關于電力變壓器的故障因素與風險分析

【摘要】電力變壓器是電力系統的關鍵設備之一，在電力輸送系統中占有至關重要的作用，它是電網中能量的傳輸和轉換的重要設備，因此其運行狀態直接關系到電網運行的安全與可靠性。在實際的輸電網建設過程中，既要選擇使用質量可靠、技術過關的變壓器，還要隨時監控與評估電力變壓器的運行狀態，以便能及時發現故障而進行維護檢修，確保電力變壓器的穩定運行。本文系統的分析了電力變壓器的危險性，包括人身傷害和設備故障等，并運用了魚骨圖分析法詳細分析了油浸式電力變壓器的火災爆炸危險性，為變壓器的風險管理和控制提供參考。

【關鍵詞】電力變壓器；事故隱患；風險

1.引言

電力輸電系統的系統化、安全化運行以及經濟效益都取決于變壓器的可靠性、穩定性地運行，在工業生產、民用生活中，若電力變壓器出現事故，將直接危及正常的生產及民用生活，嚴重者可能引發重大安全事故或使供電企業蒙受重大經濟損失。另一方面，在變壓器的運行過程中，或在變壓器養護、檢修環節可能發生人身傷亡事故，因此，系統的辨識與分析變壓器的危險性，對安全生產具有重要意義。

2.電力變壓器風險分析

2.1 觸電危害

電力變壓器電壓等級較高，目前普遍采用的高壓變壓器電壓等級一般為66kV、110kV、220kV、550kV等，如此高的電壓，工作人員在運行及檢修過程中可能發生觸電危險，比如運行檢修過程中違章作業，未按規定辦理工作票或操作票或未按工作票或操作票進行操作，未按規定進行接地便開始工作等。

2.2 火災爆炸

變壓器是基于電磁感應原理，將交流電能轉化為各種電流、電壓參數的另一種電能設備。變壓器采用有機可燃物質（如木材、布、紙和棉紗等）制作支架與絕緣襯墊，并涂有大量絕緣油。用料比例根據變壓器工作能力而定，比如1000千瓦的變壓器需要1t的絕緣油、40kg的紙料和0.012m3的木材。當變壓器超負荷運轉，或內部短路，在高溫或電弧的影響下，其內部的有機可燃物會分解燃燒，產生大量煙氣，致使變壓器因內部壓力快速增大使外殼爆裂，噴出的絕緣油助長了火勢，導致大面積停電事故，給日常生產和生活帶來了諸多不便。采用魚骨圖對運行中的變壓器發生火災和爆炸的原因進行分析，如圖1所示。

圖1 油浸電力變壓器火災爆炸魚骨分析圖

2.2.1 絕緣損壞

①線圈絕緣老化。變壓器長期超負荷運轉會使線圈發熱，加速絕緣老化，導致內部短路（主要是相間短路、匝間短路、對地短路），進而使變壓器外殼爆裂，引發大面積停電事故。②油質不佳，油量過少。絕緣油在儲運或運行維護時，因儲運或維護措施做得不到位，使油中混入雜質或水分，影響了油的絕緣性能。如果油體絕緣性能下降至一定范圍，就會導致變壓器內部短路。③鐵芯絕緣老化損壞。硅鋼片之間的絕緣材料因使用時間過長而逐漸老化，或夾緊鐵芯的螺栓套管損壞，鐵芯產生很大的渦流使線圈發熱，使變壓器內部溫度急劇升高，進而加速絕緣材料的老化程度。④檢修不當，破壞絕緣。檢修吊芯的過程中，因操作不當，損壞了線圈的瓷套管和絕緣體。在這種情況下如果變壓器繼續運行，輕則閃絡，重則短路。

2.2.2 導線接觸不良

線圈內部的接頭、線圈之間的連接點和引至高、低的瓷套管的接點及分接開關上各接點接觸不良，就會導致局部發熱，加速絕緣老化，進而導致變壓器內部出現斷路或短路現象。由此產生的高溫電弧會快速分解絕緣油，使其失去絕緣功能，隨之產生的大量煙氣會導致變壓器內部壓力劇增，當壓力升高到上限值后便會使變壓器外殼突然爆裂，產生嚴重的后果。據調查，導線接觸不良主要包括三種情況：一分接開關接點損壞，二螺栓松脫，三焊接質量差。

2.2.3 接地不良

接地的油浸電力變壓器當三相負載失衡時，零線就會通電流。如果零線電流和接地點接觸電阻都比較大，就會急劇抬高接地點的溫度，當溫升超上限制就會造成有機可燃物燃燒。

2.2.4 過電壓、過電流

油浸電力變壓器主要通過架空線通電流，如遇雷雨天氣，線路被雷擊中后產生過電壓的侵襲，輕則變壓器的絕緣材料被擊穿，重則導致變壓器直接被燒毀引發火災。鑒于此，變壓器管理人員應該事先采取防雷措施。另外變壓器在操作過電壓及諧振過電壓下也可能導致火災爆炸事故。

