一起大容量電力變壓器局部放電故障分析與處理

胡善福

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

隨著電網發展的信息化、自動化以及發電廠裝機容量的高速增長，電力變壓器的重要性也日益突出，變壓器的安全可靠運行對保障電網的安全運行具有重要意義［1］。大量實例表明，變壓器內部故障多數是由局部放電誘發的。局部放電是指引起導體之間的場強高處絕緣只發生局部橋接的一種放電，而沒有貫穿施加電壓的導體之間，可以發生在導體周圍，也可能發生在其他區域，一般情況下是由絕緣體內部或表面局部電場過于集中導致的［2］。局部放電量超標是變壓器試驗或運行時絕緣系統出現局部故障的前兆，其持續發展將導致絕緣進一步劣化，典型的局部放電類型主要有懸浮放電、尖端放電、氣泡放電和沿面放電等，如果局部放電未能及時處理，完全有可能發展為全面的絕緣擊穿，是影響電力系統安全運行的重大隱患［3］。

局部放電是衡量變壓器絕緣系統結構可靠性的重要指標［4］，中國國家標準GB/T1094.3及IEC60076-3規定110 kV及以上電壓等級的所有變壓器應實施局部放電檢測。局部放電表現為絕緣系統局部區域的微小擊穿，常伴有發光、發熱、電脈沖、電磁輻射、超聲波以及放電導致絕緣材料分解出氣體等現象，通過這些現象可以進行局部放電量檢測［5］。目前，對局部放電源進行定位的方法已有較大發展，有超聲波檢測法、光學檢測法、氣相色譜分析法、射頻檢測法、介質損耗法、紅外成像法、脈沖電流檢測法、超高頻檢測法［6］，其中常用的方法是脈沖電流法和超聲波檢測法，即先通過脈沖電流法大致確定放電源的電氣位置，再通過超聲波定位法確定放電源的空間部位，將此二種方法組合起來使用，能夠達到快速準確地對局部放電部位進行定位的目的［7］。局部放電測量是對變壓器設計、制造過程、生產工藝、材料性能以及現場安裝工藝的綜合檢驗，是變壓器例行試驗中最重要的項目，是變壓器絕緣性能的一項重要指標［8］。

本文針對某臺220 kV大容量電力變壓器在例行試驗中局部放電量超標的故障，說明了如何進行測量診斷、故障定位、物料材質檢測，通過綜合分析，制定了解決方案，最后成功地解決了該故障，相關過程可供變壓器制造廠和變電運行單位參考。

2 故障概況

某電網公司220 kV變電站增容改造工程主變壓器，型號為SFSZ13-240000/220，變壓器的基本信息如表1所示，外部附件布置如圖1所示。

表1 變壓器基本信息

圖1 變壓器外形

2021年11月，此臺變壓器已成功通過例行試驗中的低電壓測試項目，如電壓變比測量，繞組絕緣電阻測量等，而且也已通過空載試驗、負載試驗、雷電沖擊試驗，操作沖擊試驗和外施耐壓試驗。然而，在帶有局部放電測量的感應電壓試驗過程中，高壓A相和B相局部放電量不穩定，局部放電響應波形中偶爾出現閃爍不穩定的尖峰，A相局部放電量最大值約1 000 pC，B相約400 pC，高壓兩相局部放電響應波形及圖譜如圖2所示。變壓器技術協議規定，局部放電量不得大于100 pC，因此需要查明原因，處理合格后才能放行。

圖2 高壓兩相局部放電響應波形和圖譜

3 故障分析

3.1 外部干擾排查

局部放電源也有可能來自于被測試品的外部，因此試驗人員首先對可能存在的外部干擾進行了逐一排查。試驗現場附近無切割、焊接作業，電源輸入側也接入了濾波器。在試驗回路周圍的設備、工裝和環境進行了懸浮電位檢查，相關尖角均采用臨時的屏蔽罩避免過高電場。對于試驗回路的接地線路也一并進行了檢查，未發現套管末屏接觸異常。隨后，對有載調壓開關進行多次調擋操作，以免開關接觸不良［9］。最后，再次對變壓器的相關位置進行充分放氣。排查完畢后，重新施壓測試，高壓A相和B相局部放電量超標現象仍未改變，可排除外部干擾因數。初步判斷變壓器內部存在某種缺陷，需要進一步處理。變壓器試驗人員應不斷提高識別典型局部放電響應波形和干擾波形的能力，正確掌握放電的特征與施加電壓及時間的規律［10］。

