變壓器絕緣故障及監測方法研究

葉淳錚

(福建省石獅鴻山熱電有限責任公司，福建 石獅 362712)

變壓器絕緣故障及監測方法研究

葉淳錚

(福建省石獅鴻山熱電有限責任公司，福建 石獅 362712)

對變壓器絕緣狀態進行在線監測，有助于在長期運行中降低設備的不可用率，分析了大型電力變壓器可能存在的繞組變形，局部放電和絕緣分解故障，并對現有監測方法的優缺點進行了分析。

變壓器；繞組變形；局部放電；絕緣分解；監測方法

1 引言

變壓器作為電力系統輸變電的關鍵設備，其運行的可靠性對保障電力系統安全穩定運行具有重要意義。大型電力變壓器價值昂貴結構復雜，一旦發生故障，可能導致局部或大面積停電，給社會經濟和人民生活帶來不良影響，因此降低變壓器運行的故障率一直是變壓器故障診斷工作的重點。

對變壓器絕緣狀態進行在線監測，隨時掌握設備的運行狀況，有助于在長期運行中降低設備的不可用率，從而提高經濟效益；可以幫助優化維護工作的周期和內容，從而減少維護費用；在過負荷運行時，能提高電網控制性能和監視運行的可靠性[1-2]。

2 繞組變形故障及監測

變壓器遭受短路沖擊時，繞組受到輻向力、軸向力和周向力(或扭矩)的作用，會發生相應的變形，即輻向位移、軸向位移和扭曲(或繞組轉動)，以及包括斷股、匝間短路、引線位移和靜電板引線斷開等的特殊變形。從表面上看，特殊變形的變壓器繞組其尺寸未發生變化，但是變壓器等效電路中單位長度的分布電感和電容卻發生了變化，因而繞組的頻率響應特性發生了變化，故把這類變形稱之為特殊變形。實際運行中的變壓器繞組變形有時是幾種變形同時發生的。

實際應用當中，除需要確定變壓器是否發生了繞組變形，更需要確定繞組的變形程度，以便決定變壓器是否繼續投運。為此規定了3種狀態:正常(或無明顯變形)、中度變形和嚴重變形[3]。具體定義如下:

(1)正常(或無明顯變形)指變壓器繞組與出廠時狀態基本一致，或存在不明顯的繞組變形，但仍可以繼續運行，無需檢修。

(2)中度變形指變壓器繞組發生了明顯的變形，在其他實驗合格的情況下，變壓器可以臨時帶病運行，但需要加強監督，應在適當時機安排檢修。若再次遭受短路沖擊或承受過電壓，則有可能造成變壓器損壞。

(3)嚴重變形指變壓器發生了嚴重的繞組變形。在這種情況下，即使其他實驗均合格，也不能繼續運行，否則隨時可能發生損壞事故。

對目前各國普遍采用的變壓器診斷方法進行分析，可以得出以下結論：

(1)低壓脈沖分析法在間隔時間較長時，重復性不好，用在同一天內，確定變壓器是否通過短路實驗時，其重復性是可以接受的。測試系統中出口引線的長短對測試重復性影響較大。對測試變壓器繞組的首端故障不靈敏，尤其對變壓器首端餅間故障不靈敏，而且該法對變壓器各處故障的靈敏度也不一樣。

(2)振動法對測試儀器以及人身安全都有影響。且這種方法受油溫以及有油無油狀態影響嚴重。

(3)短路阻抗法需要動用龐大的實驗設備，且費時、費力。而且靈敏度不高，難以保證測量精度，誤診率高達40%，在現場使用有很大困難。現在的短路阻抗的測量方法都是離線測量，不能實時監測變壓器繞組的狀況。

(4)在線監測漏抗法無需額外施加激勵，他既可研制獨立的裝置也可作為微機型變壓器后備保護裝置或在變電所綜合自動化系統中實現，具有實時、不受干擾、判據明確等特點。

(5)內窺鏡檢測法在現場有很大的局限性。

(6)頻率響應分析法的測試重復性比較好，可用于系統中運行變壓器繞組變形的檢測。對待測試繞組首端故障不靈敏，尤其對變壓器首端餅間故障測試不靈敏。同時對變壓器各處故障的靈敏度也不一樣。測試現場附近的懸浮電極對測試重復性影響較小。

