凌津灘電廠勵磁變壓器裂紋的處理

1、凌津灘電廠勵磁變壓器裂紋的處理劉軍 五凌電力凌津灘水電廠摘要： 本文分析了凌津灘水電廠勵磁變壓器產(chǎn)生嚴重缺陷的原因，并對勵磁變壓器修理、 更換改造工程進行了介紹，同時，對勵磁變壓器的特點、特殊性及其重要參數(shù)進行 了闡述。關(guān)鍵詞： 環(huán)氧樹脂 高次諧波 渦流損耗 溫升一、概述：凌津灘水電廠位于湖南省桃源縣境內(nèi)， 是沅水干流的最后一個梯 級電站。電廠安裝有9臺單機為30MW勺燈泡貫流式機組，總裝機容 量為270MWV是一座以發(fā)電為主，兼有航運、防洪效益，并作為上游 五強溪水電廠勺反調(diào)節(jié)電廠。凌津灘電廠的機組勵磁系統(tǒng)由瑞士 ABB公司成套供給，勵磁變壓 器為澆注干式變壓器，額定容量 780KVA電壓等

2、級10.5KV/540V，絕 緣等級是F級，繞組允許溫升是80K,冷卻方式為自然空氣冷卻。2006 年9月5日，凌津灘電廠8#機組C級檢修期間，在對勵磁變進行檢 查時發(fā)現(xiàn)勵磁變壓器高壓側(cè)絕緣外殼三相均出現(xiàn)不同程度的裂紋， 隨 即對其余 8 臺機組的勵磁變壓器進行了檢查，發(fā)現(xiàn) 6#、 9#機組勵磁 變壓器高壓側(cè)絕緣外殼三相也都出現(xiàn)了裂紋，繼續(xù)運行將有絕緣擊 穿、匝間短路的可能，嚴重影響了凌津灘電廠機組的平安穩(wěn)定運行。二、勵磁變高壓側(cè)絕緣層開裂原因分析凌津灘電廠勵磁變壓器結(jié)構(gòu)為： 低壓線圈采用鋁箔繞制， 層間絕 緣為DM種耐高溫的聚酯薄膜；高壓線圈采用鋁導(dǎo)線繞制，經(jīng) 環(huán)氧樹脂在真空下澆注成型，線圈

3、內(nèi)外外表環(huán)氧樹脂絕緣層厚約 8mm 為厚絕緣結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致高壓線圈開裂的原因分析如下：1、變壓器用于勵磁系統(tǒng)屬于整流變壓器類別，高壓線圈內(nèi)有一定分量的高次諧波通過，此高次諧波會在鋁導(dǎo)線中產(chǎn)生渦流，因此變 壓器發(fā)熱量比同容量的普通配電變壓器高；2、高壓線圈為厚絕緣結(jié)構(gòu)，散熱較慢，線圈內(nèi)溫度分布梯度較 大，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力增加；3、環(huán)氧樹脂和石英粉組成的絕緣系統(tǒng)中無玻璃纖維加強，其結(jié)構(gòu)強度較差，在高溫下有一定的脆性，內(nèi)部應(yīng)力易導(dǎo)致其開裂。 2001 年前的產(chǎn)品均未在環(huán)氧樹脂澆注絕緣層中參加玻璃纖維網(wǎng)， 機械強度 較差。樹脂復(fù)合材料的性能參數(shù)如下表1所示：能介電強度沖擊強度彎曲程度線系數(shù)Kl/m3MPa10

4、- VC純環(huán)氧16-1918-25130-15060-70石英粉環(huán)氧18-2010-12110-1202S-3F破璃纖維壞氧IS-2040-601420-48016-20銅一17鋁24表1樹脂復(fù)合材料的性能參數(shù)4、高壓線圈的導(dǎo)體為鋁導(dǎo)線，絕緣系統(tǒng)為環(huán)氧樹脂和石英粉組成，由表1可看出，導(dǎo)線和絕緣的熱膨脹系數(shù)不一致并相差較大，鋁導(dǎo)線在熱脹冷縮時會對絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，此應(yīng)力是導(dǎo)致導(dǎo)線線圈開裂的根本原因。圖1 8#機組勵磁變裂紋三、勵磁變的特殊性勵磁變壓器因其負載特性和工作性質(zhì)的特殊，其設(shè)計、制造、運 行、維護方面的要求都比普通配電變壓器要高， 當(dāng)使用干式變壓器作 為勵磁變時，它是干式特種變

