风电场箱式变压器铁芯发热故障分析

摘要：箱式变压器是风电场进行能量传递的重要设备，针对某风电场箱式变压器铁芯发热故障，对故障变压器开展优化分析、现场拆解，找到了引起发热的故障点。通过分析确定箱式变压器制造工艺存在缺陷，进一步明确了优化改进措施。

关键词：风电场；箱式变压器；铁芯发热；故障分析

铁芯作为变压器的核心部件，正常运行时会产生一定热量，但当出现故障导致异常发热时，不仅降低变压器效率和性能，严重时还会引发火灾，造成重大经济损失和安全事故。因此，深入分析风电场箱式变压器铁芯发热故障具有重要现实意义。

1铁芯发热对变压器性能的影响

1.1 降低变压器效率

铁芯发热会使铁芯损耗增加，包括磁滞损耗和涡流损耗。这些额外损耗转化为热能，使变压器输出功率降低，效率下降。根据变压器能量守恒定律，输入功率等于输出功率与各种损耗之和，铁芯发热导致损耗增大，在输入功率不变的情况下，输出功率必然减少，影响风电场发电效率。

1.2 影响变压器寿命

长期过热会加速变压器内部绝缘材料老化，降低绝缘性能，缩短变压器使用寿命。绝缘老化后，变压器更容易发生短路、击穿等故障，增加维修成本和停电时间。研究表明，变压器运行温度每升高6℃，其使用寿命将缩短一半。因此，有效控制铁芯发热对延长变压器寿命至关重要。

1.3 引发安全隐患

当铁芯发热严重且未及时处理时，可能引发变压器内部火灾，威胁风电场人员和设备安全。高温还可能导致变压器油分解产生可燃性气体，进一步加剧火灾风险。此外，铁芯过热可能使变压器部件变形，影响其正常运行，甚至引发电网故障，对整个电力系统的稳定性造成影响。

2 铁芯发热的原因

2.1 铁芯存在多点接地的情况

铁芯多点接地主要是铁芯碰壳、碰夹件， 铁芯的绝缘受潮或损伤， 其他异物搭接造成铁芯接地。铁芯多点接地时， 铁芯内部有环流， 其值与铁芯正常接地点和其他接地点的位置有关， 两者距离越远， 其产生的磁通越多， 环流也越大;相反则越小。此外， 环流也与金属接地或高阻接地也有关。由于铁芯内部绝缘， 其自身也存在电阻， 因此当有环流时会造成铁芯发热。当多点接地且长时间未处理， 变压器连续运行， 铁芯不正常的发热将会影响铁芯内部绝缘， 进而引起更大的铁芯过热， 铁芯将烧毁， 严重时甚至使变压器发生事故。

2.2 铁芯质量及内部绝缘问题

有些变压器故障是由铁芯质量问题造成的， 有些不良厂家使用再生硅钢片或质量问题硅钢片， 导致铁芯磁密度不够， 容易饱和， 运行过程中铁芯发热， 从而影响变压器的稳定运行。铁芯内部绝缘破坏， 容易引起铁芯涡流， 导磁率降低， 铁芯也因此会造成局部发热。

2.3 电压质量不达标

在电力主网中， 电压随时波动， 有些线路长度过长， 为了满足末端电压正常运行， 往往采取调高出口电压的措施， 这就造成了近电源侧的设备电压会维持在较高的水平。变压器在电压过高的情况下运行时， 铁芯磁密度过高， 处于过励磁， 使铁芯严重饱和， 铁芯及金属夹件因漏磁增大而产生高温， 严重时将损坏变压器绝缘并使构件局部变形， 缩短变压器的使用寿命。

2.4 温控系统故障

干式变压器绕组及铁芯封闭在箱壳内， 变压器线圈绕组及铁芯与油浸式变压器不同， 裸露在空气中， 通过温控系统调节空气流动来进行对绕组及铁芯本体的散热。运行中的变压器会产生一定的铜损和铁损， 主要表现为变压器绕组和铁芯的发热， 这种发热是伴随着变压器的运行而存在的， 是不间断的， 因此温控系统必须实时进行温度管控。一旦温控系统故障， 铁芯和绕组的发热就会持续， 导致铁芯和绕组过热， 最终影响变压器正常运行。此外运行环境恶劣， 堵塞散热排风口， 铁芯绕组间异物堵塞也将影响散热。

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AN-SYS MAXWELL建立简化二维轴对称涡流场分析模型，其中铁芯采用层叠硅钢片，高、低压线圈为铜导体。

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。

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。

4风电场箱式变压器铁芯发热故障防治措施

4.1 加强定期检测与维护

建立完善的变压器定期检测制度，采用红外测温、油色谱分析、铁芯接地电流检测等技术手段，定期对铁芯温度、绝缘性能、接地情况等进行检测。通过红外测温可快速发现铁芯局部过热部位；油色谱分析能检测变压器油中气体成分，判断是否存在内部故障；铁芯接地电流检测可及时发现多点接地故障。根据检测结果，及时采取相应维护措施，如修复绝缘、紧固铁芯等。

4.2 优化安装与运行环境

在变压器安装过程中，严格按照操作规程进行施工，确保铁芯绝缘良好、接地可靠。加强对安装现场的管理，避免铁芯受到碰撞和损伤。改善变压器运行环境，采取有效的散热、防潮、防尘措施。例如，安装散热风扇和通风管道，提高散热效率；在变压器外壳设置防潮层和防尘网，防止湿气和灰尘进入内部。

4.3 改进制造工艺与质量控制

变压器生产厂家应加强制造工艺控制，提高硅钢片裁剪精度和叠装质量，确保铁芯磁路均匀，减少磁阻。优化铁芯压紧装置设计，保证铁芯在运行过程中的稳定性。加强原材料和零部件的质量检测，选用优质绝缘材料和铁芯硅钢片，提高变压器整体质量。

结论

风电场箱式变压器铁芯发热故障是影响风电场安全稳定运行的重要因素。通过对故障原因的深入分析，明确了多点接地、局部短路、制造工艺问题、运行环境因素和绝缘老化等是导致铁芯发热的主要原因。在风电场实际运行中，应高度重视变压器铁芯发热故障，采取有效措施加以预防和处理，确保风电场的安全稳定运行，提高风电能源的利用效率。

参考文献

[1]余光凯，张博，鲁铁成，等．风电机组箱式变压器雷击事故分析与仿真研究[J]．变压器，2017，54（2）：62-65.

[2]王稳．山地风电场箱式变压器雷击损害事故分析及防范措施[J]．电气应用，2017，36（9）：37-40.