3 局部放電故障及監測

目前的大型電力變壓器多為油浸式電力變壓器，其絕緣結構主要由油、紙、紙板和其他固體絕緣等構成的固體-油絕緣結構。雖然在設計上具有足夠的電氣強度和優良的機械性能，但是制造過程中的偶然因素會造成一些先天性局部缺陷，如氣泡、裂縫、懸浮導電質點和電極毛刺等。正是這些缺陷會造成絕緣體內部或表面出現某些區域電場強度高于平均電場強度，當這些區域的擊穿場強低于平均擊穿場強時，將會首先發生放電、而其他區域仍保持絕緣特性，從而形成局部放電[4]。

圖1 頻響分析法原理接線圖

國內外的研究表明，變壓器內部的局部放電會產生一系列理化現象，如脈沖電流、電磁輻射、超聲波、光信號以及絕緣油中氣體組分的變化等。根據局部放電所表現的特征，人們研究出各種局部放電的檢測方法，其中主要包括常規脈沖電流法、超聲波法、特高頻法和寬頻帶脈沖電流法等。

常規脈沖電流法的缺點為：

①由于運行現場干擾嚴重，導致脈沖電流法無法有效應用于在線監測；

②對于變壓器這類具有繞組結構的設備，由于局部放電在繞組內的傳播導致脈沖電流法在標定時產生很大的誤差；

③當試樣的電容量較大時，受耦合電容的影響，測試儀器的測量靈敏度隨著試品電容增加而下降；

④測量頻率低，頻帶窄，包含的信息量少。

超聲波法的優點在于可以有效避免現場的電磁干擾，但目前的超聲傳感器靈敏度較低，無法在現場有效地測到信號，因此超聲檢測主要用于定性地判斷局放信號的有無，以及結合脈沖電流法或直接利用超聲信號對局部放電源進行物理定位。在電力變壓器的離線和在線檢測中，他是主要的輔助測量手段。

UHF檢測的特點是頻帶寬，高頻性能好(如圖2所示)。其在局部放電檢測領域具有其他方法無法比擬的優點，因而在近年來得到了迅速的發展和廣泛的應用。目前，特高頻方法的研究也面臨著一些問題，由于測量機理與脈沖電流法不同，因此無法進行視在放電量的標定，而且前大多數工程人員已經習慣于通過視在放電量來反映局部放電的嚴重程度，IEC規定有關局部放電的變壓器產品出廠標準中，其指標也是通過局放量的閡值來規定的。目前的研究表明，即使在局部放電源到傳感器之間的傳播路徑不變的情況下，脈沖電流法的視在局放量與特高頻方法所測得的脈沖信號幅值之間也沒有確定的對應關系，這就加大了應用該方法進行局部放電量標定的難度再者，由于變壓器內部絕緣結構的復雜性，局部放電產生的電磁波在內部的傳播將存在大量的散射、折反射以及衰減，因而傳播特性研究工作將注定是難度很大而且充滿挑戰的。

寬帶脈沖電流法檢測方法是常規脈沖電流法(多為40～200kHz，至多不超過1MHz)在頻率范圍上的展寬，這就使其具有測量頻帶寬包含的局部放電信息量大等優點，既保留了常規脈沖電流法可以測量放電量的優點，同時可以更加真實地反映局部放電的原始脈沖電流特征，為采用脈沖電流波形分析的方法進行信號與噪聲分離提供了可能，配合局部放電信號其他統計譜圖可以實現不同放電模式的模式識別。

圖2 特高頻天線的典型駐波比

4 絕緣分解及監測

由于變壓器油的耐電強度、傳熱性以及熱量都比空氣好得多，因此目前國內外的電氣設備，特別是大中型電力變壓器、電抗器等基本都采用油浸式結構，變壓器油起著絕緣和散熱雙重作用。而充油電氣設備的內絕緣常采用油紙絕緣結構，變壓器油與絕緣紙相結合構成的油紙絕緣結構具有很高的耐電強度，比單獨采用任何一種材料的耐電強度高很多，這是由于油的絕緣強度和介電系數低于纖維質，油承受較大的場強，用絕緣紙把油分成一定數量的小油隙，既可以消除油中纖維雜質的積累，使之不易形成“小橋”，又可以使電場均勻，提高絕緣的電氣強度。

變壓器油是天然石油經過蒸餾精煉而成的一種礦物油，由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成，其中碳、氫兩種元素占總重量的95%以上，分子中含有CH3*、CH2*和 CH*化學基團，由 C-C 鍵連接在一起，當放電或溫度過高時，某些 C-H 鍵和 C-C 鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩定的碳基化合物的自由基，這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固體顆粒以及碳氫聚合物[5]。

