变压器温度异常分析（一）

~ 运行温度异常在变压器的各类故障中占相当比例，发生原因和表现的位置和特征各式各样，给现场处理和查找带来一定的难度。温度异常是一个恶性循环的过程，既增加变压器损耗，造成能源不必要的浪费，又损坏内部绝缘，进而造成更严重的故障。

在以往的文章中简单叙述了产生变压器温升的主要原因——各类损耗，下面我们结合之前的理论与本人的一些实际经验，对导致变压器温度异常的原因进行一些分析，欢迎各位同行拍砖。

A、初级或次级有极少数线圈短路（匝间短路、层间短路、段间短路、股间短路）

要比较全面的理解匝间短路、层间短路、股间短路、段间短路这几个概念，必须对变压器绕组的型式和变压器的绝缘构成有一定的理论基础。

Ⅰ、基本概念

1）  匝：

导线与铁芯中磁通相交链一次就是一匝，用通俗地话说就是导线穿过铁窗一次。

2）  线段（线饼）：

由多匝导线沿线圈辐向排列组成。

3）  段间油道：

一个线圈可由多个线段组成，段和段靠在一起，亦可用绝缘垫块隔开，其间隔就是段间油道。

4）  线层：

沿轴向高度排列的多匝导线叫线层。

5）  层间油道：

一个线圈可由多个线层组成，层与层之间用电缆纸或撑条或瓦楞纸板分隔开，此间隔就是层间油道。

Ⅱ、线圈型式

线圈型式主要根据线圈电压等级和容量大小来选择，同时也要考虑电气强度、机械强度、散热以及制造工艺的可行性。

变压器线圈大致可分为层式和饼式两种。

1）层式线圈

绕组的线匝沿着轴向一次排列连续绕制的，称为层式绕组，每层如筒状，即圆筒式绕组。由两层组成的绕组称为双层圆筒式绕组 （用于三相容量为630kVA及以下，电压为1kV及以下的低压绕组） 。由多层组成的称多层圆筒式绕组 （用于三相容量为630kVA及以下，电压为3kV~35kV的高压绕组） 。线圈沿轴向分成多段的称为分段圆筒式绕组 （多用于试验变压器的高压线圈和电压互感器等高电压小容量产品） 。

圆筒式绕组是最简单型式，一般由一根或数根联绕而成，绕时沿线模轴一匝紧靠一匝地绕制，类似一个圆形密绕的螺旋弹簧。特点是绕制简单，工艺好，层间油道散热好，但端部支撑面小，机械强度差。

正是由于单层结构机械强度差，所以一般绕制成多层结构，由于相邻两层电位差较大，要设置层间绝缘。其层间电容较大，对地电容小，在冲击电压下层间电压分布较均匀。多层绕组在层间设置绝缘撑条构成垂直油道用以散热，但油道长而窄，不利于散热。

分段圆筒式可以看作由两个或多个多层圆筒式绕组串联而成，由于串联的分压效应，与普通圆筒式相比，层间电压低。在串联部位有电缆纸或绝缘纸做成的段间绝缘，因此它同时具备了段间油道及层间油道。

绕组线匝示意图如下所示：

注：多层圆筒式与双层圆筒式，型式相同，只是层数上的区别。故没有画出。

这里说一下箔式绕组，箔式绕组型式也如圆筒式，线匝是沿轴向连续绕制的，一般情况下一匝就是一层，每层之间用绝缘材料隔开，故可属于层式绕组。

其实物图如下所示：

箔式绕组的优势有以下几点：

⑴ 箔式绕组可以把导电材料和绝缘材料放在一起用绕线机绕制，生产自动化程度高。

⑵ 箔式绕组的匝间绝缘就是绕组的层间绝缘，其空间利用率好，可缩减变压器尺寸和 重量。

⑶匝间即层间，所以匝间电容较大，其抗雷电冲击能力强。

⑷当电流较大时，普通圆筒式往往采用多线并绕，会产生较大螺旋角，在短路时在线 圈的垂直方向上会产生很大的机械力，而箔片端面是平的，消除了螺旋角，所以抗 短路冲击能力比较强。

