变压器线圈局部过热的常见情况和问题分析

贺巍

摘要：随着我国城市化建设进程加快，城市用电需求量急剧增加，变压器单台容量提升。受到容量荷载限制，用电量增加使得漏磁场增强，从而引发涡流损耗不均，形成局部过热，严重缩短了变压器的使用寿命。本文以变压器线圈过热现象为主要内容，基于变压器典型结构以及过热问题特点，分析常见的变压器线圈局部过热现象，包括材料参数、漏磁场、油箱屏蔽等导致的局部过热，并选择合适的器材进行测试，确定测试方案指出注意事项，为解决变压器线圈局部过热问题提供参考。

关键词：变压器;线圈;局部过热;常见现象

引言：在城市电网安全运行的要求下，变压器运行需具有较高的稳定性与可靠性，能够承载城市电力的运输以及一定程度的短路能力，防止出现线圈过热损坏[1]。由短路引起的电网事故时有发生，在短路情况下线圈内的短路电流是正常运行状态下的数十倍，容易引发线圈变形、折断、烧毁、松散等，进而产生大面积的停电事故，对区域城市供电带来较大影响。随着大容量变压器设备的不断升级与改进，加大防止局部过热、降低损耗等研究，能够有效提高变压器线圈的使用寿命，提高传输效率节约电能损耗。基于此，本文对变压器线圈局部过热的常见情况进行以下探究。

1变压器典型结构及其线圈局部过热问题

1.1变压器典型结构

变压器主要由铁芯、绕组、油箱、辅助油箱、呼吸器、防爆管、测量装置、冷却装置等组成，其中铁芯、绕组是核心结构[2]。为了减少磁滞损耗，不同类型的变压器铁芯形状与结构存在较大的差异，城市电力运输采用的大容量变压器大多为心式铁芯绕组，用铁量较少。

1.2变压器线圈局部过热问题的特点

在变压器线圈局部过热问题上，国内外学者已经有了较为丰富的研究，但在试验过程中仍旧面临着一些难点，致使该问题始终难以得到合理解决：一是变压器漏磁分布不均，尤其是大容量变压器结构尺寸较大，划分节点缺乏可行的技术与方法，可靠性不强;二是线圈局部过热现象的重点在于绕组受力计算，需建立复杂的三维结构进行有限元网格分析，理论模拟与实际运行存在差距;三是计算量大、算法复杂，现有的求解方法丰富但均受到一定的限制;四是线圈过热产生變形、位移的情况不一致，对磁场分布的影响变化多端，还需充分考虑到机械强度等因素。

2变压器线圈局部过热的常见现象

2.1变压器材料参数及局部过热现象

从本质上来看，变压器线圈局部过热受到电磁力分布的影响，电磁力分布不均，则根据电磁力分布规律将会出现局部过热的问题[3]。在变压器器件选择以及材料参数设计中，部分参数甚至不合理则会严重影响线圈电磁力分布，进而导致局部过热现象出现：一是油箱到线圈外表面距离，高压绕组下该材料参数的影响不大，不论是辐向力还是轴向力，变化幅度较小;低压绕组下辐向力无变化，但轴向力呈现出增大的趋势，距离越大则轴向力越大，其主要是受到屏蔽方式等影响。二是压板参数，压板材质、厚度对线圈受力的影响较大，厚度增加则辐向力减小，轴向力增加。三是拉板参数，在漏磁场下拉板参数与涡流大小息息相关，从而对线圈局部过热分布造成影响。四是夹件参数，金属压板的变压器需考虑夹件参数对线圈电磁力分布的影响，但由于现阶段绝大部分的变压器采用绝缘压板，此时夹件材料的影响不大，因此可以忽略该材料参数的影响。

2.2变压器漏磁场及局部过热现象

不同结构原理、不同材料的变压器漏磁场存在差异，需根据设备实际情况加以定量计算与分析，根据涡流与损耗密度等规律，明确线圈过热区域[4]。在无屏蔽设计的情况下，由于结构设计缺陷，油箱将会产生严重的局部过热，使得外绕组、油箱较近的一侧中部区域局部过热，需加装屏蔽措施。拉板、夹件材料得以优化的情况下，能够有效减小涡流，线圈过热的情况有所减缓，但要注重磁屏、铁芯表面等区域过热导致的线圈过热。在设计允许的情况下，根据拉板电磁力分布进行热判断，针对局部过热的位置开槽，增加绝缘，同时防止各个器件不良接触产生过热。此外，根据漏磁分布划分局部过热区域，调整磁密，减少过热现象。