故障初期，所形成的氣體溶解于油中，當故障能量較大時，也可能聚集成游離氣體，低能量放電性故障，如局部放電通過離子反應，促使最弱的 C-H 鍵斷裂，主要重新化合成氫氣而積累。C-C 鍵的斷裂需要較多的能量，即較高的溫度，然后迅速以 C-C 鍵、C=C 鍵和 C≡C 鍵的形式重新化合成烴類氣體，所需要的能量越來越高，即故障溫度也越來越高。

雖然在溫度較低時也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的溫度，即大約 500℃下生成。乙炔一般在 800～1200℃下生成，而且當溫度降低時反應迅速被抑制，作為重新化合的穩定產物而積累，因此雖然在較低的溫度下有時也會有少量乙炔產生，但乙炔主要是在電弧的弧道中產生。

變壓器油起氧化反應時伴隨生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且能長期積累，成為數量顯著的特征氣體。

固體絕緣的主要成分是纖維素，纖維素具有很高的強度和彈性，機械性能良好，其分子內含有大量的無水右旋糖環，以及弱的C-O鍵，他們的熱穩定性比油中的碳氫鍵差，并且能夠在較低的溫度下重新化合。聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同時，產生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烴類氣體和呋喃化合物，同時油被氧化。一氧化碳和二氧化碳的生成不僅隨著溫度升高而加快，并且隨著油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。

分解出的氣體形成氣泡在油中經過對流、擴散，不斷溶解在油中。氣體在變壓器油中的溶解度大小與氣體的特性、油的化學組成以及溶解時的溫度等因素都密切相關。如氫、氮、一氧化碳等氣體的溶解度隨溫度上升而增加，而低分子烴類氣體以及二氧化碳在油中的溶解度則隨溫度升高而降低。

如果氣體的產氣速度很慢，氣體以分子形態擴散并溶解于變壓器油中，即使油中氣體含量很高，只要尚未達到飽和狀態，就不會有自由氣體釋放出來；如果油中溶解氣體已經飽和，則會釋放出自由氣體，進入氣體繼電器。

當產氣速率很高時，分解氣體一部分溶解于油中，另一部分會形成氣泡上浮，并在上浮過程中把油中溶解的氧和氮置換一部分出來，置換過程與氣泡大小和油的粘稠度有關，氣泡越小或油越粘稠，則氣泡上升越慢，與油的接觸時間越長，置換越充分，直到所有的氣體組分達到溶解平衡為止。

我國現行的《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中對新變壓器的氣體含量極限值給出了明確規定，如表1所示，對于新投運的變壓器還要求出廠試驗前后的兩次分析結果，以及投運前后的兩次分析結果不能有明顯區別。正常運行中的變壓器其注意值如表2所示，當氣體濃度達到注意值時，應該對變壓器進行追蹤分析，查明原因。

表1 出廠前電氣設備氣體含量的極限值(μL/L)

表2 運行中電氣設備氣體含量的注意值(μL/L)

5 結論

本文分析了大型電力變壓器可能存在的繞組變形，局部放電和絕緣分解故障，并對每種監測方法的優缺點進行了討論和分析。

[1] 劉振亞.智能電網知識讀本[M].北京:中國電力出版社,2010.

[2] 朱德恒,嚴璋.高電壓絕緣[M].北京:清華大學出版社,1996.

[3] 袁國剛.大型電力變壓器繞組故障機理的理論與試驗研究[D].上海交通大學，2003.

[4] 李燕青.變壓器局部放電超聲的研究[D].保定:華北電力大學,2003.

[5] 熊浩，孫才新，廖瑞金,等.基于核可能性聚類算法和油中溶解氣體分析的電力變壓器故障診斷研究[J].中國電機工程學報，2005，25(20):162-166.

Study on the Insulation Fault and Monitoring Method of Power Systems

YEChun-zheng

(Fujian Shishi Hongshan Cogenetation Powet CO.LED.,Shishi 362712,China)

For on-line monitoring of the transformer insulation states,It is helpful to reduce unavilability of the equipment for along-term operation.The paper analyzes the winding deformation,partial discharge and insulation decompostion that can exist in large power transformers and analyzes its merits and demerits of the monitoring method.

transformer;winding deformation;partial discharge insulation decomposition;monitoring method

1004-289X(2015)02-0018-04

TM41

B

2014-11-19

葉淳錚(1984-)，碩士，福建泉州人，畢業于華北電力大學，中級工程師。