變壓器故障診斷方法研究

賈武軍，李 英，李 強

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

變壓器是電力系統及其自動化中最重要的電氣自動化主設備之一。隨著時間的推移和電網系統的發(fā)展，超大容量、規(guī)模較大的電網系統的建設，變壓器在整個電網系統中扮演著搬運工的角色，促進發(fā)電和用戶之間的能量轉移。隨著循環(huán)流化床汽輪發(fā)電機組的并網發(fā)電、泛在電力物聯網高壓輸電線路的建設以及區(qū)域電網系統之間的緊密連接，規(guī)模較大的電力變壓器的重要性和地位也日益凸顯。因此，進一步提高電力變壓器的損壞穩(wěn)定性、可靠性和機體的協調能力具有重要意義，可以保證整個電力系統的絕對安全和穩(wěn)定運行。

變壓器按用途可以分為配電變壓器、電力變壓器、全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、箱式變電器試驗變壓器、轉角變壓器、大電流變壓器及勵磁變壓器等。

1 電力變壓器運行中常見故障

電力變壓器的異常工作類型及故障原因分析一般有以下幾種：①電力變壓器在生產、出廠時的產品質量控制不好。②選型不合理造成非晶合金變壓器加速老化。電力變壓器的平均使用壽命約為18 a，遠低于通用標準電力變壓器的正常使用壽命（35～40 a）。③線路連接設置不當造成的信號干擾，線路連接干擾是電力變壓器運行異常的一方面。此外，因天氣原因造成的運行異常也很常見。④運行嚴重超載。電源變壓器長期在遠高于正常電壓和電流的有功功率下工作，會縮短電源變壓器的使用壽命，加速電源變壓器電路元件的老化。⑤電力變壓器尚無半年度運行維護及信息管理計劃。⑥電力變壓器周圍環(huán)境的影響。

1.1 繞組故障

繞組故障指電力變壓器定子繞組及電纜絕緣運行異常。一方面，電力變壓器電纜絕緣老化，電力變壓器內部定子繞組受潮，定子繞組工作不正常，或者是系統的短路，導致繞組出現機械損傷，沖擊電流導致繞組出現機械損傷等。繞組故障又可以分為匝間短路故障，相間短路及股間短路故障這3 種類型。

1.1.1 匝間短路故障

發(fā)生匝間短路故障的因素有多種。初級線圈本來能夠制造的時候卻沒有誤操作，造成電纜匝間絕緣嚴重損壞；電線所連接的電纜絕緣不充分，不能承受長期電壓電流或具體工作過程中短期電壓電流的強烈沖擊，從而致使電纜絕緣老化，嚴重損壞；局部的高溫也會導致絕緣老化，并且加快絕緣老化的速度；電動力作用也會導致絕緣破損，甚至出現短路；長期過載運行會導致絕緣老化變脆；電壓電流的作用也會讓絕緣的性能逐漸降低。電力變壓器匝間短路故障引起主變燒毀如圖1 所示。

圖1 電力變壓器匝間短路故障引起主變燒毀圖

1.1.2 相間短路故障

相間短路是指在電力變壓器中，兩相初級線圈上的端子會接觸到端子，很短的時間后自然會引起短路。如果分接開關不移位，也會造成短路故障。

1.1.3 股間短路故障

股間短路故障主要出現在多根導線連接纏繞的定子繞組，股間短路故障出現的原因主要有：一方面是導線連接存在質量問題，具體繞制過程中電纜絕緣損壞，夾線位置或松緊不當，壓樁具體過程中壓壞導線連接，絕緣介質損壞等。

1.2 鐵芯故障

借助對變壓器鐵芯故障原因的分析和排查，造成鐵芯故障的主要原因有：元件內的鐵夾松動或損壞，鐵芯接地不良或者夾件被燒壞，鐵芯片間疊裝不良，鐵芯安裝不正，等等。電力變壓器鐵芯故障如圖2 所示。鐵芯故障主要可以分為鐵芯多點接地故障和鐵芯過熱故障這兩種類型。

圖2 電力變壓器鐵芯故障圖

1.2.1 鐵芯多點接地故障

變壓器要想能夠正常接地就必須只有一個點接地，如果出現多點接地，就容易導致接地故障而出現鐵芯的故障。鐵芯多點接地的類型主要有鐵芯的部件由于某些其他的原因接觸到夾件肢板后，形成多點接地；鐵轆螺桿和鐵扼疊片相碰；墊腳鐵轆處疊片相碰；金屬粉末進入油箱，導致下鐵扼與墊腳或箱底接通；溫度計座套和上夾件等部件相碰；下夾件與鐵扼階梯間的木墊塊受潮；油箱中落入其他導體；定位銷；等等。

1.2.2 鐵芯過熱故障

變壓器鐵芯過熱故障的原因主要有繞組短路、過載運行、接地異常、局部短路、部件接地和電壓過高等等，另外油箱油質較差、油量較少、循環(huán)不暢也會引起鐵芯過熱故障。變壓器如果出容易出現鐵芯過熱故障，可以在檢測時對油中溶解氣體的組分進行分析，如果其中含有甲烷等氣體，則說明變壓器存在局部過熱故障。

1.2.3 分接開關故障

變壓器分接開關故障分為有載和無載2 種類型。電力變壓器空載繼電保護裝置工作不正常。上抽頭連接電纜絕緣不好，造成短路故障，繼電器觸點接觸不良，造成電池半空放電等異常操作。變壓器分接開關故障如圖3 所示。

圖3 變壓器分接開關故障圖

變壓器有載繼電保護裝置的異常涵蓋雨水等的持續(xù)進入造成電纜絕緣電位下降，短路電流、電壓、電流的物理損壞造成高壓電流的異常動作，滾輪卡死導致短路，油室封閉不佳導致本體滲漏。

