刘守豹，杨耀武2，袁 志3，童 理，方 圆，韦昌伟

(1.大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530007；2.中国大唐集团有限公司重庆分公司，重庆 400020；3.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

目前水电调度问题常用的求解方法有线性规划、非线性规划、混合整数线性规划、动态规划以及启发式现代智能算法等[1]，其中混合整数线性规划变压器是风力发电机组能量转换过程中的重要组成部分，它将风力发电机发出的电能转换成高电压低电流形式并输送至电网[1-3]。铁芯是变压器传递和交换能量的重要部件，为防止在运行电压作用下铁芯出现悬浮电位放电，铁芯通常采用单点接地[4-5]。

实际运行中变压器由于设计、制造、材料等方面的问题，会发生铁芯多点接地、铁芯接地不良引起的铁芯发热故障[6-9]。根据铁芯发热程度可分为低温过热、中温过热和高温过热，如果铁芯发热故障未得到控制和解决将会引发更大故障，导致变压器无法运行[10]。

下面以某风电场连续发生的3起箱式变压器铁芯发热故障为分析对象，通过油化分析、现场拆解和仿真计算，确定箱式变压器制造工艺存在缺陷，首端低压绕组与铁芯接触过于紧密是导致发热故障的原因。

1 故障简介

2009年5月某风电场第一台箱式变压器投运，2010年10月最后一台箱式变压器投运，该风电场共安装55台同厂家、同型号、同批次风机箱式变压器，其基本参数如下：

型号：ZGS-ZF-1000/38.5

电压组合：38.5 kV±2×2.5%/0.62 kV

联接组别：D/Yn11

阻抗电压：6.31%

该变压器为三相、双绕组、油浸、自冷、低损耗、全密封、免维护电力变压器，其整体外观和绕组铁芯如图1所示。

图1 风电场箱式变压器

2016年5月巡检发现风电二回10号箱式变压器空载油面温度达65 ℃，吊芯发现A相低压线圈上部绝缘圈碳化，导线绝缘破坏，其中紧邻的两根导线从上到下绝缘碳化。

2017年1月风电二回21号箱式变压器电压异常，吊芯检查发现变压器铁芯有多处明显过热痕迹，铁芯至夹件引出连片已熔断，C相绕组有过热现象，A相低压侧线圈绕组烧断，线圈烧断处在6级铁芯表面有明显烧蚀痕迹。

2017年8月风电二回2号箱式变压器再次出现油温过热问题，解体发现A、B、C三相低压出口端绕组与铁芯接触紧密，部分区域绝缘纸板已经发黑碳化。

2 故障原因分析

上述3台故障变压器具有共同的特点：变压器油色黄亮，油中有较浓的焦糊味，这表明变压器油出现异常。例如2016年5月在对10号箱式变压器解体前开展的油化分析发现大量氢、烃、一氧化碳、二氧化碳类气体，其中氢含量超过260 μL/L，总烃超过1000 μL/L，并出现乙炔，油化报告如表1所示。

表1 10号箱式变压器油化分析报告 单位：μL/L

通过三比值法对表1的数据进行分析，表明变压器内部存在低温过热的问题，其中CO、CO2、CH4含量高表明变压器内部固体绝缘材料(绝缘纸、层压纸板、木块等)聚合物裂解，聚合物在裂解过程中产生的水与铁作用产生H2；C2H2含量相对较低表明变压器内部未出现电火花。

下面依次给出10号、21号、2号箱式变压器解体照片如图2—图4所示，可见变压器首端绕组与铁芯之间接触过于紧密，两者之间的绝缘材料有明显勒痕，勒痕处绝缘纸和绕组绝缘材料碳化。从3台变压器的故障情况可以看出：1)故障点均位于低压绕组首端绕组和铁芯；2)低压绕组与铁芯紧密接触，导致热量无法通过油循环散发；3)局部发热引起绝缘材料碳化，进而使得低压绕组和铁芯之间绝缘丧失；4)低压绕组与铁芯紧密接触的部位通过大电流，使得铁芯与绕组接触面被烧蚀，大电流通过铁芯接地铜排入地进而将铜排融化。

图2 10号变压器A相解体情况

图3 21号箱式变压器C相解体情况

图4 2号箱式变压器B相解体情况

通过解体情况还可以得出如下结论：该风电场的箱式变压器问题不是偶发故障，而是在3台故障变压器中共同存在的，故障点低压绕组首端和引出线与铁芯之间紧密接触不是个案，因此判断厂家安装工艺存在缺陷。

3 铁芯发热的有限元分析

为了对变压器绕组和铁芯之间距离较近情况下绕组发热进行比较分析，采用有限元分析软件ANSYS MAXWELL建立简化二维轴对称涡流场分析模型，正常情况下绕组布置方式如图5所示，其中铁芯采用层叠硅钢片，高、低压线圈为铜导体。

图5 验证模型空间布置

仿真计算得到正常布置方式下磁力线、电流密度、发热情况如图6所示。

从图6可知：低压绕组的首尾匝绕组由于端部效应，电流场分布较其他绕组不均匀，在靠近铁芯的端部区域电流集中，因此导致了首尾匝绕组部分区域成为“热点”。

为了对低压绕组靠近铁芯情况下的发热进行分析，将低压绕组从上往下数的第1、第3和第5匝向旋转轴方向内移4.5 mm，重新计算得到场量分析如图7所示。

图6 正常布置方式下场计算结果

从图7可知，在低压绕组靠近铁芯的情况下，绕组电流分布的不均匀程度会加重。从1号、3号到5号线圈，在同样靠近铁芯的情况下，电流分布的不均匀程度依次递减，这是因为1号线圈受端部效应的影响最严重。从发热情况来看，1号线圈发热集中区域面积和最大发热量较正常情况下有明显提升，其中最大发热量从22.8 W/m3增加至30.2 W/m3。

图7 部分低压绕组靠近铁芯情况下场计算结果

4 结 语

1)该风电场箱式变压器铁芯发热是由于低压首端绕组与铁芯紧密接触造成的，低压侧首端与铁芯紧密接触导致发热加剧，同时紧密接触处变压器油无法通过，热量无法有效散发，在长期发热作用下绝缘老化，电流经低压线圈首端绕组再经铁芯入地导致铁芯接地扁铁熔断。

2)变压器绕组应与铁芯保持一定距离，铁芯与绕组接触紧密不仅导致绕组内部电流分布向局部区域集中，导致发热区域面积扩大和最大发热量升高，这种绕组与铁芯接触紧密引起发热增加的趋势对于

首端绕组尤其显著。

3)对于该风电场中仍在运行的箱式变压器，应该加强油色谱分析，一旦发生特征气体产气率升高，则极有可能是首端绕组制造工艺缺陷导致的，应该立即停止运行并进行大修处理。大修时应对低压绕组及铁芯表面的绝缘材料进行更换并增加首端绕组与铁芯之间的间隙。