5、中的特種變。勵磁變壓器在工作時，負載為感性，所以工作電流都是非正弦形 的，除基波外還含有大量的高次諧波分量， 從而產(chǎn)生附加的渦流損耗 和雜散損耗，這個實際工作電流產(chǎn)生的總損耗遠遠大于基波工頻電流 產(chǎn)生的總損耗。勵磁變壓器二次繞組中流過的是非線性電流，在鐵芯中會產(chǎn)生高次諧波磁通，從而使鐵心很容易過激磁而到達飽和。另外, 勵磁系統(tǒng)在啟動瞬間頻率較低，磁密相對較高。在負荷諧波含量大的情況下， 勵磁變壓器還要求能在 1.1 倍額定 電壓下穩(wěn)定運行，因此，該種變壓器在設(shè)計時采用降磁密、降電密和 高、低壓線圈間加屏蔽的特殊處理方法。四、干式勵磁變的幾個重要參數(shù)淺析1、繞組絕緣結(jié)構(gòu)干式勵磁變壓器繞組絕緣結(jié)構(gòu)

6、有兩種型式：澆注式和纏繞式。 澆注式樹脂絕緣干式變壓器的高壓繞組用樹脂澆注， 低壓繞組端 部用樹脂封裝。澆注式樹脂絕緣干式變壓器廣泛用于配電變壓器。纏繞式繞組屬新一代產(chǎn)品， 低壓繞組用鋁箔或銅箔， 高壓繞組用 銅線繞制，繞組外部用玻璃纖維并在真空中注入樹脂加以密封， 使高、 低壓繞組成為一體。 由表 1 可看出：玻璃纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料配 合，其機械強度最正確，其膨脹系數(shù)與銅線相接近，為此由玻璃纖維與 環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合絕緣材料的銅導(dǎo)線構(gòu)成的纏繞式繞組， 具有明顯 的抗沖擊、 抗溫度變化和抗裂性能， 最能滿足勵磁變壓器的特殊的運 行要求。2、絕緣等級及溫升 勵磁變壓器中涉及溫升的部件有：繞組

7、、鐵心及附加緊固件。由 于勵磁變壓器工作電流除基波外還含有大量的高次諧波分量， 從而產(chǎn) 生的總損耗遠遠大于基波工頻電流產(chǎn)生的總損耗。 如果通過加大勵磁 變壓器額定容量的方法來克服這個溫升升高問題， 會導(dǎo)致勵磁變的額 定電流、阻抗電壓等電氣參數(shù)與整個系統(tǒng)的額定工作點不匹配， 對系 統(tǒng)產(chǎn)生不良影響， 因此以長期工作負載時的基波損耗加上高次諧波電流所產(chǎn)生的附加損耗作為勵磁變壓器溫升試驗損耗，并以此為依據(jù)進行溫升設(shè)計。普通干式變壓器的絕緣等級的溫升按 IEC 7261982標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：變壓器的部件絕緣尊級溫升限値(K)測量方法繞組80電阻法100125鐵芯不超過絕緣材料的 允許溫升溫度計法表2 變

8、壓器的溫升極限確定勵磁變壓器溫升極限時，可按采用絕緣等級降低一級溫升標(biāo) 準(zhǔn)，以抵消如前所說附加的渦流損耗和雜散損耗造成的溫升升高，對于F級絕緣的勵磁變壓器，在綜合考慮以上因素后確定溫升限值不超 過80&3、磁密由于勵磁變壓器鐵芯中會產(chǎn)生高次諧波磁通，從而使鐵心很容易 過激磁而到達飽和，并且在啟動瞬間磁密相對較高，勵磁變壓器鐵芯 的磁密選取要比一般的干式變壓器低，通常在 1.5T左右。4、額定容量及額定電壓勵磁變壓器的額定容量取決于勵磁系統(tǒng)應(yīng)提供的直流額定功率 值，對于凌津灘電廠的機組自勵系統(tǒng)來說， 勵磁變一次電壓與發(fā)電機 端電壓相同，二次電壓由勵磁系統(tǒng)的頂值電壓決定， 二次電流由發(fā)電機勵磁繞組

9、的最大持續(xù)電流決定， 由下式可簡單地估算勵磁變壓器的 額定功率值：( 式中 U 為勵磁系統(tǒng)頂值電壓， I 為發(fā)電機最大持續(xù)電流值 )5、操作過電壓保護由于勵磁變壓器的繞組間存在寄生電容， 為此當(dāng)勵磁變壓器的電 源投入或切出以及外部過電壓均會在變壓器中產(chǎn)生交流過電壓。 對于 合閘引起的過電壓，假定C1為一次和二次繞組間的寄生電容，C2為 二次繞組對鐵芯之間的電容，在合閘瞬間由C1和C2電容構(gòu)成的充電 電路引起位移電荷，由此一次傳到二次側(cè)的過電壓為：U2= U1C1/(C1+C2)因此變壓器容量越大，一次電壓越高合閘引起的過電壓越嚴重。 為限制此操作過電壓， 解決的措施是在一次和二次繞組之間加一隔

