超高壓變壓器

超高壓變壓器的設計與製造，依賴於完善的技術體系作為變壓器可靠性與經濟性的保彰。否則，變壓器的設計與製造過程，若無規可循、無據可依，而過度依賴個別人員的設計與製造經驗，則將直接導致大型變壓器的設計質量與製造質量存在各種隱患，變壓器的可靠性與經濟性無從談起，可能造成企業巨大經濟損失並嚴重削弱市場競爭力。符合當代西方超高壓變壓器設計及製造技術理念的完整技術體系應由以下要素構成：

一、全套電力變壓器設計手冊，電壓等級涵蓋35kV ~ 220（500）kV、容量420000kVA 及以下，包括但不限於：

（1）電磁計算手冊；本手冊指導所有雙圈及三圈、有載及無載、自耦及非自耦變壓器的電磁計算，包括空載損耗、負載損耗、阻抗、温升等主要參數；

（2）線圈設計手冊；本手冊指導電壓等級220kV 及以下的所有典型線圈結構設計；

（3）絕緣設計手冊；本手冊指導電壓等級220kV 及以下的所有典型器身絕緣的結構設計；

（4）鐵芯設計手冊；本手冊指導典型鐵芯（單相或三相、三柱或五柱）及夾件的結構設計；

（5） 引線設計手冊；本手冊指導電壓等級220kV 及以下的所有典型引線絕緣的結構設計；

（6） 油箱設計手冊；本手冊指導所有典型油箱及升高座等外部鋼結構件的結構設計；

（7）外裝設計手冊；本手冊指導所有外部裝配的結構設計；

二、變壓器設計系列軟件，包括但不限於：

（1）《大型油浸式變壓器優化設計軟件》；在設定技術參數要求值、現行主材價格的前提下，根據數據庫中的鐵芯及導線數據，快速計算輸出滿足性能要求的成本最優化的基本設計方案，必須涵蓋電壓等級220kV 及以下、雙圈及三圈、有載及無載、自耦及非自耦的電力變壓器。

（2）《雷電衝擊波過程計算軟件》；模擬變壓器在雷電全波衝擊、截波衝擊電壓作用下線圈各點的對地電位分佈及線圈段間電位分佈，以此作為電氣設計時校驗線圈間主絕緣、線圈縱絕以及有載開關的主、縱絕緣安全裕度的計算依據。

（3）《負載損耗計算軟件》；準確地計算出大型變壓器的負載損耗；該程序應可將線圈間安匝分佈不平衡而引起的橫向漏抗引起的附加渦流損耗亦考慮在內，根據已知的線圈間的軸向電抗和橫向電抗，計算出線圈的每一個線餅的軸向渦流百分數和橫向渦流百分數，從而達到較為準確地計算大型變壓器負載損耗的目的。

（4）《阻抗計算軟件》；準確地計算出大型變壓器的阻抗電壓；該程序應可將線圈間安匝分佈不平衡而引起的橫向漏抗以及端部漏磁彎曲效應考慮在內，根據變壓器的磁勢平衡方程式，計算出多線圈變壓器在各分接下的軸向電抗和橫向電抗，這對於阻抗允許偏差較小的大型變壓器有重要意義。

（5）《短路機械力計算軟件》；根據變壓器線圈的安匝分佈，計算出在系統容量無窮大的最嚴格情況下的各線圈所有線段受力狀況，包括軸向機械力、輻向機械力、內線圈向內彎曲應力、外線圈向外拉伸應力、墊塊壓縮應力、端部導線應力、線段側倒力以及螺旋式線圈的反彈力等等，這些數據為提高變壓器抗短路能力提供了可靠的理論依據。

（6）《漏磁通計算軟件》；根據變壓器線圈的安匝分佈，計算出變壓器內部金屬結構件（鐵心拉板、夾件）及變壓器油箱各點的漏磁通量，由此求出夾件、拉板和油箱的最大温升；針對結構件中温升數據，確定是否需要採取油箱磁屏蔽、夾件磁屏蔽、拉板開隔磁槽以及使用低磁鋼板製作結構件等措施，以防止結構件的局部過熱，同時降低變壓器的雜散損耗。

（7）《鐵心截面分割計算軟件》；根據指定的鐵芯硅鋼片的單位損耗參數，在設定鐵心在110%過勵磁情形下的鐵心內部容許温升和表面容許温升後，計算出滿足温升條件的合理的鐵心截面分割；尤其在計算鐵芯設計手冊指定形狀和直徑以外的非標準鐵芯直徑尺寸和形狀時相當必要。

（8）《循環油流計算軟件》，分別計算出自然油循環下及強迫油循環下各線圈的油流量分配、水平油道流速、線圈內外側垂直油道的流速、線圈對油的平均温升。根據温升計算結果，調整冷卻器數量、導向擋油板數量、導油孔大小及數量、線圈內外側垂直油道寬度、水平油道大小，以滿足線圈温升的要求；另外，出於抑制油流帶電的需要，控制各處油流速度在許可的範圍內。這對於特大容量及超高壓變壓器很有必要。

