路燈專用電力變壓器的絕緣故障分析與防范

賀新軍

（揚州市城市照明管理處，江蘇揚州225000）

1 絕緣事故概況

路燈專用電力變壓器的安全穩定運行日益受到各界的關注，尤其大容量共用變壓器和專用變壓器越來越多，一旦造成變壓器故障，將影響道路照明系統的正常工作和人們的日常生活，而且變壓器的停運和修復將帶來很大的經濟損失。

分析變壓器絕緣故障和變壓器損壞的原因，以保障變壓器在受控狀態下安全穩定運行，避免造成變壓器損壞。

1.1 變壓器絕緣事故分類

路燈專用變壓器的絕緣事故一般分為以下4類：

1）繞組絕緣事故。主絕緣、匝絕緣、段間絕緣、引線絕緣以及端絕緣等放電、燒損引起的絕緣事故。

2）套管絕緣事故。套管內部絕緣放電引起絕緣損壞，甚至瓷套爆炸，還包括套管外絕緣的沿面放電和空氣間隙的擊穿。

3）分接開關絕緣事故。主要由于切換開關油室內油的絕緣強度嚴重下降，在切換分接時不能滅弧，引起有載分接開關燒毀。另外還有無勵磁分接開關和有載分接開關裸露的導體之間放電，引起相間、相對地或級間短路的事故。

4）鐵心絕緣事故。鐵心的硅鋼片對地絕緣損壞,引起鐵心多點接地，鐵心框架連接點間的絕緣損壞，產生環流引起局部過熱故障。

上述4類事故中，繞組絕緣事故的危害最大。

1.2 變壓器絕緣事故根本原因

為分析變壓器絕緣事故的根本原因，把作用在絕緣上的電場強度分為作用電場強度（簡稱作用場強）和耐受電場強度（簡稱耐受場強）。

作用場強又可分為雷電沖擊作用場強、操作沖擊作用場強和工頻作用場強。這3種類型作用場強不同的絕緣成分有各自的耐受場強，但其共同點是作用場強大于耐受場強便要出絕緣事故。按作用場強和耐受場強的抗衡關系可分為3種情況。

1.2.1 作用場強過高

如110kV和220kV降壓變壓器的第三繞組（10kV或35 kV繞組）在雷擊時出現作用場強高于變壓器本身的正常耐受場強，引起雷擊損壞的絕緣事故。這種事故每年都有發生，占總繞組絕緣事故比率約為百分之幾。

1.2.2 作用場強過高加上耐受場強下降

有的變壓器在操作時絕緣損壞，解體檢查發現，絕緣有受潮現象。這種原因的事故不多，占總繞組絕緣事故的比率約為千分之幾。

1.2.3 耐受場強下降

如變壓器正常運行中耐受場強下降，在正常工作電壓下突然發生絕緣事故。這類絕緣事故頻繁出現，占總繞組絕緣事故比率已超過90%。

1.3 正常運行的變壓器出現絕緣事故的2種方式

正常運行的變壓器出現絕緣事故有2種方式，一種叫突發式事故。這種事故的特點是：按現行的預防性規程進行的預防性試驗合格，其他在線的監測也未發現事故征兆。但在正常運行條件下，變壓器內部突發絕緣擊穿事故，繼電保護動作跳閘。由于故障能量有大有小，或繼電保護動作的時間有快有慢，變壓器損壞的嚴重程度大不相同。

另一種叫垂危式故障。這種事故的特點是：預防性試驗的絕緣性能試驗合格，但從油中溶解氣體的色譜分析發現乙炔。經分析確認與在絕緣部分存在放電有關。停電測量局部放電量（簡稱局放試驗），試驗結果表明，放電狀況異常，甚至在試驗中就發生貫穿性擊穿。將局放試驗和其他試驗結果進行綜合分析，可以作出正確診斷，解體后找到絕緣發生不可逆損壞的故障點。

2 正常運行的變壓器絕緣事故的原因分析

2.1 發生絕緣事故原因分析

2.1.1 制造缺陷

絕緣事故的制造缺陷說，又分“尖角毛刺”說、“金屬異物”說、“顆粒含量”說、“絕緣缺陷”說等。所有這些說法，集中到一點是對放電機理有共識，即認為先發生局部放電，然后在正常工作電壓下引起絕緣擊穿事故。

以前的老舊變壓器，確實有過由于上述種種原因引起的正常工作電壓下絕緣事故。而且事實證明，對放電機理的分析是符合實際的。

但對于大型電力變壓器而言，這類變壓器已運行20多年，有問題早應暴露。如果至今尚未暴露，可以證明實際上已不再存在這類缺陷。20世紀80年代起，220kV及以上電壓等級的變壓器都進行了局放試驗。經驗表明，局放試驗對發現上述種種缺陷特別有效。