當變壓器超負荷運轉致使內部短路，強大的短路電流通過變壓器，如果保護系統失靈或整定值過大，變壓器就可能被燒毀。此類事故屬于變壓器運轉中的常見故障之一?；诠╇娤到y穩定性的考慮，管理部門應該為變壓器安裝短路保護。

2.2.5 外部火源

變壓器在外部火源，如檢修時的電、氣焊火花，變壓器周圍設備及建構筑火災波及變壓器等，均可能導致變壓器火災爆炸事故。

2.3 電磁輻射

電力變壓器運行過程中，會產生電磁輻射。電磁輻射一旦超標，就會對周圍環境造成電磁輻射污染，會嚴重影響人體機能，如導致人體植物神經功能紊亂，血壓、血相失調，嚴重時還會損傷人眼。變壓器所產生的磁輻射，在空氣中的衰減率非常大，與微波爐運行時放射出的輻射量相差無幾；國際上規定變壓器距離居民樓應有0.9米的距離，而供電局在安裝時，保證變壓器距離居民樓2米以上。

2.4 噪聲危害

變壓器運行時會產生中低頻噪聲污染，如電磁噪聲以及通過冷卻風機、通風風機形成的空氣動力噪聲。國產變壓器的噪聲值通常設定為60～75分貝，室內變電站對變壓器性能指標要求較為嚴格，變壓器噪聲值通常設定在65分貝以內。

2.5 其它危害

電力變壓器故障造成設備損壞或停運。電力變壓器在運行過程中通常發生的故障包括：密封不良、絕緣故障、分接開關故障、繞組故障、引線故障、套管故障或鐵芯故障等。這些故障若不能及時被排除，將導致設備損壞或停運，甚至導致火災和爆炸事故。

3.電力變壓器故障及原因分析

3.1 繞組故障

①假設線圈上銅導線表面有棱、刺，曲率半徑較小，那么處于工作狀態的變壓器頻頻受到電磁干擾時，尤其是當變壓器外部發生短路，或電磁干擾合閘操作過程，使導線上產生的毛刺損壞絕緣，造成線圈匝間短路。②如果變壓器線圈因接頭焊接質量差而影響線圈導電質量，線圈引出線與套管導電桿連接處存在缺陷，變壓器在工作狀態下往往因接頭溫度過高而出現局部絕緣劣化的現象；當接頭被熔斷，繞組就會出現短路現象。③如果線圈的絕緣體內有水滲入，或未按要求將絕緣體充分干燥，當變壓器工作時就容易出現匝間短路的問題。④處于工作狀態下的變壓器，其外部發生嚴重的短路故障時，電動力與機械力的雙重作用會使變壓器繞組發生嚴重的形變。比如繞組匝間短路、鼓包或形變；繞組軸向和徑向尺寸的變動；變壓器位置移動等。就現階段變壓器運行故障來分析，繞組變形無疑是破壞變壓器正常運行裝填的主要故障隱患之一。⑤繞組薄弱處的絕緣在瞬變過程中，如受雷電沖擊、對地弧光放電、沖擊合閘時，可能會破損或被擊穿。⑥變壓器如果長時間負載運行，內部會因溫升過高而加速線圈絕緣老化，使繞組匝間短路；另外，在高溫環境中，變壓器內部的絕緣油加速劣化，致使鐵芯、線圈等構件和油箱底部出現油泥沉積，降低了變壓器散熱效率，進而加劇變壓器內部溫升速率，最終使變壓器內部絕緣材料自燃或導致變壓器外殼爆裂。

3.2 鐵芯故障

變壓器繞組與鐵芯的作用是傳遞和交換電磁能量。要提高變壓器運行時的穩定性，一方面要確保繞組質量符合變壓器的使用要求，同時也要嚴把鐵芯質量關。磁路中的故障就是變壓器的鐵芯、鐵軛及其夾件中發生的故障。磁路故障是變壓器運行過程中常見故障之一。具體來講，磁路故障大致涵蓋了以下三種情況：①鐵軛夾件之間的絕緣或鐵芯疊片之間的絕緣破損。此時會產生強大的循環渦流和很多熱量，損壞線圈及鐵芯的絕緣材料，并隨之加劇變壓器的鐵損。②制備變壓器鐵芯時，如果鐵軛或鐵芯疊片邊緣存在明顯的毛刺、鐵芯疊片小幅度彎折或疊片之間夾金屬物，那么變壓器運行時，這些質量問題就會使變壓器鐵芯疊片的局部短路，由此形成的渦流會使鐵芯局部溫度驟然上升。③變壓器穩定運行時必須保證變壓器鐵芯是一點接地。如果鐵芯多點接地，運行中的變壓器運行時可能出現局部過熱的問題，嚴重時可能使變壓器跳閘或直接損壞變壓器。

