變壓器故障分析及診斷方式

文/張瑞紅

電力變壓器作為連接供電系統(tǒng)各裝置的重要環(huán)節(jié)，其可靠性和持續(xù)性是電力生產(chǎn)和傳輸?shù)年P(guān)鍵。變壓器故障可能發(fā)生于跳閘導(dǎo)致的不可見供斷期，因此，良好的維護(hù)策略是避免電力系統(tǒng)故障至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文通過診斷結(jié)果和實(shí)驗(yàn)綜述了電力系統(tǒng)故障的潛在原因，并對不同類型的測試分析和監(jiān)測手段進(jìn)行研究。大量報(bào)告研究表明，套管失效是變壓器擊穿的主要原因之一，也是本文的關(guān)注重點(diǎn)。

損壞變壓器套管測試揭示了關(guān)于變壓器套管故障的幾個(gè)重要事實(shí)。套管作為變壓器易損壞部分，約44%的大型變壓器強(qiáng)制停運(yùn)與套管和繞組有關(guān)。而國際大電網(wǎng)會議（CIGRΕ/ Conseil International des Grands Reseaux Εlectriques）數(shù)據(jù)顯示約 10%的變壓器故障由套管損壞引起。對變壓器故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)套管失效主要表現(xiàn)為套管、儲能電路、有載調(diào)壓變壓器(OLTC)、阻繞及鐵心故障。從物理學(xué)及電力學(xué)角度來看，套管式變壓器的薄弱部分，其初始擊穿過程難以檢測，常引起套管突然失效進(jìn)而導(dǎo)致變壓器故障。

1 變壓器故障分析

依據(jù)變壓器維護(hù)流程對電力變壓器進(jìn)行故障根源分析，電力變壓器故障可分為三種模式：電力故障、機(jī)械故障和熱力學(xué)故障。這些故障又可進(jìn)一步分為內(nèi)部故障（絕緣老化、線圈松動、過熱、受潮、絕緣油污染、局部放電等）及外部故障（系統(tǒng)轉(zhuǎn)換操作、系統(tǒng)過載、系統(tǒng)錯(cuò)誤等）。絕大部分變壓器故障可以分為電弧放電、電暈放電、纖維過熱和絕緣油過熱四類，每類錯(cuò)誤均對應(yīng)多種成因。以絕緣油污染為例，通常是由于絕緣油降解、過載、熱力學(xué)壓力等因素作用于套管導(dǎo)致。

對變壓器和保護(hù)繼電器引起的跳閘案例進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)87%的變壓器跳閘現(xiàn)象是電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致，這其中10%伴隨著保護(hù)繼電器誤操作，其余則是由于變壓器本身的故障。與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)變壓器的跳閘次數(shù)隨時(shí)間變化。

2 變壓器故障檢測

交流電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，絕緣擊穿導(dǎo)致的電力變壓器故障增加了更換及維修成本。2000年初Pukel[3]提出了變壓器運(yùn)行的三種測試操作，即：常規(guī)試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和用于不同任務(wù)的特殊試驗(yàn)。檢查變壓器狀況的常規(guī)診斷方法有化學(xué)法，電氣法，熱力學(xué)法，光學(xué)和機(jī)械法。含溶解氣體分析（DGA），擊穿電壓和糠醛分析組成的化學(xué)法是當(dāng)前最流行和最重要的診斷方法。Mirzai等[5]基于Weibull分布統(tǒng)計(jì)研究了63/20 kV變壓器的可靠性，由此提出了五種變壓器故障分析方法，包括：定期測試、服務(wù)、保護(hù)操作、絕緣問題和其他（套管故障，開發(fā)，閃電等），這些對改進(jìn)生產(chǎn)和項(xiàng)目運(yùn)營至關(guān)重要。與此同時(shí)，Weibull分布也可用于分析模型的開發(fā)，并預(yù)測聚合絕緣材料的分解時(shí)間。

常采用以下手段研究變壓器故障成因：內(nèi)部檢查和測試，包括物理測試、絕緣油測試和溶解氣體分析。目前，熱性能和電磁場（ΕMF）是確定電力變壓器故障根源的前沿方法，該方法基于AC / DC模塊和有限元方法（應(yīng)用麥克斯韋方程和安培定律）實(shí)現(xiàn)。建模過程分為五個(gè)階段：繪圖（CAD軟件）、設(shè)置域和邊界（邊界條件）、網(wǎng)格化、求解和后處理。

電力變壓器預(yù)測性維護(hù)的早期故障檢測方法主要依據(jù)絕緣和局部放電檢查。近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了故障預(yù)測、設(shè)備維護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)防性測試和故障診斷技術(shù)日趨成熟，提高了電力變壓器的可靠性。基于診斷程序的在線檢測得到廣泛應(yīng)用。相比離線測量，在線測量可靠性高，迭代-傳輸-分配系統(tǒng)可不間斷運(yùn)行。