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超高压变压器
阅读:657时间:2018-01-29 10:23:47

变压器是发电厂和变电站的重要设备,对于电力供电质量、电力系统运行稳定性有着重要的影响,超高压变压器造价高、运行责任重大,因而强化对其故障处理的研究极其重要。

技术体系

  超高压变压器的设计与制造,依赖于完善的技术体系作为变压器可靠性与经济性的保彰。否则,变压器的设计与制造过程,若无规可循、无据可依,而过度依赖个别人员的设计与制造经验,则将直接导致大型变压器的设计质量与制造质量存在各种隐患,变压器的可靠性与经济性无从谈起,可能造成企业巨大经济损失并严重削弱市场竞争力。符合当代西方超高压变压器设计及制造技术理念的完整技术体系应由以下要素构成:
  一、全套电力变压器设计手册,电压等级涵盖35kV~220(500)kV、容量420000kVA及以下,包括但不限于:
  (1)电磁计算手册;本手册指导所有双圈及三圈、有载及无载、自耦及非自耦变压器的电磁计算,包括空载损耗、负载损耗、阻抗、温升等主要参数;
  (2)线圈设计手册;本手册指导电压等级220kV及以下的所有典型线圈结构设计;
  (3)绝缘设计手册;本手册指导电压等级220kV及以下的所有典型器身绝缘的结构设计;
  (4)铁芯设计手册;本手册指导典型铁芯(单相或三相、三柱或五柱)及夹件的结构设计;
  (5)引线设计手册;本手册指导电压等级220kV及以下的所有典型引线绝缘的结构设计;
  (6)油箱设计手册;本手册指导所有典型油箱及升高座等外部钢结构件的结构设计;
  (7)外装设计手册;本手册指导所有外部装配的结构设计;
  二、变压器设计系列软件,包括但不限于:
  (1)《大型油浸式变压器优化设计软件》;在设定技术参数要求值、现行主材价格的前提下,根据数据库中的铁芯及导线数据,快速计算输出满足性能要求的成本最优化的基本设计方案,必须涵盖电压等级220kV及以下、双圈及三圈、有载及无载、自耦及非自耦的电力变压器。
  (2)《雷电冲击波过程计算软件》;模拟变压器在雷电全波冲击、截波冲击电压作用下线圈各点的对地电位分布及线圈段间电位分布,以此作为电气设计时校验线圈间主绝缘、线圈纵绝以及有载开关的主、纵绝缘安全裕度的计算依据。
  (3)《负载损耗计算软件》;准确地计算出大型变压器的负载损耗;该程序应可将线圈间安匝分布不平衡而引起的横向漏抗引起的附加涡流损耗亦考虑在内,根据已知的线圈间的轴向电抗和横向电抗,计算出线圈的每一个线饼的轴向涡流百分数和横向涡流百分数,从而达到较为准确地计算大型变压器负载损耗的目的。
  (4)《阻抗计算软件》;准确地计算出大型变压器的阻抗电压;该程序应可将线圈间安匝分布不平衡而引起的横向漏抗以及端部漏磁弯曲效应考虑在内,根据变压器的磁势平衡方程式,计算出多线圈变压器在各分接下的轴向电抗和横向电抗,这对于阻抗允许偏差较小的大型变压器有重要意义。
  (5)《短路机械力计算软件》;根据变压器线圈的安匝分布,计算出在系统容量无穷大的最严格情况下的各线圈所有线段受力状况,包括轴向机械力、辐向机械力、内线圈向内弯曲应力、外线圈向外拉伸应力、垫块压缩应力、端部导线应力、线段侧倒力以及螺旋式线圈的反弹力等等,这些数据为提高变压器抗短路能力提供了可靠的理论依据。
  (6)《漏磁通计算软件》;根据变压器线圈的安匝分布,计算出变压器内部金属结构件(铁心拉板、夹件)及变压器油箱各点的漏磁通量,由此求出夹件、拉板和油箱的最大温升;针对结构件中温升数据,确定是否需要采取油箱磁屏蔽、夹件磁屏蔽、拉板开隔磁槽以及使用低磁钢板制作结构件等措施,以防止结构件的局部过热,同时降低变压器的杂散损耗。
  (7)《铁心截面分割计算软件》;根据指定的铁芯硅钢片的单位损耗参数,在设定铁心在110%过励磁情形下的铁心内部容许温升和表面容许温升后,计算出满足温升条件的合理的铁心截面分割;尤其在计算铁芯设计手册指定形状和直径以外的非标准铁芯直径尺寸和形状时相当必要。