10、離 屏蔽層，屏蔽線圈經(jīng)銅帶接地， 屏蔽層與鐵芯相連形成另一對地電容 C3,此時的過電壓倍數(shù)將減少到：U2= U1C1/(C1+C2+C3)同時，在高、低壓線圈之間加繞屏蔽線圈，可有效地減少高、低 壓線圈之間的高次諧波影響，增加勵磁變壓器的過載能力。五、勵磁變裂紋的最終處理方案綜合考慮以上因素， 凌津灘水電廠勵磁變壓器裂紋的最終處理方 案為：購置一臺新變壓器， 滾動更換三臺勵磁變壓器高壓線圈，最后 修復(fù)的一臺勵磁變壓器留做備用，以防其他機組發(fā)生同類事件。其中購置的一臺新勵磁變壓器采用了 ABB先進的纏繞式繞組工 藝，低壓線圈采用銅箔繞制，高壓線圈采用銅導(dǎo)線繞制，絕緣系統(tǒng)由 玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成

11、，高、低壓繞組之間加靜電屏蔽網(wǎng)，屏蔽線 圈經(jīng)銅帶接地，F(xiàn)級絕緣，溫升為80K阻抗電壓W 6%, IP20防護, 強迫風(fēng)冷，其他參數(shù)根本與原勵磁變相同。修理的三臺勵磁變壓器僅更換高壓線圈, 在工廠將原高壓線圈拆 下并進行解剖,根據(jù)解剖參數(shù)重新制作高壓線圈,材料采用窄銅箔, 線圈內(nèi)外均用玻璃纖維網(wǎng)加強, 同樣在高、 低壓繞組之間加靜電屏蔽 網(wǎng)，屏蔽線圈經(jīng)銅帶接地，F(xiàn)級絕緣，溫升為80K阻抗電壓W 6%, IP20 防護。勵磁變壓器安裝：1、安裝前認真閱讀說明書,產(chǎn)品銘牌和產(chǎn)品外形尺寸圖,了解 產(chǎn)品重量、安裝方法等內(nèi)容,準(zhǔn)備好相應(yīng)的起吊設(shè)備和工具。2、變壓器帶電導(dǎo)體與地的最小平安距離應(yīng)符合 GB10

12、237?電力變壓器絕緣水平和絕緣試驗外絕緣的空氣間隙?的規(guī)定。3、勵磁變壓器主體安裝勵磁變在戶內(nèi)安裝時，應(yīng)離開墻壁和其它障礙物300mn的距離。用自制起吊架按以上方法吊起變壓器, 卸下變壓器小車輪即可直接放 置在使用場地安裝。根底槽鋼有明顯接地,可靠地與接地網(wǎng)連接。調(diào) 整變壓器的安裝位置、 水平度、 垂直度符合圖紙設(shè)計尺寸和廠家安裝 說明書的要求。 變壓器就位調(diào)整時應(yīng)確保其上下壓側(cè)連接的高度和中 心符合要求。 勵磁變壓器就位調(diào)整好后, 將其底座與根底槽鋼點焊或 用螺栓連接方式固定。4、勵磁變壓器外殼安裝 外殼底部應(yīng)與變壓器底部卸掉小車輪在同一水平面上,主體與外殼之間的相對位置滿足廠家要求。變壓

13、器高、低壓兩側(cè)均采用下部進線方式,外殼上配有電纜卡,于固疋進線電纜低壓電纜下岀線咼壓電纜下進線電纜卡5、安裝時，電連接部位螺栓擰力矩分別為:螺栓規(guī)格螺栓力矩N.mM8M10M12M16新購置和修理的變壓器都需經(jīng)全部出廠試驗考核，主要試驗工程有：局放試驗、感應(yīng)耐壓試驗、外施工頻耐壓試驗、線圈各分接位置 直流電阻測量、電壓比試驗及連接組標(biāo)號校定、 空載損耗及空載電流 測量、阻抗電壓及負載損耗測量。運行前的主要檢查工程包括：檢查所有的緊固件、連接件、標(biāo)準(zhǔn)件是否松動，并重新緊固一次;檢查運輸時拆卸的零部件安裝是否妥當(dāng)，并檢查變壓器是否有異物存 在；檢查風(fēng)機、 溫控設(shè)備以及其它輔助器件能否正常運行；檢查變壓 器的箱體和鐵芯裝配是否可靠接地； 仔細檢查在安裝過程中有無金屬 或非金屬異物掉入變壓器中。六、處理情況及處理后的運行效果2006年 11 月份，凌津灘電廠完成了 8機組勵磁變壓器的更換工 作。首臺勵磁變壓器更換后， 機組一次啟動成功， 勵磁系統(tǒng)運行穩(wěn)定， 即使在機組滿負荷出力情況下， 勵磁變壓器的溫升均保持在冷卻風(fēng)扇 啟動溫度設(shè)定值以下。對后續(xù)三臺勵磁變壓器的滾動修理工作也于 2007年 3 月份全部完成。經(jīng)過近三年的運行檢測