（9）《INFOLYTICA 專業電磁場仿真軟件》； MagNet 是Infolytica 公司開發的2D 和3D低頻電磁仿真分析工程軟件。MagNet 採用有限元法，這個方法經過Infolytica 軟件研發人員的不斷完善和增強，可以精確和快速地對2D 和3D 電磁模型進行建模和計算，並通過完善的後處理，方便的提供給設計者所需要的數據和圖表。MagNet 強大的參數化功能和腳本語言，使MagNet 成為工程師對設計模型建模和優化的最佳工具。結合ElecNet、ThermNet 系列軟件，對變壓器的複雜電場、磁場、温度場進行全面仿真，輸出所需的損耗、阻抗、温升等數據；這樣可以減少由於設計參數的變化帶來的樣機制作與試驗過程，大大減少了產品的研發週期，降低研發成本。

三、變壓器製造作業指導書（工作規範書）

“作業指導書”，相當於國內變壓器企業慣有的“技術條件”的升級版，它比技術條件更加詳盡、指導性強；作為控制工序質量的主要依據，規範現場操作，保證質量；在吸收行業新技術、新材料、新設備、新工藝等先進實用成果的基礎上，結合技術發展與實踐經驗進行編撰，可詳盡指導製造現場的每一步操作。它可使新手儘快掌握各個工序步驟的標準作業細節。在日本東芝技術體系中，“作業指導書”之外還另有“工作規範書”，“工作規範書”通常敍述適用對象、材料、製作簡要過程、質量標準，而“作業指導書”則詳細描述適用對象、配套工裝設備、材料、工藝準備、分步驟的操作過程、檢驗方法及注意事項，它是根據工作規範書的要求具體指導操作過程，相當於手把手地演示零部件製作過程或工藝流程。

四、通用圖圖庫

把不同規格、容量變壓器產品所常用、共用的零部件以固定代號的圖樣繪出，以便在設計中引用；因為即便大型變壓器規格千差萬別，但仍有許多零部件的規格是一致或相仿的，例如升高座、壓力釋放閥、法蘭、端圈、密封墊、靜電板、撐條、角環、連接管等等，至少是形狀相同，所不同者僅為個別參數（長度、寬度、內外徑等），因此只需在通用圖中引入些許變量參數即可定義該零件。建立儘可能完善的通用圖庫的益處是，減少出圖工作量，減少設計差錯和製造差錯，並且有利於零部件的庫存管理和提高生產效率。因此，國內傳統變壓器大型廠家都建有完備的通用圖庫，並隨着產品結構升級和技術更新持續補充。

五、工序質量管理WSS 體系

WSS 體系：指把從原材料，零部件進貨後的入廠檢驗到產品完成的整個過程分成細緻的作業工序（工作站：WS），在每個工作站設定了所需的檢查，並加以實施，只有通過檢查合格的產品才能移交下一個工作站，最終生產出令人滿意的產品的系統；基於大型油浸式電力變壓器的製造流程，根據設計圖樣要求的質量，把變壓器製作全過程劃分為適當的工序，確定工序作業內容、作業方法、判斷標準、質量控制記錄，明確各工序的檢驗項目、自檢、互檢、專檢點設立，上下工序間相互傳遞有據可查，具有可追溯性。分別編制油箱製作、鐵心製作、線圈製作、線圈整體絕緣裝配、變壓器器身裝配、變壓器總裝配WSS 體系圖。

六、試驗指導書及檢驗

試驗指導書，指包括檢驗試驗的內容、順序、注意事項、結果的判定方法、判定標準在內的操作程序寫成的指導書；指導變壓器的出廠試驗、型式試驗及特殊試驗的作業規範；檢驗表，指對每個工序能明確表示出“誰應該檢驗什麼？”，能記入檢驗結果並蓋章，並能簡單地判定優劣的檢驗表。檢驗表用於對油浸式變壓器全部製造流程的所有工序控制點進行記錄及檢驗。

七、材料及組部件採購規範書

明確採購物品的技術要求，確保採購物品質量符合規定要求；採購規範書應明確材料及組部件的適用範圍和技術要求（包括性能參數、使用條件、外形及安裝尺寸、外觀要求及驗收標準）。本規範作為採購部門訂購及驗收材料、組部件的技術依據。 ^[1] 

變壓器是電力系統的心臟，做好變壓器的維護、檢修對於保障電力系統的運行穩定及其重要。如今我國電力系統正在朝着超高壓、大容量的方向不斷髮展，電力供電網絡的覆蓋面和容量逐漸增加，使得變壓器也逐漸向着超高壓、大容量的方向發展。然而變壓器的等級越高，發生故障的幾率就越大，變壓器運行故障所造成的危害也越大，因而做好超高變壓器的故障分析、維護修復以及日常管理對於促進電力系統穩定性安全性的提升有着重要的意義。