  (8)《循环油流计算软件》,分别计算出自然油循环下及强迫油循环下各线圈的油流量分配、水平油道流速、线圈内外侧垂直油道的流速、线圈对油的平均温升。根据温升计算结果,调整冷却器数量、导向挡油板数量、导油孔大小及数量、线圈内外侧垂直油道宽度、水平油道大小,以满足线圈温升的要求;另外,出于抑制油流带电的需要,控制各处油流速度在许可的范围内。这对于特大容量及超高压变压器很有必要。
  (9)《INFOLYTICA专业电磁场仿真软件》;MagNet是Infolytica公司开发的2D和3D低频电磁仿真分析工程软件。MagNet采用有限元法,这个方法经过Infolytica软件研发人员的不断完善和增强,可以精确和快速地对2D和3D电磁模型进行建模和计算,并通过完善的后处理,方便的提供给设计者所需要的数据和图表。MagNet强大的参数化功能和脚本语言,使MagNet成为工程师对设计模型建模和优化的最佳工具。结合ElecNet、ThermNet系列软件,对变压器的复杂电场、磁场、温度场进行全面仿真,输出所需的损耗、阻抗、温升等数据;这样可以减少由于设计参数的变化带来的样机制作与试验过程,大大减少了产品的研发周期,降低研发成本。
  三、变压器制造作业指导书(工作规范书)
  “作业指导书”,相当于国内变压器企业惯有的“技术条件”的升级版,它比技术条件更加详尽、指导性强;作为控制工序质量的主要依据,规范现场操作,保证质量;在吸收行业新技术、新材料、新设备、新工艺等先进实用成果的基础上,结合技术发展与实践经验进行编撰,可详尽指导制造现场的每一步操作。它可使新手尽快掌握各个工序步骤的标准作业细节。在日本东芝技术体系中,“作业指导书”之外还另有“工作规范书”,“工作规范书”通常叙述适用对象、材料、制作简要过程、质量标准,而“作业指导书”则详细描述适用对象、配套工装设备、材料、工艺准备、分步骤的操作过程、检验方法及注意事项,它是根据工作规范书的要求具体指导操作过程,相当于手把手地演示零部件制作过程或工艺流程。
  四、通用图图库
  通用图,即把不同规格、容量变压器产品所常用、共用的零部件以固定代号的图样绘出,以便在设计中引用;因为即便大型变压器规格千差万别,但仍有许多零部件的规格是一致或相仿的,例如升高座、压力释放阀、法兰、端圈、密封垫、静电板、撑条、角环、连接管等等,至少是形状相同,所不同者仅为个别参数(长度、宽度、内外径等),因此只需在通用图中引入些许变量参数即可定义该零件。建立尽可能完善的通用图库的益处是,减少出图工作量,减少设计差错和制造差错,并且有利于零部件的库存管理和提高生产效率。因此,国内传统变压器大型厂家都建有完备的通用图库,并随着产品结构升级和技术更新持续补充。
  五、工序质量管理WSS体系
  WSS体系:指把从原材料,零部件进货后的入厂检验到产品完成的整个过程分成细致的作业工序(工作站:WS),在每个工作站设定了所需的检查,并加以实施,只有通过检查合格的产品才能移交下一个工作站,最终生产出令人满意的产品的系统;基于大型油浸式电力变压器的制造流程,根据设计图样要求的质量,把变压器制作全过程划分为适当的工序,确定工序作业内容、作业方法、判断标准、质量控制记录,明确各工序的检验项目、自检、互检、专检点设立,上下工序间相互传递有据可查,具有可追溯性。分别编制油箱制作、铁心制作、线圈制作、线圈整体绝缘装配、变压器器身装配、变压器总装配WSS体系图。
  六、试验指导书及检验
  试验指导书,指包括检验试验的内容、顺序、注意事项、结果的判定方法、判定标准在内的操作程序写成的指导书;指导变压器的出厂试验、型式试验及特殊试验的作业规范;检验表,指对每个工序能明确表示出“谁应该检验什么?”,能记入检验结果并盖章,并能简单地判定优劣的检验表。检验表用于对油浸式变压器全部制造流程的所有工序控制点进行记录及检验。
  七、材料及组部件采购规范书
  明确采购物品的技术要求,确保采购物品质量符合规定要求;采购规范书应明确材料及组部件的适用范围和技术要求(包括性能参数、使用条件、外形及安装尺寸、外观要求及验收标准)。本规范作为采购部门订购及验收材料、组部件的技术依据。