⑸ 表面及边缘都十分光滑，其局部放电量小。

⑹ 由于其厚度较铜线薄很多，集肤效应及邻近效应小，在高频下传输效率高。其绕组 涡流损耗也低。

箔式绕组主要用于中小型变压器绕组。

2）饼式线圈

绕组的线匝沿其幅向（沿着线圈半径方向）连续绕制而成一饼（段），再由许多饼沿轴向（沿着线圈高度方向）排列组成的绕组称为饼式线圈。饼式线圈又由螺旋式、连续式、纠结式、内屏蔽式、交错式。下面我们一一为大家介绍：

a）螺旋式绕组

变压器的低压绕组电流很大而匝数很少，因此需要用很多导线并联起来绕制，但圆筒式绕组不宜用太多导线并联，因为这样会造成线匝的螺距太大，使绕组很不稳固，于是出现了螺旋式绕组。

螺旋式绕组是由许多根等截面积的扁导线摞成一组来进行绕制的，线匝之间不是彼此紧靠着，而是用绝缘垫块隔开一定距离（油道）的绕组，像是一个被拉伸的螺旋弹簧。一匝为一个线饼的称为单螺旋式线圈。而当并联导线更多时，可以把两个或四个线饼作为一匝。一匝为两个线饼的称为双螺旋线圈；一匝为四个线饼的则称为四螺旋式线圈。

当温升和绝缘允许时，螺旋式绕组可以采用油道与线圈交错分布的形式，即正常宽度的油道与宽度为正常油道一半左右的小油道交错绕线的结构，称为半螺旋，其空间利用系数高。绕组为单螺旋时，称为单半螺旋，绕组为双螺旋的称为双半螺旋。

其绕制示意图如下所示：

有一个便于理解，但不恰当的描述：螺旋式绕组就是多根导线叠并绕的单层圆筒式线圈的拉伸，拉伸出的空隙形成了幅向油道。由于匝间有幅向油道，所以属于饼式线圈。

综上螺旋式绕组主要特点如下：

⑴并联导线根数多（需进行换位，否则会出现环流）；

⑵线饼成螺旋状；

⑶螺旋式绕组的匝数比较少（受到轴向高度限制）。

螺旋式绕组主要用与三相容量800kVA及以上，电压为35kV及以下的大电流绕组和有载调压变压器的调压绕组。

b）连续式绕组

由一根或多根扁导线经特殊工艺方法在绝缘筒或线模撑条上连续绕成多个饼状线段组成。

线饼（线段）与线饼之间的连接是交替地在绕组内侧和外侧，并且都是用绕制绕组的导线自然连接起来，因此，只要导线长度足够，就可以绕成一个连续的无焊接头的绕组。为了使首末两端从绕组的外部引出，线饼应为偶数。当绕组由二根或多根并联绕制时，为减小并联导线的环流，应进行换位。绕组线匝示意图如下所示：

通过上图我们可以看到，从首端起，奇数段导线从外向里绕，这就叫做反段，而偶数段导线从里向外绕出，这就叫做正段，一个正段与反段组成一个单元，称为双段单元。

单元内油道为向外油道，单元间油道称为向内油道。

上图为的绕组为一般连续式，还有一种半连续式，它们之间区别通过下面这张图就能清楚的看出来，注意箭头所指部位。

通过上图我们可以看到，连续式绕组的半连续式其实与螺旋式绕组的半螺旋式，其实是一样的。

连续式线圈优点是机械强度高，散热性能好，但绕制工艺比较复杂，其纵向电容小，在雷电冲击下各线饼间电压分布很不均匀。

连续式线圈主要用于630kVA及以上，电压为3kV~35kV的各种绕组。

c）纠结式绕组

纠结式绕组（b）是为了改善连续式绕组冲击电压分布不好的缺席而孕育而生的一种绕组。它与连续式绕组（a）的不同是线匝顺序。它们的绕组线匝对比图如下所示：

由上图可知，纠结式绕组就是由交错纠连的纠结线段组成。而纠结线段实质上就是在绕组的相邻数序线匝插入了不相邻数序的线匝。上述结构使得绕组的纵向电容增加，这就使得沿绕组的轴向高度上冲击梯度分布特性得到了改善。

