某船用双箔树脂浇注干式变压器烧蚀故障分析

王智勇， 单纯正

(海装驻上海地区第四军事代表室，上海 201108)

0 引 言

自20世纪60年代德国研制出世界上首台环氧浇注式干式变压器[1]起，干式变压器就进入了一个新的发展阶段，目前环氧浇注式干式变压器已成为干式变压器的主流型式。近年来，随着世界经济的不断发展，干式变压器得到了迅猛发展，尤其是在配电变压器中，干式变压器所占比例越来越大。据统计：在欧美等发达国家中，干式变压器已占配电变压器的40%～50%；在我国，干式变压器约占配电变压器的50%。高低压均为箔式绕组、绝缘树脂浇注变压器是20世纪90年代从国外引进的干式变压器生产技术，其具有介电性能好、绝缘水平高、机械强度好、耐冲击和抗短路力强等特点，产品防潮、阻燃、免维护，具有过热保护措施，可靠性高，短时过载能力强，尤其适用于舰船和海洋工程等工作环境恶劣、安全运行要求高的场合[2]。随着船舶朝着大型化、自动化和综合电力推进方向发展，电网容量逐渐增大，配电系统电压等级逐渐升高，常规的船用变压器已不能满足船舶的使用要求，需采用大功率干式变压器。目前，箔绕树脂浇注干式变压器广泛用作船舶电力推进系统移相变压器或主日用变压器[3]。大型变压器通常配置在能量系统的前端，一旦发生故障，后果往往较为严重，因此准确定位故障原因、研判故障性质尤为重要。本文以某船用箔绕干式变压器为例，对其烧蚀故障进行分析，为类似故障及隐患的排查提供参考。

1 故障概况

某船采用某型2.1 MVA双箔树脂浇注干式变压器作为电力推进系统的整流变压器，该设备是全船的主要动力设备之一。在某次常规备航流程中，左舷推进变压器预充磁5 s之后，主开关自动闭合，此时听到设备中传来电流放电声，紧接着变压器柜内开始冒烟，操作人员发现该异常之后进行了紧急分闸，全过程持续约10 s。通过现场检查发现：预充磁变压器外观正常，绝缘情况良好；冷却器、温湿度控制器和变频器等附件未发现异常；整流变压器本体B相存在明显的烟熏痕迹，A相和C相外观相对良好；柜体内有铜屑散落。根据铜屑散落位置，初步判断故障点为整流变压器内部的B相副边绕组。故障变压器外观见图1。

图1 故障变压器外观

2 设备概况与拆解检查

该设备由预充磁变压器、整流变压器本体、冷却装置、整流装置和控制模块组成。预充磁变压器用来减小空载合闸时可能出现的数倍于额定电流的冲击电流；铁芯使用硅钢片，采用45°全斜接缝，磁通沿着硅钢片接缝方向通过；高压线圈和低压线圈均采用铜箔带作为导体，采用宽带状的H 级绝缘材料作为层间绝缘，采用窄带状的绝缘材料作为端绝缘，在箔式绕线机上完成卷绕形成卷状线圈，同时完成线圈内外侧引线的焊接和外表面包扎；线圈经真空压力浸渍(Vacuum Pressure Impregnating, VPI)工艺浸渍成坚固整体；变压器采用强迫循环冷却方式，变压器本体与冷却装置之间设有风道，风机将变压器壳内的热气抽出，进入冷却装置内冷却。全船按左舷和右舷配置2台该型变压器，其功能流程见图2。

图2 2.1 MVA船用推进变压器功能流程

变压器采用轴向分裂式变压器，一次侧采用延边移相结构，二次侧采用星/角结构；左舷变压器和右舷变压器分别进行原边移相±7.5°。该型变压器接线原理见图3。

a)一次侧接线图(+7.5°)

整套推进系统采用中性点不接地方式，属于典型的中性点不接地系统(即IT系统，其中：I表示电源端所有带电部分不接地或有1点通过阻抗接地；T 表示电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气装置上独立于电源端的接地点)。IT系统的特点是，当发生接地故障时，接地故障电流仅为非故障相对地的电容电流，其值很小。图4为IT系统单相接地故障等效电路。从图4中可看出，ik=-(ia+ib)，接地故障电流的大小取决于另外两相的对地电容，而该对地电容的值很小，故该接地故障电流ik可忽略不计。

图4 IT系统单相接地故障等效电路

故障线圈为B相副边y接线圈，由于环氧浇注型变压器的故障表象可能与实际情况存在偏差，对存在故障的B相绕组进行拆解检查，排除了层间绝缘老化、铜排与铜箔间焊接不可靠等因素，参照绕组结构(见图5)，内部4匝烧蚀较为严重，中间4匝中最靠近内部的1匝明显受损，外部7匝无明显的烧蚀情况。

对内层损坏铜箔部分进行拓印、测绘，图6为烧蚀铜箔拓印现场照片。

对各匝损伤面进行拓印，对双层铜箔正面和反面边缘进行描绘之后，采用CAD软件计算其面积，从铁芯内部向外部计算，各匝的损伤面数据见图7，其中：第1～4匝为内部4匝；第5匝为中间4匝中的最内匝。

a)1匝内

由此可见，第2匝和第3匝的烧蚀面积最大，从而排除线圈位移磨损引起的对铁芯放电短路的情况，推断短路点应在第2匝与第3匝之间的绕组下端部。

3 理论分析与试验

匝间短路必然是由层间绝缘受机械损伤、电、热等因素的影响而被击穿引起的。[4]

