内有湿度计进行湿度监测，空气湿度低于80%。第2节中提到的电厂人员检查到变压器绝缘板上存在凝露，是在变压器停运后、通风除湿措施停止后发现的，不能说明运行中存在凝露或潮气过大。在变压器出现故障后，采取了烘干措施，已基本保证绝缘干燥。因此，绝缘受潮这一原因不能完全解释本次故障和缺陷的现象。

（2）热效应导致绝缘老化。绕组流过电流时会发热，绝缘材料长期处于高温状态会引起绝缘老化[2]。由于该变压器为H级绝缘，可承受180℃高温，因此热效应导致绝缘老化的可能性也较低。同时，出现绝缘缺陷的位置并不是通风散热条件最差的位置。因此，基本可以排除热效应导致绝缘老化这一因素。

（3）变压器振动导致绝缘磨损。变流变压器位于变频器的整流侧，由于变频器电力电子元件的非线性工作，流过变流变压器的电流存在复杂的高次谐波，谐波的存在会导致如下两个问题：

1）谐波电流流过绕组时，使铁芯的磁致伸缩加剧，从而加剧了铁芯的振动，导致变压器本体振动加剧；

2）电流流过绕组时，由于绕组受到电动力也会出现一定的振动，谐波的存在同样会加剧绕组的振动。当电流导致的变压器振动频率与变压器自振频率接近时，振幅达到最大。实际上，即使是轻微的振动，长期积累也会造成绕组绝缘的磨损[3]。由于目前发现的放电部位集中在同一区域，因此，不排除这一区域为振幅较大的区域，绝缘磨损较为严重。

3 结论及建议

本次电厂凝结水泵变频变压器绝缘故障分析结论如下：

（1）凝结水泵变流变压器低压绕组C相L1-LV15和L3-LV21绕组有绝缘击穿点，局部处理难以满足绝缘要求，对这两组绕组、共六饼线圈需进行更换、重绕；

（2）对交流耐压试验中出现放电的位置（图4所示的三列环氧树脂支撑条）的绕组进行防晕处理；

（3）运行中应保持变流变压器的环境干净、干燥，加强通风散热和除湿措施，具备条件时可对变压器的振动进行测量。