连续式绕组的线匝顺序是1、2、3…n，那么纠结式绕组的线匝顺序是1、（n/2+1）、2、（n/2+2）、3、（n/2+3）…m，（n/2+m）；其中n为每对线段的线匝数，m=1、2、3…n/2。显然纠结式绕组的两相邻匝间电压差要大于连续式绕组，理论值是纠结式比连续式要大n/2倍，在上图中就是大10倍，这显然对工艺提出了更高的要求。

下面来粗略地介绍下纠结式绕组的几种形式：

⑴普通纠结式

普通纠结式常用的是双纠结，即在两个线饼内完成一个纠结单元，若干个纠结单元组成一个绕组。绕组线匝示意图如下图所示：

上图中红、绿表示底位线；黑表示纠位线；黄表示连位线，蓝表示引出线。

一个单元的两段都是双数匝，称双—双纠结；都是单数匝称单—单纠结，同理还有单—双纠结，双—单纠结。上图中便是双—双纠结。

⑵插花纠结式

其绕组线匝示意图如下所示：

插花纠结式绕组的等值电容比普通纠结式大得多，而且并联导线越多，线圈间的等值电容越大。

对插花纠结式本人有一个不完善的看法，但是便于理解，现在拿出来和大家一起分享，欢迎变压器绕组绕制方面的专业人士拍砖。我认为插花式就是多线并绕而致使底位线变多，形成类似于插花的样式。

普通纠结式和插花纠结式为全纠结。

⑶纠结连续式（部分纠结）

首先纠结式绕组的线路需要进行焊接且焊接点较多，而且当并联根数较多时，制造工艺困难。其次由于变压器受到的过电压冲击，通常大部分降落于绕组首端几个线段上，且沿绕组起始电压分布不均匀。结合以上两点，纠结连续式就由此诞生。

整个绕组仅首端或两端有几个纠结单元，其余全是连续式，称为纠结连续式绕组。它在成本与性能上取得了一定的平衡。

纠结式线圈一般用于三相容量为6300kVA及以上、电压为110kV-500kV的绕组。全纠结常用于220kV及以上电压等级，部分纠结式常用于60kV-110kV电压等级。

 

d）屏蔽式绕组（插入电容式绕组）

屏蔽式绕组是连续式绕组线饼外侧内部的匝间插入增加纵向电容的导线（屏蔽线）而成，故又称插入电容式，其外观极似纠结式。插入线饼及插入的匝数可根据所需要电容大小而定，屏蔽线无工作电流通过，但有涡流损耗。因此通常采用很薄的导线，宽度比工作线的宽度略小。其绕组线匝示意图如下所示：

从上图中可以看到，屏蔽线紧贴着线匝导线，电容比较大，所以可以使冲击电流通过导线与屏蔽线间的电容流到屏蔽线上，又通过电容流到另一饼的紧贴着它的线匝上去，起到了增大匝间电容的作用。

插入电容式绕组采用连续式绕制，与纠结式绕组相比可以减少大量的焊接点，且插入屏蔽线的匝数可以自由调节，从而可以按需要调节纵向电容。 目前普遍应用于大型变压器的110kV及以上的高压线圈。

e）交错式绕组

交错式又称为交叠式，大电流线圈及调压线圈采用交错式线圈有出头容易，轴向易于紧固、线圈卷制和套装简单的优点。但这种线圈用于高电压时，由于绝缘距离过大而不经济；用于大容量时，横向漏磁场能引起局部过热和附加损耗，且其轴向力较大，易造成匝间短路，所以仅广泛应用于容量较小（5500kVA及以下），绝缘等级较低（通常为10kV及以下）的电炉变压器或整流变压器等特种变压器上。