2.3变压器油箱屏蔽及局部过热现象

油箱屏蔽材料、高度、厚度以及综合作用情况对线圈电磁力分布有着较大的影响，形成的漏磁分布存在差异，需加以针对性分析。屏蔽作为防止局部过热的重要措施，不同的屏蔽组合、屏蔽原则其局部过热的屏蔽效果不同。通常情况下，屏蔽高度应超出线圈30%左右，材料可选择铜屏，以此来避免线圈上部受到油箱影响出现过热现象。屏蔽厚度由材料决定，铜屏只需4mm左右厚度，而磁屏厚度应在铜屏的五倍左右，该过程中应考虑到设备成本，达到厚度临界值后效果改善不大。此外，注重接缝处的过热现象，尤其是磁屏与油箱接缝、铜屏与磁屏接缝等，应结合实际的过热情况加大屏蔽组合设计，提高屏蔽效果。

3变压器线圈局部过热问题的测试方案

3.1测试器材

为解决变压器线圈局部过热问题，需加强线圈电磁力大小、分布、随时间变化情况，计算并明确机械强度，以此来调整线圈结构。由于结构复杂，单依靠计算、理论模型来评估可靠性不强，因此需结合实际测量，来加以判断。如，可采用加载光学测试系统的摄像设备，对变压器运行过程中线圈受力变形、位移等加以测量和记录，形成过热分布成像，根据热成像数据来调整变压器绕组数据。

3.2测试方案

基于以上测试器材与系统的选择，根据变压器线圈局部过热时出现的明显位移变化，由光学测试系统加以检测，结合位移变化量与热量变化量之间的关系，进行实时计算和判断。该技术的应用需确保线圈位移可测量，即在变压器侧面开孔观测，明确测量的距离、开孔大小、光源照明需求等。由于变压器线圈过热有可能发生在一瞬间，因此需缩短测量的时间，加大频率。为了提高测试稳定性，需提供独立电源，采取相应的保护措施，减少测量误差。

3.3注意事项

在测试试验的过程中，需注意：一是大容量变压器线圈附近通常充满了油，光测试效果可能存在偏差，尤其是油变色、光源折射等问题，可采取一定的预处理措施，消除偏差;二是电力变压器的高压绕组、低压绕组结构问题，外侧只能够测量到高压绕组，过热判断存在局限;三是突然短路时由于瞬时发生，线圈瞬间变形，且位移较大，此时判断较为困难，且容易损坏测量系统。

结论：综上所述，通过对变压器线圈局部过热的影响因素及常见现象进行研究，可分为从变压器器件选择、变压器运行控制、变压器温度测试等方面，加强对线圈局部过热问题的关注。结合变压器线圈局部过热的原理，在器件选择上应注重油箱、压板、拉板、夹件对线圈电磁力分布的影响，提高器件选择的合理性，减少漏磁场。在变压器运行的过程中，应加大漏磁场、油箱屏蔽等问题的关注，选择合适的器材、测试方案加大局部过热测试。此外，应注重变压器线圈局部过热数据收集，在智能化发展的趋势下，加大局部温度检测与自动分析，便于及时采取相应的控制方法，防止线圈局部过热对变压器的整体运行造成影响。

参考文献

[1]杨磊.电力变压器局部过热实例分析与处理[J].电工技术，2020（11）：91-93.

[2]姚志，祁颖矢，李锦军.大型变压器结构件损耗及局部过热仿真研究[J].变压器，2015，52（07）：30-33.

[3]李岩，额尔和木巴亚尔，张霄霆，井永腾，李晓辉.变压器磁热耦合计算与局部过热屏蔽措施[J].沈阳工业大学学报，2012，34（04）：366-371.

[4]赵峰，王凯，张俊杰，刘东升.大容量变压器局部过热问题分析[J].变压器，2009，46（07）：74-75.