3.1 设计角度分析

通过对电磁计算书、图纸等进行排查发现：铁芯选用的是牌号为85的激光刻痕硅钢片，磁通密度为1.59 T；线圈采用环氧树脂浇注结构，电流密度最大为1.64 A/mm2；介电性能好，实际运行过程中各项指标正常，参数稳定；在开发阶段进行系统联调试验、变压器热场仿真和柜内风量流体仿真，各项指标均能达到技术要求；对故障线圈进行解剖，未发现绝缘、铜箔局部过热老化现象。因此，排除电磁、热场方面的设计因素引起短路故障。

3.2 使用角度分析

根据系统设计要求，在额定工况下，网侧总的高次谐波电流占比小于等于10%，单次谐波电流占比小于等于5%，总的谐波电压占比小于等于5%，单次谐波电压占比小于等于3%。当实测单机满载时，网侧线电压总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)为3.166%，网侧相电流THD为3.626%，2个副边各绕组主要频次谐波的THD均在正常范围内。因此，高次谐波因素造成绝缘局部过热老化引起匝间短路的可能性也可排除。

该变压器副边采用2组线圈(Y和△)实现12脉波输出，若由系统因素引起副边2组线圈的负载率不同，可能会使其中某个线圈过载，引起绝缘过热老化。在海试时测量2组线圈的输出电流，y绕组(即Y线圈)电流测试数据见图8，d绕组(即△线圈)电流测试数据见图9。

图8 y绕组电流测试数据

图9 d绕组电流测试数据

由此可见，在额定工况下，y绕组的U相、V相和W相电流幅值与d绕组的A相、B相和C相电流幅值几乎相同，电流不均衡度小于5%。此外，温度记录中无过热、报警记录。因此，排除副边2组负载不平衡引起绝缘老化的可能性。

3.3 其他因素分析

通过对每层铜箔进行耐压试验，排除了弯折应力造成铜箔机械破损，进而导致其绝缘性能下降的可能性；通过检查非故障相和同型号正常变压器，排除了线圈位移引起绝缘磨损的可能性；采用箔绕机自动氩弧焊工艺，确保了绕组引线铜排焊接的可靠性；通过人工设置气道板缺陷试验，排除了气道板缺陷引起层间绝缘受损的可能性；通过检查设备运输和使用环境，排除了绕组受潮引起匝间短路的可能性。

综上所述，绝缘层存在薄弱点很可能是铜箔毛刺和硬物导致的，随着变压器长期运行，绝缘层可能会在电动力的作用下产生机械损伤，直至被击穿，引起匝间短路，导致箔绕线圈被烧蚀。

3.4 理论计算

当额定电压下副边相绕组单匝短路时，原边电流为

(1)

副边相绕组短路电流为

(2)

式(1)和式(2)中：I1K为原边电流；I2K为副边相绕阻短路电流；I2K-单匝为副边相绕组单匝短路时的电流，近似为9 490 A，该电流足以导致匝间短路的金属毛刺烧熔。

图10 三绕组变压器等效电路

(3)

(4)

若副边单匝短路，则变压器输入阻抗为

(5)

若副边发生2匝短路，则变压器输入阻抗为

(6)

2)对于2个独立匝短路的情况，由于耦合系数k接近于1，故Xin2略小于Xin1，因此2匝短路的原边电流略大于1匝短路的原边电流。此外还可看出，副边耦合系数k越小，即绕组间互感越小，副边短路时原边电流越大。

3)对于更多匝短路的情况，由于短路匝之间是强耦合关系，互感系数均接近于1，因此原边电流的增加非常有限。

3.5 试验验证

通过人工在铜箔上制造边角毛刺(见图11)，中间用层间绝缘隔开，分别在空气中和树脂浇注之后开展系列试验。

图11 人工形成的铜箔毛刺

将浇注不满的线圈脱模，将其据开进行试验。由于铜箔间较松，树脂渗透较厚，试验击穿电压大于4 kV，击穿点不在毛刺位置。线圈绕制时是完整、紧实的正常线圈，试验情况见表1。

表1 毛刺击穿试验情况

试验结果表明，铜箔毛刺在层间缠绕紧实的情况下必然会对层间绝缘形成破坏，使层间绝缘的绝缘性能下降，根据毛刺大小情况，可能直接导通或保有一定的耐压值(如击穿电压为1 kV左右)。

局部放点试验不能有效排查绕组毛刺；绕组感应试验对成功排查毛刺有一定的概率，需经多次排查才能得到可靠的结果；冲击试验在一定范围内能有效验证箔毛刺或绝缘损伤情况。

4 结 语

通过分析发现，本文所述船用双箔变压器烧蚀故障是由偶发性、低概率的铜箔毛刺引起的，属于一般性匝间短路故障。为避免今后发生类似故障，应做到：加强对采购、检验环节的管理，消除铜箔毛刺隐患；优化绕制工艺和责任追溯机制，降低绕组缺陷率；增加感应耐压试验次数，排查绕组隐患。