交错式又可分为直绕式（高低压线圈依次绕成）和套装式（高压线圈绕成双饼线段，低压线圈绕成短螺旋式）。

通俗地来讲，交错式线圈是把一种线圈沿轴向分成数个区段，高、低压线圈交错布置的线圈。一般高压线圈在首尾两端，低压线圈在中间。

f）“8”字绕组

“8”字线圈是由许多绕成“8”字的双饼套装而成，每个线圈全部“8”字双饼并联焊接，因此可通过数万至十几万安培的电流，常用于大容量、有载调压的特种变压器的低压线圈。

本人也没有见过这种线圈，只好随便在网上找了一个小型的“8”字线圈，供大家参考，侵删。

Ⅲ、绝缘的构成

要了解变压器的绝缘由哪些构成，下面这张图就够了。这张图中概念我就抽几个与本文有关的来讲讲：

在文章的最开头，我们提到了3个短路：匝间短路、层间短路、段间短路、股间短路。下面我们和大家谈谈这几个短路。

1）匝间短路

匝间绝缘是指绕组中相邻的两根导线之间的绝缘。由于线匝的电阻极低为毫欧级别，我们假设匝间电压仅为10V，如果发生匝间短路，那么电流可高达近万安培，这毋庸置疑是一个非常大的电流。

短路的匝数越多，线匝间的电压越高，短路电流越大，因此变压器温度会出现异常升高的现象。

轻微的匝间短路不会立即显现出故障，但匝间短路会对输出电压造成波动，一次绕组匝间短路，输出电压会升高；二次绕组匝间短路，输出电压会降低。

2）层间短路

层间绝缘是针对圆筒式绕组来说的，是指绕组中相邻两层导线的绝缘。匝间短路使匝数发生较小的变化，那么层间短路就是匝数发生了很大的变化。层间短路的故障电压很大，短路电流也会很大，不像匝间短路故障会有一个恶化的过程，层间短路会立即烧毁整个线圈。

4）段间 短路 ：

还记得饼式线圈中的饼，饼与饼之间的绝缘就是段间绝缘。这里的绝缘故障一般发生较少。

5）股间 短路 ：

大容量电力变压器的线圈采取几根、几十根甚至上百根导线并联绕制，以限制其中的涡流损耗，并联导线（即股与股）之间的绝缘就是股间绝缘。股间短路会在线圈短路处形成局部过热，会降低变压器的绝缘强度，产生局部放电，从而缩短变压器的寿命，甚至导致变压器故障。其突发性，严重性弱于匝间短路。

备注：

匝间绝缘与股间绝缘主要是导线表面的绝缘纸等。圆筒式线圈的层间绝缘是电缆纸或软纸板。连续式线圈和纠结式线圈的段间绝缘是绝缘垫块。

一般来说上述几种故障，发生最多的是匝间短路。根据统计结果表明，线圈匝间短路事故占变压器事故的70%~80%，

以上概念部分结束了，下面开始分析。

Ⅳ 绕组绝缘故障的起因

当变压器绕组在绕制、加压干燥、套装等工艺过程中，由于导线质量、换位、弯折引出线，焊头等处理不当，常会引起潜在缺陷，在出厂试验中无法完全暴露，在长期运行过程中情况会逐渐恶化，一旦有过电压冲击变压，此时缺陷很容易转变成故障。下面随便聊聊一些可能发生的情况：

1、当绕组绕制导线的圆角半径较小，则在变压器负荷运行时产生振动；亦或是变态器因短路及变压器投入网络而遭受重复的电磁力冲击，导线的陡棱可能逐渐切断绝缘而导线相邻线匝短路。此种现象多发生与变压器的高压线圈。

