35KV变电站站用变爆炸原因分析与解决方案的研究

2019-07-10 01:07:15 活力 2019年6期

马军辉

[摘要]变电站站用变是变电站的各种用电设备的电源,当其出现故障必然会给变电站的各种设备的正常运行带来各种安全隐患。文章运用理论分析了导致35KV变电站站用变爆炸的原因,并提出了相应的解决方案。

[关键词]站用变;爆炸原因;解决方案

引言

某单位35KV变电站备用站用变在2016年8月份突然出现爆炸。经过现场勘查发现,爆炸站用变的B相电源出现炸裂。站用变是变电站配电设备中较为重要的设备,它不仅是变电站照明、通风、冷却、消防等设备的电源,而且还是配电设备控制电源的主要来源。当站用变出现故障不仅会给变电站的各项工作带来较大的麻烦,而且还给变电站内的各项工作带来较为严重的影响。

一、35KV站用变简介

35KV站用变是变电站照明、冷却、通风以及变压器有载调压和变压器的冷却风机提供电源,而且还是变电站配电设备直流屏的供电电源,其能否可靠运行对于整个变电站来说是至关重要的。

35KV变电站站用变是额定电压为35KV/0.4KV三相树脂浇注型干式变压器。如图1所示。

变压器的绕组采用的是心式结构,其高压、低压绕组均做成圆筒形,同心地套在铁芯柱上。为了便于绝缘,低压绕组靠近铁芯,高压绕组套在低压绕组的外面,在高低压绕组间采用树脂浇筑进行绝缘。某单位所爆炸的备用站用变始终处于热备用状态,在热备用状态时其一次侧只有励磁电流存在,二次侧处于空载运行状态。

二、站用变爆炸原因分析

(一)什么是爆炸

为了分析站用变爆炸,我们首先了解什么是爆炸。爆炸就是指物质非常迅速的化学或物理变化过程,在变化过程里迅速地释放出巨大的热量并生成大量的气体,此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内,所以会产生较大压强。此较大压强会对周围的物体产生较大的压力。当压力大于周围物体所承受的压力时,就会产生爆炸。

(二)站用变爆炸原因

经过现场勘查爆炸站用变,发现爆炸站用变的B相一次侧与二次侧出现相间绝缘击穿而引起的短路故障,进而导致站用变出现爆炸。当站用变高压侧与低压侧出现绝缘击穿短路时会产生放电现象,在放电过程中会伴有发光、放热现象的产生。在放电过程中产生的高温能量会导致绝缘树脂分解产生大量气体,当产生的气体较多、且在封闭的树脂有限体积内会产生较大压强,当气体压强超过树脂的耐压限度时,就会引起所用变树脂绝缘层出现炸裂,也就是站用变出现了爆炸。由以上分析可以看出引起站用变爆炸的主要原因是站用变的高压侧与低压侧间树脂绝缘的击穿。导致树脂绝缘的击穿通常有三个原因:树脂性能的变化,导致的耐压不足引起的树脂绝缘的击穿;电压高引起的树脂绝缘的击穿;树脂在浇筑过程中内部出现工艺问题,导致的树脂耐压不足而引起的击穿。

树脂性能的变化,主要是指树脂长期处于高温环境中时引起的树脂分子结构的变化。当树脂分子在裂解过程中会释放出气体和其他绝缘性能较低的物质。此时当站用变加上额定电压时就会引起高压侧与低压侧间的树脂绝缘的击穿,随着故障的发展最后导致站用变发生爆炸。

外电电压高引起的树脂绝击穿可能性通常是比较小的,由于树脂具有较高的强绝缘性能,在设计变压器的绝缘时,通常设计的树脂绝缘是远远大于变压器的额定电压的,只要外电电压不是太大,一般是不会引起树脂绝缘击穿的。

树脂在浇筑过程中内部出现工艺问题,引起的树脂耐压不足,而引起的绝缘的击穿,例如树脂在浇筑过程中内部有气泡产生,由于气泡的介电常数远远小于树脂的介电常数,从而导致树脂绝缘的耐压不足而引起的绝缘的击穿。这只有通过改善变压器的树脂浇筑工艺而来改善。