3.2 內部故障診斷

局部放電測試后24 h，在變壓器的底部、中部和頂部分別取油樣進行油色譜分析，結果油中無乙炔，其他特征氣體也未見異常。在變壓器的生產實踐中，如果注油速度過快，或注油真空度不夠，吸附在絕緣件、夾件、鐵心上的氣泡不能被有效清除，那么也可能導致氣泡放電引起局部放電超標的現象。為了排除此情況，變壓器進行了放油、再次按工藝要求在真空條件下注油、靜放。隨后的三相接線法局部放電測量結果之前的與之前的相似，仍未好轉，此時開關處于額定擋位，即9B位分接位置，A相局部放電量最大值達1 600 pC，B相約400 pC，但C相正常。如圖3所示，變壓器的高壓中性點接地，高壓線圈的底部、調壓線圈的第9抽頭也處于地電位。為了判斷局部放電源是否在線圈內部，對高壓調壓開關的位置進行了調整，改為第1擋，但試驗時保持匝電壓不變，提高了線圈端部電壓和相間電壓，如圖4所示。

圖3 三相接線法額定擋位測試

圖4 三相接線法1擋位測試

當開關處于第1擋進行的三相接線法局部放電測量結果比較意外，竟然三相局部放電量均正常。但此時線圈匝間、餅間、引線間的電壓均與額定擋位相同，并且高壓端部對地、高壓端部相間電壓提高了12%。此結果表明，缺陷位置不在線圈底部、內部，也不在引線間，更不在高壓套管上。要處理缺陷，必須判斷缺陷所在大致位置，因此需要進行故障定位。

3.3 局部放電故障定位

首先，局部放電定位是基于放電所發生的物理現象查找缺陷部位的一種方法。由于局部放電瞬間會發生正負電荷中和，產生電流脈沖現象。該電流脈沖在局部放電區域產生較高熱量，從而引起區域體積膨脹，放電結束后，該區域又會收縮，這種局部體積周期性變化導致介質疏密的變化，進而形成聲波，聲波頻率一般大于20 kHz而小于300 kHz，在變壓器油中聲波的傳播速度為1 324 m/s，在鋼鐵中為5 000 m/s［11］，由于變壓器內部結構復雜，超聲信號在油箱內部會經過多次折射和反射，超聲傳感器會收到多個超聲信號，在定位過程中需要多個傳感器、在不同位置配合，才能提高定位的準確性。

通過之前的電氣診斷，判斷缺陷部位大致位于高壓A相或B相線圈的上部，需在變壓器的箱蓋和側壁采用多探頭進行超聲波信號探測。有載調壓開關調整在額定擋位進行了測試，局部放電量與之前的相同，并且多個探頭捕捉到了超聲波信號，經過信號分析和變壓設計模型比對，可以判斷局部放電源在A相調壓繞組上端部且靠近B相位置，如圖5紅圈位置所示。此處涉及到調壓線圈端部的端圈、線圈壓板，調壓線圈相關的部分紙筒和絕緣件。

圖5 故障定位結果（紅圈部位）

根據放電起始電壓與熄滅電壓相差較大，起始熄滅電壓比較穩定的現象，結合圖2局部放電響應圖譜，基本判斷定位區域的上述絕緣內部存氣穴的可能性較大。變壓器絕緣件制造過程中存在涂膠過程，紙板中可能有封閉的氣腔，如果未被變壓器油浸透，在高場強作用下氣腔就容易放電。