2、当变压器绕组受到严重的外部短路，特别是发生三相短路情况时，在短路电流瞬时峰值作用下，即使不立即发生绝缘击穿，巨大电动力也可能使得线圈发生变形而造成严重的故障隐患。

当线圈遭受短路电流冲击次数越多，承受短路电流峰值概率就越多，越有可能导致线圈变形。当线圈变形之后，机械性能变差，当冲击再度发生时，又会出现更严重的变形，形成恶性循环，最终导致线圈移位及其压紧构件的损坏。这样的情况可能导致线圈某一线段的一匝或多匝导线可能发生错位，由此可能造成匝间短路。

线匝产生错位以后也不一定立即发生击穿现象。但在变压器在负载运行期间，由于电磁力的作用而产生振动，因此相邻错位线匝的绝缘由于摩擦可能导致击穿。

变压器的发生严重负荷波动造成线圈的膨胀与收缩，也极易造成线圈的损伤。

3、当扁导线包扎绝缘纸达不到紧度的要求时，会产生隆起现象，导线绝缘越厚越明显，使导线形状发生变化，实际上有可能呈圆形。这样的弯曲有可能会引起匝间短路，因为在线圈的某些位置，相邻导线是靠近端面的，在运行时，线匝绝缘受到摩擦，就可能引起击穿。当导线的圆角半径较小，这种现象越严重。

4、大型电力变压器中常设有可调节的线圈压紧装置，供变压器运行中绝缘产生收缩及时调节线圈的压力。线圈的压紧程度应由制造厂在器身绝缘装配时加以调整，以便对线圈施加合理的压力。如果调整不当，会导致线匝错位，以致匝间故障的发生。

5、工艺、设计或运维上的各种缺陷，例如

运维方面：线圈中掺入水分，

工艺方面：干燥处理时间过短、线圈接头焊接质量不佳。

设计方面：安匝不平衡。

说明：

a、电抗高度是进行变压器阻抗计算时使用，层式线圈的电抗高度等于机械高度减去一匝导线高度。

b、轴向力是由幅向漏磁通引起的，幅向漏磁通大小取决于安匝不平衡程度，高、中、低压绕组要保证电抗高度一致或接近。一般通过高、中压分接区减匝或调整油道以保证该区域安匝平衡。

c、由安匝不平衡产生的额外轴向力和正常幅向漏磁所产生的轴向力一样使线饼向竖直方向弯曲，并压缩线饼间垫块，严重时出现线饼向绕组中部变形或翻转现象。

d、工艺流程、运行过程也易导致安匝不平衡，例如在绕组套装后不能确保中心电抗高度对齐，运行一段时间后较厚的垫块自然收缩量较大，导致电抗高度不一。

6、结构上的固有缺憾，一般产生不影响，但当设计或工艺有偏差时，会造成恶劣后果。例如：

连续线圈，其幅向尺寸大于轴向尺寸，但比值过大的话在线圈内侧将产生过热点，使绝缘催化，如果幅向油道尺寸过小的话，这种情况就会更为恶劣了。

纠结式线圈，由于结构原因，匝间、段间电压差较大，纠结线又需要进行焊接，焊点较多，这些均可能造成绝缘弱点和过热的原因。

螺旋式线圈，通常采用多根并联导线以增大通流。

并联导线一般常采用矩形导线，其窄边垂直与漏磁通，宽边与漏磁通平行，若其比值不合理，则导线中会产生较大涡流，造成异常发热。

多根导线并联时，同匝各股导线相接处电位相同，但纵观整体不可能每点电位相同，若股间绝缘损坏，将会引起循环电流，造成发热。若加上换位不完全的话，同匝各股导线电位有差异会导致环流，这种情况迟早会损坏股间绝缘，造成更严重的损伤。

综上，本篇文章将由纵绝缘而引起的过热常见原因，结合变压器的线圈型式与绝缘结构梳理了一遍，谢谢大家！