3.3 分接開關故障

①選擇開關合不到位、接觸不良，導致接觸過熱、放電燒損或斷軸。②切（下轉第27頁）（上接第25頁）換開關內觸點接觸不良，絕緣材料機械強度無法滿足使用需求而破損。③切換開關油室密封性差導致大小油箱相互聯通，致使變壓器本體油箱內的可燃氣體含量超標導致工作人員作出誤判斷。④操作機構內低壓控制電器和配套元件制作質量不達標，致使其在使用過程中出現分接開關拒動、連調、位置指示失準等問題。

3.4 引線故障

變壓器內部繞組出線與外部接線的中間元件是引線。引線接頭通常是焊接而成，如果焊接質量不達標，在變壓器運行階段就可能導致引線發生斷路、短路或接觸不良等故障。

3.5 套管故障

套管是變壓器內繞組與油箱外聯結引線的重要保護裝置。因長期處于風雨、污染、電場等惡劣的工作環境中，套管的瓷釉容易龜裂，絕緣油往往快速老化。因此，該部位也是故障多發區。電力變壓器通過套管連接外部的電網和設備，其故障形式主要表現在八個方面：①未按規定的步驟安裝，使套管損壞。②套管末屏接地不良或開斷。③套管內電容屏絕緣存在缺陷致使套管局部放電。④套管導電桿與將軍帽螺紋型號規格不符、引線穿纜線焊接質量差，致使管體過熱。⑤套管和繞組引線聯接固定銷脫落引起懸浮放電。⑥套管漏油，缺油后管體過熱。⑦套管密封性差致使其水分侵入，套管受潮。⑧套管磁套表面有油污沉積，造成套管的污閃。

3.6 絕緣故障

絕緣系統中的故障：變壓器和絕緣紙、板以及絕緣件構成了變壓器油及絕緣系統。絕緣故障的表現主要有以下幾點：①油道小、絕緣材料薄的變壓器服務年限短，通常投運一段時間后就會出現故障。②如果變壓器相間絕緣的裕度不夠，就可能引起相間短路。相間短路故障有時可能由于在相間加入絕緣隔板從而打亂了相間電場強度分布，例如引起油間隙和隔板的電場強度過高而導致隔板的樹枝放電等。③變壓器內部必須保持清潔，尤其是不能出現金屬雜質。即使變壓器線圈表面或器身落有少量金屬雜質，也會嚴重影響爬電距離，進而導致變壓器局部放電、沿面放電等問題，其不良影響的嚴重性顯而易見。④變壓器油道設計與油流速設計與其實際運行條件不符，致使變壓器特別是大型高壓變壓器在運行過程中出現嚴重的油流帶現象。⑤絕緣成型件，譬如由合成樹脂與絕緣紙壓制而成的絕緣件等，制作過程中受到導電質的污染，致使電壓器運行時絕緣件不絕緣反而放電，進而引發絕緣故障。⑥變壓器油箱的密封性差，致使水侵入變壓器內部破壞絕緣件的絕緣效果，并且可能引起引線或線圈對油箱或對鐵芯元件擊穿，此外，線圈匝間絕緣所遭受的破壞作用最大。⑦變壓器絕緣油被污染后絕緣性能下降，進而影響變壓器整體絕緣效果。這是當前變壓器運行階段常見故障之一。⑧變壓器長期負載運行，絕緣油加速老化，油溫升高會加速水、油泥、酸等物質的生成速率。

3.7 密封不良

變壓器密封不良主要接頭處理不好，如焊接質量不良、螺栓亂扣以及法蘭不平等原因造成。其后果是漏油、漏氣，故障時不易發現，影響范圍大。故障模式有密封圈老化、瓷套脫落或破裂、箱體焊點裂紋、潛油泵處露氣等。

4.小結

電力變壓器在運輸、安裝、運行及檢修過程中可能發生人身傷亡或設備事故。對人身的傷害主要有：觸電危害、火災爆炸危害、電磁輻射、噪聲危害等；設備方面的危害因素主要有：火災爆炸以及繞組、鐵芯、分接開關、引線、套管、絕緣、密封不良等故障。因此，在對電力變壓器進行操作、運輸、安裝及檢修過程中應采取相應的措施防止這些危害的發生。

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