因此，對于出廠時局放試驗合格的變壓器，尤其是安裝或檢修后還進行過局放試驗的變壓器，不可能有在正常工作電壓下引起絕緣事故的制造缺陷。

2.1.2 絕緣老化

由于油道堵塞、匝絕緣局部過熱，引起在正常工作電壓下的匝絕緣事故。實際上這是過熱事故。通過油中氣體色譜分析（簡稱DGA），對這類事故是能預防的。

中國的大型電力變壓器都是全密封結構，運行年代不長，不少長年輕載。因此，一般不存在絕緣老化的問題。如果由于絕緣老化引起絕緣事故，將有明顯的老化征象。

對因絕緣事故解體檢修的多臺變壓器，進行老化程度檢查，絕緣老化現象是具體和明顯的，有證據才能成立，否則應排除其可能性。

2.1.3 油流帶電

對于強油循環的大型電力變壓器，在油泵開動的情況下，測量繞組的電位和泄放電流。繞組電位高的可達幾千伏，泄放電流大的超過微安級。油流和固體絕緣摩擦產生靜電是必然的，只是量有多少而已，這叫油流起電。但油流起電不等于“油流帶電”。通常所說的油流帶電，實際指的是油流起電后引起油中放電。以下改稱油流放電。油流放電時在油中產生間歇性的電火花，局部放電測量儀可以收到信號，甚至聽到聲響。持續的油流放電將引起油中出現乙炔。

此時應視為一種故障。需要說明的是由油流帶電發展到油流放電是有條件的。一方面要有足夠的電量，另一方面要形成放電的通道。例如，變壓器在工廠的專門試驗中，從未發現過油流放電，因為內部是干凈的。

個別變壓器在運行中發生過油流放電，少開冷卻器或將內部清理后就不再放電了。油流放電一般發生在繞組下部，該處電位較低，而且一旦發生放電，易于發覺和處理，所以，至今雖有多起油流放電的事例，但并沒有引起過絕緣事故。

如果認為某次工作電壓下突發的絕緣事故是油流帶電引起的，可以對事故變壓器（事故后油未流失）或同類型變壓進行試驗驗證。如果事前未發現油流放電現象，事后又未經試驗驗證，就判定事故原因，是缺乏根據的。

2.1.4 廣義受潮

廣義受潮說認為運行中變壓器內部的水分是運動的，不停遷移和集積，在高電場區域集積一定水分之后，便在正常工作電壓迸發絕緣事故。

2.2 水分對油絕緣的危害性

2.2.1 變壓器內水分的動態特性

變壓器內部的水分有2種存在狀態，一種是受束縛的，一種是自由的。可溶解于油中的水分可以隨油流動而運動，稱之為自由水。物理性吸附于固體絕緣和金屬表面的水分，可溶解到油中成為自由水，稱之為準自由水。

紙絕緣中準自由水含量以百分位計，而油中自由水以PPM計。準自由水的含量比自由水要大。例如，設紙絕緣與油的比例為1：10，當紙絕緣中準自由水為0.5%，油中自由水為10 mg/L，準自由水比自由水就要多50倍。

油中自由水的含量隨溫度的升高而增加，紙中準自由水的含量則隨溫度的升高而下降。變壓器在運行中紙絕緣和油中的水分不停地進行交換。

路燈專用變壓器在運行中油不停循環，變壓器內的電場和溫度場是不均勻的。在高電場處和低溫處容易集積水分，因此，隨變壓器運行時間的延伸，水分在絕緣上的分布越來越不均勻，以致形成水分的局部集積。

水分局部集積的程度首先與含水量有關，對于既定的含水量，則取決于水分的吸引力和擴散力的較量。溫度對水分的集積有驅散作用，而電場強度、紙纖維的極性對水分有顯著的吸引力。

所以，對于自由水和準自由水含量高的變壓器而言，水分可能在高電場區域局部集積到足以引起絕緣事故的程度。

2.2.2 關于受潮的形態與放電的發展過程

通常見到侵入變壓器內部的水分才認為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮來看，變壓器實際受潮形態，可分為兩類：

1）顯性受潮。顯性受潮是指通常所說的“變壓器受潮”，即看到油箱底部或器身上有積水，并且發現水分入侵的原因或途徑。

顯性受潮進入變壓器的水量一般都比較多，如果直接沉淀在油箱底部，暫時對絕緣并無危害，但當水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡，則必然導致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機理屬于熱擊穿，即在局部絕緣中流過傳導電流，焦爾熱使紙絕緣炭化后發展成貫穿性放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導體可能發生熔化。

這種事故的典型事例屢見不鮮，在分析變壓器的絕緣事故時很容易取得共識。這是一種“低級的受潮事故”，現在已經越來越少。

2）隱性受潮。“隱性受潮”是指事故前并未發生水分入侵，只是原有水分悄悄地在絕緣上局部集積。水分集積到足以產生局部放電時，先開始局部放電。局部放電產生氣體，使放電進一步發展。氣體的產生和擴散是一個動態過程，當產氣量大于擴散量，局部放電持續進行，很快發展成貫穿性擊穿。如果產氣量小于擴散量，則局部放電暫時停歇，待水分再次集聚，或選擇其他途徑再次發生局部放電。其間歇的時間因放電部位的狀況不同而差別很大，有的甚至可以停歇幾年。沿紙板的枝狀放電是這種放電形態的典型。