1.2.4 油流帶靜電故障

強制油連續(xù)循環(huán)冷卻的大型電力變壓器的結構和工作原理類似。電力變壓器中的油會借助油氣分離器輸送到轉子繞組中的快速冷卻油通道進行快速冷卻，分離出靜電帶電顆粒后，在油和固體物質之間逐漸形成。另一方面，帶負電的顆粒積聚在紙張和紙板上，正電荷主要在流油中進行聚集。如果某一處的電荷積累密度相對較大，并且超過了一定閥值之后，油與電纜絕緣固體金屬表面之間會自然逐步形成靜電感應或爬電電池放電，從而造成電纜絕緣固體金屬表面的電氣性能下降，最終引起絕緣故障。在進行油中氣體組分的分析時，就可以檢測氫氣的變化。因為氫氣含量的變化是油流帶靜電的表征。

2 電力變壓器故障及處理措施

2.1 電力變壓器損壞原因分析

借助對電力變壓器損傷的調查結果和具體分析，一般情況能夠將電力變壓器的物理損傷概括為電纜絕緣基本結構的完全破壞、絕緣介質的破壞這2 個方面。具體有如下幾種原因：絕緣老化、絕緣油劣化、過電壓引起故障。

2.1.1 絕緣老化

絕緣材料都是擁有一定的使用期限的，在不同的變壓器運行狀態(tài)之下，其使用的年限也會發(fā)生變化。由于變壓器在運行的過程中，如果出現過負載運行，就會降低絕緣材料的使用期限，導致絕緣材料在使用的過程中出現變脆、變黑、枯焦等老化現象，絕緣的老化就會導致變壓器出現故障，如圖4 所示。

圖4 電力變壓器絕緣老化圖

2.1.2 絕緣油劣化

絕緣油的劣化主要是指變壓器油在運行的過程中可能會和空氣接觸，或者由于其他絕緣材料的老化，導致絕緣油中融入水分或其他雜質，在溫度較高時油會受到氧氣的氧化，也會受到其他絕緣材料的腐蝕，同時會受到其中雜質的影響，降低絕緣油的品質，導致絕緣油質劣化。

2.1.3 過電壓引起故障

電力變壓器在運行的過程中可能會產生外部過電壓和內部過電壓，過電壓的產生會導致絕緣材料受到損傷，從而讓變壓器產生過電壓故障，如圖5 所示。

圖5 過電壓引起故障圖

2.2 電力變壓器預防保護措施

2.2.1 過電流保護

在電力變壓器運行過程中設置了配變短路保護和過載保護措施。這2 種措施是通過配變高壓側的熔斷器和低壓側的漏電總保護器來完成的。為了能夠讓配變短路保護發(fā)揮作用，就必須要能夠選擇正確的熔斷器的熔體以及低壓過電流保護定值。另外還要正確選擇高壓側熔絲，高壓側熔絲必須要能夠在出現短路時被熔斷，從而有效發(fā)揮配變短路保護和過載保護裝置的作用。

2.2.2 裝設避雷器保護

利用無間隙金屬氧化物避雷器進行過電壓的保護，防止變壓器在遭受到雷擊之后產生變壓器內部和外部過電壓，導致絕緣材料的損毀或者是擊穿。首先該保護設施在選擇的過程中一定要采用合格的產品，其次要對運行的設備進行定期的試驗，最后要對電阻進行定期檢測和更換，保障保護裝置能夠正常運行。電力變壓器裝設避雷器保護如圖6 所示。

圖6 電力變壓器裝設避雷器保護圖

2.2.3 定期巡視

另外還需要對變壓器的運行情況進行定期的巡視和檢測，頻率為1 次/月，對變壓器進行巡視的內容主要包括：變壓器的溫度油位、絕緣材料、電力變壓器過負荷、分接開關接觸狀況、線圈、匝間短路硅鋼片絕緣和油溫變溫度計等。因為這些檢測項目如果出現異常，就意味著電力變壓器可能存在某些故障，需要進行維修。

2.2.4 日常維護

變壓器的日常維護包括清除變壓器下部積水和污物；沖洗冷卻器；更換呼吸器內的硅膠；變壓器外部清掃。為了檢查電力變壓器的正常運行，可以進行以下幾個方面的檢查：①檢查油枕與充油套管內油面的高度，如果封閉部分的油量符合設計要求，則說明油量正常。②檢查電力變壓器底層油溫是否達到熱70%，通過檢查底層油溫是否達到設定的溫度，可以判斷變壓器是否正常工作。③檢查電源變壓器的聲音是否正常，通過聽取電源變壓器的聲音，可以判斷其是否存在異常噪音或故障。④檢查口罩是否解鎖，確保變壓器的口罩已經解鎖，以便進行必要的維護和檢修。⑤檢查導熱硅膠的濕度是否達到飽和，確保導熱硅膠沒有吸濕到飽和狀態(tài)，以保證其正常的導熱性能。⑥檢查防爆安全管上的玻璃膜是否完整且無油污，確保防爆安全管上的玻璃膜沒有破損或油污，以保證其正常的安全性能。⑦檢查中間氣體繼電器是否工作，通過檢查中間氣體繼電器的工作狀態(tài)，可以判斷變壓器是否存在故障。

3 結束語

電力變壓器的基本結構具有不可預測性，故障原因分析和故障作用原理的多重性、不可預測性和模糊性，使得電纜絕緣故障診斷變得困難。電力變壓器能否正常運行不僅取決于其結構設計、材料和工藝，還與產品生產中的操作程序和維護信息管理密切相關。