3.4 絕緣材料檢測分析

該變壓器隨后進行了放油吊芯，并仔細檢查了磁屏蔽、鐵心、夾件、器身，各部件表面均未發現異常現象。然后，器身進入烘爐干燥，拔出上鐵軛，對所懷疑部位進行了重點檢查。各相線圈的上部無雜質異物，引線表面整潔無異常。吊出A相線圈的上部壓板，然后依次拔出調壓線圈、高壓線圈，檢查調壓線圈的內外表面和端圈，高壓線圈的內外表面、靜電屏、角環墊塊、紙筒及撐條，引線包紙絕緣，均未發現故障點。因壓板和調壓線圈的端圈絕緣相對較厚，存在刷膠不均勻、夾雜異物的可能性。因而，裁剪出定位指向區域的壓板，并把樣品送至專業檢測機構進行X光掃描和金屬成分分析，結果顯示壓板內部材質均勻，未見異物，也未發現空腔。壓板也進行了解剖，解剖結果顯示壓板層間粘接均勻，無明顯分層現象。

圖6 端圈解剖局部表面光滑

對于A相端圈的定位指向區域，也進行了逐層解剖，結果發現兩層紙板間的部分區域比較光滑，這部分紙板被送到專業機構進行紅外光譜檢測，檢測結果表明兩側紙板均含有膠質。據供應商反饋端圈層間都進行了刷膠，所以用蛋白質的氨基特征峰進行分析，結果顯示，可疑區域的氨基特征峰與正常含膠區域類似，且有區別于端圈最外部無膠區域，因此判定該可疑區域含有膠質，即紙板層間存在膠水。深入調查該調壓端圈的生產過程，結果發現此只端圈制造過程未完全符合工藝要求。因本批次多臺變壓器的端圈相同，供應商收到訂單后，未按臺份生產，而是將相同規格的端圈一起制作。操作工完成這批次多只端圈的涂膠后，再開始擠壓工藝過程，但多只端圈涂膠總耗時已超過允許時間，即部分涂覆的膠水載擠壓工程開始之前已經固化，端圈在此局部位置粘結強度不足，導致端圈在后續的干燥過程中局部開裂，形成了局部空腔。

綜合上述分析，本次局部放電超標的原因為端圈涂膠時間過長，兩面固化的膠質內藏有局部空腔，導致浸油過程中該區域油沒有充分浸漬。

4 故障處理

（1）絕緣材料供應商重新生產端圈

根據要求，絕緣材料供應商已嚴格落實生產工藝，嚴控產品質量的關鍵工藝參數［12］，從開始涂膠到上壓時間必須控制在允許的時間內。涂覆完每一相端圈立即上模，以縮短涂膠與綁扎的時間間隔。并且供應商已修改制作端圈的工藝記錄卡，需記錄調膠時間、涂膠時間、綁扎結束時間等關鍵數據。

（2）更換局部放電定位指向區域的絕緣材料

局部放電定位指向區域的絕緣材料，包括壓板和公共端圈，高壓和調壓之間的部分絕緣件，調壓線圈及其相關絕緣件，然后按變壓器的生產工藝流程進行器身裝配，器身干燥，部件裝配、主體抽真空、注油，靜放，修復后的變壓器順利通過了例行試驗。

5 結束語

變壓器絕緣缺陷導致變壓器局部放電故障是常見現象，及早地發現缺陷，可避免在運行中造成更大的經濟損失。借助電氣智能化和數字化技術，變壓器局部放電檢測方法和定位技術手段更加成熟和快捷。然而，局部放電所呈現的物理和化學現象隨著絕緣件用料、加工工藝過程的不同而異，在實際的故障排查過程中應根據變壓器的電氣連線和絕緣結構特點，綜合分析，可在不同擋位進行放電量的檢測對比，然后綜合運用電氣診斷、超聲波分析、光譜檢測等技術，進行故障處理。本文為變壓器制造廠和運行單位快速解決類似問題提供了新思路，而且為絕緣材料制造商改進生產工藝流程、制定絕緣件出廠檢測規程提供參考。