下面主要对由于温度原因而导致的树脂绝缘性能的降低来进行分析。

三、空载运行变压器热损耗影响因素

变压器空载运行就是指变压器的一次绕组接交流电源,二次绕组开路、电流为零的状态,就叫作变压器的空载运行。

在空载运行的变压器中通常存在一次绕组的电阻性损耗、铁芯中存在的涡流损耗与磁滞损耗等三种热损耗。这三种热损耗是影响变压器树脂绝缘断降低的根本原因。

(一)一次绕组中的电阻性损耗

变压器的一次绕组线圈,在导线截面积、绕组线圈导线

总长度一定的情况下,其电阻值是固定不变的,可根据电阻

的计算公式R=p(1/S)式(1)

在式(1)中,R:为绕组导线的电阻;

ρ:为绕组导线的电阻率,在温度变化范围不大的情况下,可看成定值;

l:为绕组导线的长度;

S:为导线的截面积。

根据电阻的热损耗公式,那么绕组线圈的热损耗功率为

式(2)中的电流I为流过变压器一次绕组的励磁电流,

由式(2)可以看出,流经一次绕组线圈的热损耗功率与励磁电流I的平方成正比,即励磁电流越大,一次侧的绕组线圈的热损耗功率越大。

(二)铁芯中的涡流损耗

为了分析方便我们假设变压器没有漏磁通,即磁通全部通过变压器的铁芯。

当交变磁场通过变压器的铁芯时,根据电磁感应定律,此时会在变压器的铁芯中产生感应电动势。由于铁芯材料是由导体构成的,导体在感应电动势的作用下,会产生环绕磁通作涡旋状流动的电流,我们称之为涡流。由涡流引起的损耗我们称之为涡流損耗。

变压器铁芯中硅钢片的涡流损耗可用式(3)表示。

在式(3)中,

ρ:硅钢片的电阻率;

f:为交变磁通的频率;

Bm:为交变磁感应强度最大值;

a:为硅钢片的厚度;

V:为硅钢片的体积。

由式(3)可以看出,在变压器铁芯硅钢片材料确定,硅钢片结构以及交变磁场频率固定的情况下,铁芯中的涡流损耗PW只跟通过变压器铁芯的最大磁感应强度Bm有关。通过铁芯的磁感应强度越大,那么由式(3)可以看出,通过铁芯硅钢片的涡流损耗也就越大。

(三)铁芯中的磁滞损耗

当铁磁材料处于交变磁场中时,由于磁感应强度跟不上磁场强度变化而滞后的现象,称之为磁滞现象。铁磁材料在处于交变磁场中时,由于铁磁材料中的磁畴在随外界磁场变化过程中,磁畴壁相互间会不停地摩擦而消耗能量,我们把这种损耗称之为磁滞损耗。

变压器铁芯中的磁滞损耗,可用式(4)来表示。

在式(4)中,C:为磁滞损耗系数,其大小取决于材料的性质;VT:为变压器铁芯的体积;对于一般的硅钢片来说n的取值范围通常为1.6~2.3。

由式(4)可以看出,在铁芯材料、体积以及通过铁芯交变磁场频率确定的情况下,铁芯的磁滞损耗PC通常与交变磁感应强度最大值有关系。通过变压器铁芯的磁感应强度最大值越大,其磁滞损耗也越大。

(四)磁化电流与磁感应强度的关系

通过式(3)与式(4)可以看出,涡流损耗与磁滞损耗都与通过变压器铁芯的最大磁感应强度Bm都有直接关系。那么磁感应B与空载变压器的励磁电流I又存在何种关系,下面进行简单分析。

为了是问题分析简化,现用单芯变压器进行分析,且没有漏磁通。假设变压器的一次绕组的长度为L,匝数为N,通过一次绕组的励磁电流为I,那么根据安倍环路定律,可以计算出磁场强度H为:

那么通过变压器铁芯的磁感应强度为:

在式(6)中,μo:为真空的磁导率;

μr:为铁磁材料的相对磁导率;

