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是絕緣故障，通過變壓器的絕緣故障診斷，能夠及時準確地發現變壓器中潛在性故障，從而有效預防引起重大安全事故，對電力系統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組成及故障產生的原因

變壓器通常由結構材料、導電材料、絕緣材料和導磁材料組成，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成。在變壓器的運行過程中，受到各種因素的影響（例如環境、機械、電、熱等），絕緣材料會逐漸劣化從而導致變壓器故障，實踐證明，變壓器85%的故障因素都是由變壓器絕緣系統引起的。

目前變壓器中應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，變壓器絕緣系統產生故障的原因主要有以下幾個方面：

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

2）變壓器相間絕緣裕度不夠，容易產生相間短路故障；

3）變壓器內部的潔凈度不高，金屬雜質覆蓋在變壓器表面和變壓器線圈之上，導致變壓器運行過程中產生局部放電；

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，當水分進入變壓器內部時，變壓器的局部絕緣強度降低，從而導致線圈對油箱的擊穿；

6）變壓器長時間負荷運行導致變壓器油老化。

無論是什么原因導致變壓器過熱故障、短路故障都會導致變壓器發生事故，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與故障診斷

3.1 油紙絕緣材料分解產氣的機理

變壓器絕緣材料的老化機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，會發生碳化、氧化等反應，從而產生低分子烴類氣體，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、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、機械、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。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，該技術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系

變壓器的故障類型可分為熱性故障和電性故障，當變壓器內部受潮時，潛伏性故障如何不能及時排除將會發展成為電性故障。熱性故障是指有效熱應力引發的變壓器故障，熱應力引發的絕緣油分解產生的氣體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力的作用下變壓器的絕緣材料劣化，引發電弧放電、火花放電和低能量局部放電等。電弧放電的發展速度快，該故障引發的油中氣體特征是C2H2、H2、C2H4、CH4。火花放電的故障能量較小，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進行故障診斷，主要是為了全面掌握故障的原因、故障的類型，從而預測變壓器的狀態。因此變壓器故障診斷步驟一般是從變壓器中進行油樣品的提取，分析油樣品中的氣體特征，判斷變壓器是否存在故障。如果根據分析判定變壓器存在故障，則需要進一步判斷故障的類型，了解故障的發展趨勢，提出有效的解決方案。如果存在故障的變壓器還需要繼續運行，在運行期間則需要提供監視手段和安全措施，必要時要進行變壓器的內部檢修、限制負荷等。

3）故障診斷方法判斷

目前對變壓器的故障診斷可以依據《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中的規定進行，例如當變壓器油樣品中的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生的氣體含量和溫度之間存在緊密的依賴關系，把氣體分析分組、編碼，作為故障類型判斷的依據；

（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，例如當存在固體絕緣故障時，CO的氣體含量會明顯增加。當變壓器的絕緣材料受潮時，氫氣的氣體含量就較高。

4 結論

由于變壓器的內部絕緣是非常復雜的系統結構，變壓器在運行的過程中，不同時間在相同部位受到的應力也會不同，因此變壓器絕緣材料的老化很難用單一特征進行描述，在實際的故障診斷過程中，單一的故障診斷技術也不能解決所有的故障診斷任務，需要把各種不同的技術結合起來，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，大量的后續研究工作有待繼續。

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