超高壓變壓器故障原因往往較為複雜，要對變壓器故障進行準確診斷就要首先認識變壓器常見故障原因：

1、線路干擾

線路干擾也稱線路湧流，是造成變壓器故障最常見的原因，一般是由合閘過電壓、電壓峯值、線路故障、閃絡以及其他輸配方面的異常造成的。

2、絕緣老化

據統計，絕緣老化是造成變壓器故障第二位的原因，絕緣老化會大大縮短變壓器的使用壽命，並向造成變壓器故障，資料顯示絕緣老化會將使用壽命在35~40年的變壓器平均縮短到20年。

3、過載

過載指的是變壓器長期在處於超過銘牌功率的狀態下工作，這種情況常常發生在發電廠和用電部門，且隨着過負荷運行時間的增長，絕緣温度會逐漸升高，這加速了絕緣部件的老化，絕緣部分老化、強度降低，就容易因外部衝擊而破損，從而造成變壓器故障。

4、安裝不當

保護設備選擇不當以及安全操作不規範都會造成變壓器故障隱患，一般來説因避雷設備選擇不當、保護繼電器及斷路器安裝不當而造成的變壓器故障較為常見。

5、維護不當

日常維護不當造成的超高變壓器故障並不在少數，例如維護不當造成變壓器受潮；潛油泵檢修不及時造成銅末混入變壓器，在負壓區吸入空氣；接線錯誤；連接處鬆動、發熱；分接開關接觸不到位等等。

6、製造不良

儘管因工藝質量差而造成的超高變壓器故障僅佔少數，但因此種原因而造成的故障往往較為嚴重，危害較大。例如線端鬆動、墊塊鬆動、焊接不良、抗短路強度過低等，一般都是因設計缺陷或製造不良而造成的。

1、故障情況

某變壓器額定電壓為 （345±8）×1.25kV/121kV/35kV，額定容量為240MVA/240MVA/72MVA，主變壓器以往運行情況穩定。某日對該主變壓器進行例行油色譜分析，發現該主變壓器本體絕緣油中乙炔含量為2.3μl/l，於是在當天下午和晚上兩次分別取樣化驗確認該相變壓器本體油的乙炔增長過快並表明在該變壓器內部存有放電現象，遂於次日凌晨左右將主變壓器停運。

2、現場處理

為了確定變壓器故障性質及放電部位進行了如下分析：

1） 脈衝電流法，通過脈衝電流測試發現，隨着試驗電壓的升高和試驗時間的增長，該變壓器局部放電的電量顯著增長。放電起始電壓和熄滅電壓隨着試驗進行逐漸降低；

2） 局部放電圖譜測量。通過對所得波形圖譜進行分析，可判定變壓器的放電部位在繞組內部；

3） 局部放電超聲定位。通過幾次局部放電超聲定位試驗，傳感器在電壓較高是採集到個別微弱且極不穩定的超聲波信號，這再次證明放電部位應位於繞組內部；

4） 油色譜試驗。局部放電試驗後乙炔體積分數上升至231.44×10^-6表明該變壓器在局部放電試驗過程中其內部存在較強烈的電弧放電。

3、故障原因分析

根據現場分析，認為造成放電故障的原因有以下幾點：

1） 絕緣紙板。絕緣紙板的加工有一定的分散性，因而絕緣紙板存在一定的質量缺陷，使用過程中改變了電場分佈；

2） 調壓線圈靜電屏絕緣裕度不足。曲率半徑太小，均壓效果不理想，從而引發該位置放電擊穿；

3） 日常維護不徹底。設備受潮，海綿等遺留雜物也是造成放電故障的原因之一。

為了排除放電故障採取了以下維修措施：

1） 對損壞和老化的絕緣部件進行了更換，對低壓線圈和調壓線圈的擊穿點進行了修補，從而提升了該處的絕緣強度，避免放電引起擊穿，同時，考慮到主絕緣在擊穿過程中也受到一定的損壞，因而更換了低壓線圈和調壓線圈之間的所有主絕緣；

2） 將靜電屏的等位紮帶拆開，將突出的菱角處理掉，同時增大轉角的曲率半徑幷包扎絕緣，以此措施降低場強；

3） 按照330kV變壓器的工藝要求對變壓器的機身進行了徹底的真空浸油和沒有起相干燥處理，該工藝執行過程中嚴格按規定操作，從而有效控制絕緣件的含水量，此外恢復使用前還要進行局部放電試驗，合格後方可充電運行。除此之外，為了避免放電故障的在再發生，應強化變壓器的日常維護管理工作，經常進行油色譜試驗，及時發現故障並掌握其具體情況，發現故障時綜合運用多種技術手段判斷故障位置和情況並及時採取修復措施。

綜上所述，超高壓變壓器的故障成因較為複雜，應在現場處理過程中運用多種技術手段進行故障判定，並詳細分析故障成因，而值得注意的是，超高變壓器造價昂貴、維修難度較大，為了避免故障應做好日常維護和管理，降低故障發生的幾率。 ^[2]