電力變壓器絕緣故障的分析與診斷

王海軍

遼河油田公司茨榆坨采油廠，遼寧盤錦 110206

1 變壓器故障診斷概述

隨著輸電電壓等級的不斷提高，變壓器的容量和電壓等級也相應(yīng)升高，對變壓器可靠性的要求也更高。為了確保變壓器的安全運行，進(jìn)行變壓器的故障診斷異常重要。事實證明，變壓器的故障大多數(shù)是絕緣故障，通過變壓器的絕緣故障診斷，能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器中潛在性故障，從而有效預(yù)防引起重大安全事故，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行具有十分重要的意義。

2 變壓器絕緣材料的化學(xué)組成及故障產(chǎn)生的原因

變壓器通常由結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料和導(dǎo)磁材料組成，不同類型的電力變壓器其絕緣材料的組成也不同，例如油浸式變壓器的絕緣材料由絕緣紙和絕緣油構(gòu)成。在變壓器的運行過程中，受到各種因素的影響（例如環(huán)境、機(jī)械、電、熱等），絕緣材料會逐漸劣化從而導(dǎo)致變壓器故障，實踐證明，變壓器85%的故障因素都是由變壓器絕緣系統(tǒng)引起的。

目前變壓器中應(yīng)用最廣泛的是干式樹脂變壓器和油浸變壓器，絕緣材料的性能決定了變壓器的使用壽命，變壓器絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因主要有以下幾個方面：

1）變壓器設(shè)計不合理，例如絕緣材料薄、油道窄，這樣就會導(dǎo)致變壓器投入不久就會產(chǎn)生故障；

2）變壓器相間絕緣裕度不夠，容易產(chǎn)生相間短路故障；

3）變壓器內(nèi)部的潔凈度不高，金屬雜質(zhì)覆蓋在變壓器表面和變壓器線圈之上，導(dǎo)致變壓器運行過程中產(chǎn)生局部放電；

4）絕緣管、絕緣筒和絕緣板凳絕緣成型件在制造過程中受到污染，導(dǎo)致局部放電，降低了絕緣件的絕緣效果；

5）變壓器油箱的密封效果不好，當(dāng)水分進(jìn)入變壓器內(nèi)部時，變壓器的局部絕緣強度降低，從而導(dǎo)致線圈對油箱的擊穿；

6）變壓器長時間負(fù)荷運行導(dǎo)致變壓器油老化。

無論是什么原因?qū)е伦儔浩鬟^熱故障、短路故障都會導(dǎo)致變壓器發(fā)生事故，正常的維修管理和故障診斷，都會延長絕緣材料的使用壽命，從而減少變壓器的故障率。

3 油中溶解氣體分析技術(shù)與故障診斷

3.1 油紙絕緣材料分解產(chǎn)氣的機(jī)理

變壓器絕緣材料的老化機(jī)理分為又可分為絕緣油的老化和絕緣紙的老化。變壓器中的絕緣油受到電場、溫度、濕度以及金屬等因素的影響，會發(fā)生碳化、氧化等反應(yīng)，從而產(chǎn)生低分子烴類氣體，這個過程稱為絕緣油的劣化。在各種外界因素的影響下，絕緣油的劣化是一個非常復(fù)雜的過程，隨著溫度的升高劣化的速度也加快，同時金屬雜質(zhì)、水分、氧氣等對劣化過程也起到加速作用。

變壓器絕緣紙的老化是在化學(xué)、機(jī)械、熱、電等眾多因素的共同作用下，纖維素降解的過程，在此過程中有水解、熱降解、氧化降解等反應(yīng)。其中絕緣材料中水分的含量對絕緣紙水解的速度影響最大，同時一定的溫度也起到催化劑的作用。

3.2 故障診斷

目前變壓器故障診斷的常用方法是油中溶解氣體分析技術(shù)，該技術(shù)首先從取出變壓器中的油作為樣品，然后分離中油樣中的溶解性氣體，最后分析中溶解性氣體的含量和成分。根據(jù)氣體的含量和成分就可判斷變壓器是否存在故障和故障類型。

1）故障類型與油中氣體含量的關(guān)系

變壓器的故障類型可分為熱性故障和電性故障，當(dāng)變壓器內(nèi)部受潮時，潛伏性故障如何不能及時排除將會發(fā)展成為電性故障。熱性故障是指有效熱應(yīng)力引發(fā)的變壓器故障，熱應(yīng)力引發(fā)的絕緣油分解產(chǎn)生的氣體82%以上都是CH4和C2H4，其余氣體是 CO 和 CO2。

電性故障是指在高壓應(yīng)力的作用下變壓器的絕緣材料劣化，引發(fā)電弧放電、火花放電和低能量局部放電等。電弧放電的發(fā)展速度快，該故障引發(fā)的油中氣體特征是C2H2、H2、C2H4、CH4?；鸹ǚ烹姷墓收夏芰枯^小，油中氣體的主要含量是C2H2。變壓器的局部放電主要由金屬部件接觸不良，絕緣材料的某些部位存在尖角等引起，局部放電的氣體特征主要是烴含量較低。

2）故障診斷步驟

利用油中溶解氣體分析技術(shù)進(jìn)行故障診斷，主要是為了全面掌握故障的原因、故障的類型，從而預(yù)測變壓器的狀態(tài)。因此變壓器故障診斷步驟一般是從變壓器中進(jìn)行油樣品的提取，分析油樣品中的氣體特征，判斷變壓器是否存在故障。如果根據(jù)分析判定變壓器存在故障，則需要進(jìn)一步判斷故障的類型，了解故障的發(fā)展趨勢，提出有效的解決方案。如果存在故障的變壓器還需要繼續(xù)運行，在運行期間則需要提供監(jiān)視手段和安全措施，必要時要進(jìn)行變壓器的內(nèi)部檢修、限制負(fù)荷等。

3）故障診斷方法判斷

目前對變壓器的故障診斷可以依據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中的規(guī)定進(jìn)行，例如當(dāng)變壓器油樣品中的H2高于150μL/L，C2H2超過5μL/L，總烴氣體含量超過150μL/L時就證明變壓器存在故障隱患，就要加強對變壓器的故障跟蹤分析。目前進(jìn)行故障診斷的方法很多，常用的有三比值分析法、特征氣體組分析法。

（1）三比值分析法。該方法的原理是變壓器中的油在故障條件下分解產(chǎn)生的氣體含量和溫度之間存在緊密的依賴關(guān)系，把氣體分析分組、編碼，作為故障類型判斷的依據(jù)；

（2）特征氣體組分析法。從前面的分析可以得知，不同的故障類型產(chǎn)生的氣體種類和含量不同，因此通過油中氣體的含量和不同組成就可以判斷故障類型，例如當(dāng)存在固體絕緣故障時，CO的氣體含量會明顯增加。當(dāng)變壓器的絕緣材料受潮時，氫氣的氣體含量就較高。

4 結(jié)論

由于變壓器的內(nèi)部絕緣是非常復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變壓器在運行的過程中，不同時間在相同部位受到的應(yīng)力也會不同，因此變壓器絕緣材料的老化很難用單一特征進(jìn)行描述，在實際的故障診斷過程中，單一的故障診斷技術(shù)也不能解決所有的故障診斷任務(wù)，需要把各種不同的技術(shù)結(jié)合起來，從而提高故障診斷的正確率。本文僅僅介紹了變壓器故障診斷的步驟和故障診斷方法的判斷，對變壓器的故障診斷研究還不完善，大量的后續(xù)研究工作有待繼續(xù)。

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