故障处理

  变压器是电力系统的心脏,做好变压器的维护、检修对于保障电力系统的运行稳定及其重要。如今我国电力系统正在朝着超高压、大容量的方向不断发展,电力供电网络的覆盖面和容量逐渐增加,使得变压器也逐渐向着超高压、大容量的方向发展。然而变压器的等级越高,发生故障的几率就越大,变压器运行故障所造成的危害也越大,因而做好超高变压器的故障分析、维护修复以及日常管理对于促进电力系统稳定性安全性的提升有着重要的意义。
  超高压变压器常见故障原因分析
  超高压变压器故障原因往往较为复杂,要对变压器故障进行准确诊断就要首先认识变压器常见故障原因:
  1、线路干扰
  线路干扰也称线路涌流,是造成变压器故障最常见的原因,一般是由合闸过电压、电压峰值、线路故障、闪络以及其他输配方面的异常造成的。
  2、绝缘老化
  据统计,绝缘老化是造成变压器故障第二位的原因,绝缘老化会大大缩短变压器的使用寿命,并向造成变压器故障,资料显示绝缘老化会将使用寿命在35~40年的变压器平均缩短到20年。
  3、过载
  过载指的是变压器长期在处于超过铭牌功率的状态下工作,这种情况常常发生在发电厂和用电部门,且随着过负荷运行时间的增长,绝缘温度会逐渐升高,这加速了绝缘部件的老化,绝缘部分老化、强度降低,就容易因外部冲击而破损,从而造成变压器故障。
  4、安装不当
  保护设备选择不当以及安全操作不规范都会造成变压器故障隐患,一般来说因避雷设备选择不当、保护继电器及断路器安装不当而造成的变压器故障较为常见。
  5、维护不当
  日常维护不当造成的超高变压器故障并不在少数,例如维护不当造成变压器受潮;潜油泵检修不及时造成铜末混入变压器,在负压区吸入空气;接线错误;连接处松动、发热;分接开关接触不到位等等。
  6、制造不良
  尽管因工艺质量差而造成的超高变压器故障仅占少数,但因此种原因而造成的故障往往较为严重,危害较大。例如线端松动、垫块松动、焊接不良、抗短路强度过低等,一般都是因设计缺陷或制造不良而造成的。
  超高变压器故障的判定与处理
  1、故障情况
  某变压器额定电压为(345±8)×1.25kV/121kV/35kV,额定容量为240MVA/240MVA/72MVA,主变压器以往运行情况稳定。某日对该主变压器进行例行油色谱分析,发现该主变压器本体绝缘油中乙炔含量为2.3μl/l,于是在当天下午和晚上两次分别取样化验确认该相变压器本体油的乙炔增长过快并表明在该变压器内部存有放电现象,遂于次日凌晨左右将主变压器停运。
  2、现场处理
  为了确定变压器故障性质及放电部位进行了如下分析:
  1)脉冲电流法,通过脉冲电流测试发现,随着试验电压的升高和试验时间的增长,该变压器局部放电的电量显著增长。放电起始电压和熄灭电压随着试验进行逐渐降低;
  2)局部放电图谱测量。通过对所得波形图谱进行分析,可判定变压器的放电部位在绕组内部;
  3)局部放电超声定位。通过几次局部放电超声定位试验,传感器在电压较高是采集到个别微弱且极不稳定的超声波信号,这再次证明放电部位应位于绕组内部;
  4)油色谱试验。局部放电试验后乙炔体积分数上升至231.44×10-6表明该变压器在局部放电试验过程中其内部存在较强烈的电弧放电。
  3、故障原因分析
  根据现场分析,认为造成放电故障的原因有以下几点:
  1)绝缘纸板。绝缘纸板的加工有一定的分散性,因而绝缘纸板存在一定的质量缺陷,使用过程中改变了电场分布;
  2)调压线圈静电屏绝缘裕度不足。曲率半径太小,均压效果不理想,从而引发该位置放电击穿;
  3)日常维护不彻底。设备受潮,海绵等遗留杂物也是造成放电故障的原因之一。
  变压器的修复
  为了排除放电故障采取了以下维修措施:
  1)对损坏和老化的绝缘部件进行了更换,对低压线圈和调压线圈的击穿点进行了修补,从而提升了该处的绝缘强度,避免放电引起击穿,同时,考虑到主绝缘在击穿过程中也受到一定的损坏,因而更换了低压线圈和调压线圈之间的所有主绝缘;
  2)将静电屏的等位扎带拆开,将突出的菱角处理掉,同时增大转角的曲率半径并包扎绝缘,以此措施降低场强;
  3)按照330kV变压器的工艺要求对变压器的机身进行了彻底的真空浸油和没有起相干燥处理,该工艺执行过程中严格按规定操作,从而有效控制绝缘件的含水量,此外恢复使用前还要进行局部放电试验,合格后方可充电运行。除此之外,为了避免放电故障的在再发生,应强化变压器的日常维护管理工作,经常进行油色谱试验,及时发现故障并掌握其具体情况,发现故障时综合运用多种技术手段判断故障位置和情况并及时采取修复措施。
  综上所述,超高压变压器的故障成因较为复杂,应在现场处理过程中运用多种技术手段进行故障判定,并详细分析故障成因,而值得注意的是,超高变压器造价昂贵、维修难度较大,为了避免故障应做好日常维护和管理,降低故障发生的几率。

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