μ:為磁介质的磁导率。

由式(6)可以看出,磁感应强度B与励磁电流I,有较大关系,当励磁电流I变化时,磁感应强度B也会发生变化。

(五)影响励磁电流的因素

由式(2)、式(3)、式(4)、式(6)可以看出,影响空载变压器热损耗的因素主要是,由励磁电流I决定的。通常当励磁电流增大时,一次绕组线圈的电阻性损耗、涡流损耗、磁滞损耗等都会相应增大。下面对影响励磁电流的原因进行分析。为了分析问题简单,我们假设在整个磁路中没有漏磁通且铁磁材料的磁化曲线处于线性范围,那么这时的磁介质的磁导率为常数。

变压器空载运行时,我们可以将变压器的一次侧等效为一个电阻与一个电感相串联的电路,如图2所示。

那么流过励磁线圈的电流为

在式(7)中,

U:变压器一次侧的电压;

Z:变压器一次侧的等效阻抗;

L:一次侧的等效电感;

R:一次侧等效电阻。

根据以上假设,等效电阻R以及等效电感L都是固定

、不变的。即等效阻抗Z也为定值,那么影响励磁电流大小的因素只跟变压器的一次侧的电源电压U有关系。当外电电压U增大时,励磁电流I也会随之增大。根据实际工作观察,当外电电压增大时,励磁电流也会随之增大,但并不是线性关系。在这里面我们不考虑变压器磁路系统出现故障而导致的励磁电流变化的因素,在整个分析过程中,我们都假设整个磁路系统是处于正常运行、完好状态。

由以上分析可知,导致流过线圈励磁电流变化的因素,

主要就是外电变化而引起的。

四、站用变爆炸解决方案

(一)站用变输入电源的选择

经过近一段时间的观察,发现备用站用变电源电压极不稳定,在白天时电源电压通常在37KV左右,且较为稳定。但是到了半夜至天亮这段时间备用电源的电压变化范围较大,经常处于39KV左右,有时甚至达到了40KV。这大大超过了备用站用变的额定输入电压。

当变压器处于空载状态运行时,外电的稍微增大,都会容易使变压器的铁芯处于磁饱和状态。当变压器的铁芯处于磁饱和状态时,此时的磁感应强度也会处于较大值,从而会导致变压器的磁滞损耗与涡流损耗也会同时增大。这样就会导致变压器的发热会增大,进而会引起变压器的温度升高较大。当变压器的温度较高时,不仅会降低树脂绝缘的绝缘性能,而且会加速树脂的老化失效速度。另外当变压器的输入电压较高时也比较容易导致树脂绝缘的击穿。

当空载变压器输入电源的电压较大时,流过变压器一次侧的励磁电流通常也会较大,这也会导致流过线圈的热损耗增大,这也会导致变压器温度升高。所以在选择站用变的电源时,要选择外电较为稳定的电源,且输入电源的电压值不能太大,这是解决所用变爆炸的主要原因。

(二)加强站用变温度的监测

在实际工作中,我们经常用到的站用变,没有温度监测装置,而且由于站用变大都装设在封闭的箱体中,即使我们用测温仪也不容易测得变压器铁芯的温度。这给我们巡视、维护工作带来了较大困难。当加装上温度监测装置后,我们不仅可以实时的了解站用变的温度,而且还可以确保站用变的运行安全。

(三)增加站用变冷却通风装置

变电站的站用变大多都装设在箱体中,通常采用自然冷却方式。在夏季外界温度较高时,站用变的温度通常也是比较高的。当站用变温度高时不仅会降低站用变树脂的绝缘性能,而且还会加快树脂绝缘老化失效速度。由以上简单分析可以看出,给变电站的站用变加装冷却通风系统是十分必要的。

另外除了以上分析的三种解决方案以外,还可以采用将备用站用变退出热备用状态,这样也可以延缓站用变树脂绝缘的老化失效速度。其次在检修站用变时要注意及时清除树脂绝绝缘层与铁芯夹缝间的灰尘,确保站用变冷却通道畅通,以利于站用变有良好的散热效果。

结语

文章以某单位备用站用变爆炸为例,运用热损耗理论,分析了因温度导致站用变树脂绝缘老化击穿的因素,并提出了站用变爆炸的多种解决方案。这不仅提高了变电站站用变的使用寿命与运行可靠性,而且还保障了变电站值班维护人员的人身安全。

参考文献:

[1]陈世元.电机学(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2015.

[2]赵凯华,陈熙谋.电磁学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2011.

[3]刘慧娟.电机学[M].北京:北京交通大学出版社,2012.


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