在局部放電發展空間有限的場合，如匝間絕緣下部與墊塊間的油角，集積水分后一旦發生局部放電，很快導致匝絕緣或段間（餅間）絕緣擊穿，形成突發性絕緣事故。前者使用適當的線檢測技術，有可能發覺和避免突發事故。但對于后者，必須采取積極的防御措施，防止自由水的局部集積。

3 防范措施

防止變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故，一是要限止自由水和準自由水的含量，二是限止自由水的局部集積。從制造、安裝、檢修和運行4個環節采取相應措施。

3.1 制造措施

設計變壓器的內絕緣結構，力求工作場強均勻分布，而且盡可能低。例如，匝間工作場強不宜大于2kV。

變壓器真空干燥（最好采用煤油氣相干燥）后，固體絕緣中的含水量應小于0.5%，亦即達到基本上不含自由水的程度。

嚴格進行真空注油。注油時變壓器內可能與油接觸的任何部分吸附的水分都應被清除。注入油的含水量必須小于10 mg/L。請注意10 mg/L意味著每立方米油帶進10 g自由水。

3.2 安裝措施

變壓器在安裝過程中，不可能不接觸大氣，因此絕緣體和金屬表面都會吸附大氣中的水分，為了使變壓器內部的水分恢復到出廠時的水平，變壓器安裝后必須嚴格進行真空干燥和真空注油。

用于抽真空的真空系統（包括真空泵、管道、閥門和表計）的極限真空度必須小于10 Pa。

所有將與油接觸的絕緣體和金屬表面（包括片式散熱器）或其他固體表面（如下瓷套）均要在抽真空的范圍之內。

在抽真空的過程中，應隨時檢查和處理滲漏。當真空度達到實際可能的最高水平（對最高水平的最低要求不應小于133 Pa）后，必須在真空泵繼續運行的條件下保持此真空度（簡稱動態保持）。

真空的動態保持時間應不少于水分滲入時間。滲入時間是指開始與大氣接觸到與大氣隔絕的全過程。這過程包括打開封板進行排油或排氮氣（或干燥空氣）時直接進入大氣的時間，還包括在油箱內封存大氣的時間。

器身在大氣中暴露后，不用抽真空的辦法清除表面吸附水分就注油或打入氮氣（或干燥空氣），不僅不能起到清除水分的作用，而且使表面水分往深層滲透，為常溫下進行真空脫水增加了困難。

在動態保持真空度的條件下，用真空濾油機注入合格的油。油中含水量應小于10 mg/L。如果注入油的含水量較高，利用熱油循環的辦法來降低油中水分，其結果是大部分的水分被紙絕緣吸收，增加了紙絕緣的含水量。

3.3 檢修措施

當發現路燈專用變壓器內的水分比剛投運時明顯增多時，應進行狀態檢修。檢修時用真空干燥和真空注油的辦法來清除水分，其要點與安裝時相同。但新變壓器只是表面吸附水分，而運行中變壓器的水分可能滲透到深層。

真空的動態保持時間應不少于水分的滲出時間。水分滲出時間是指絕緣深層的水分滲透到表面所需的時間。變壓器運作年代越久，不僅水分的含量越多，而且向內滲透越深，因此水分滲出時間也就越長。具體到某一臺變壓器水分的滲出時間為多長，事先是不好確定。只能依靠真空干燥過程中真空度的變化過程來判斷，或依靠真空注油后的絕緣性能試驗結果來分析。例如，真空度遲遲達不到極限值，說明水分在緩慢滲出。又如，真空注油后的繞組絕緣電阻和bgδ還不如檢修以前，說明真空干燥的時間未超過水分的滲出時間，需要重新真空干燥和真空注油。

3.4 運行維護措施

運行中的路燈專用變壓器（包括電容型油紙絕緣套管）應保持嚴密的封閉，避免大氣中的水分和氣體滲透入內。不論是油-氣滲漏或氣-氣滲漏，都有一個互相滲透的過程。應把滲漏問題看作是影響絕緣安全性的重要因素。

參考文：

[1]陳化鋼.電氣設備預防性試驗方法[M].北京：中國水利水電出版社，1994.

[2]陳化鋼.電力設備異常運行及事故處理[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

[3]韓愛芝，曾定文，欒立民.變壓器鐵芯多點接地故障的判斷與處理[J].高電壓技術，1995（4）：68-69.

[4]變壓器油中溶解氣體分析與判斷導則：DL/T 722—2000.[S].2000.

[5]電力設備預防性試驗規程：DL/T 596—1996[S].1996.