鄭州新力電力有限公司 楊武斌

變壓器是電力企業(yè)中的重要設(shè)備，在電網(wǎng)中處于極為重要的地位，是保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人們生產(chǎn)生活用電的關(guān)鍵設(shè)備。由于變壓器長期處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，變壓器故障不可避免。進(jìn)行變壓器早期診斷，對保證變壓器安全運(yùn)行，防止變壓器故障具有重要作用。

一、變壓器的工作原理和組成

1.變壓器工作原理。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理來改變交流電壓的裝置，在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。

2.變壓器的組成。主要包括初級線圈、次級線圈和鐵芯（磁芯）等構(gòu)件。

二、變壓器故障運(yùn)行特征

變壓器的故障有內(nèi)部故障和外部故障兩種。變壓器的內(nèi)部故障從性質(zhì)上一般可以分為熱故障和電故障兩大類。熱故障為變壓器內(nèi)部因散熱不暢形成的局部發(fā)熱過度，從而降低或破壞繞組間絕緣，形成故障。電故障通常是變壓器內(nèi)部在高電壓場強(qiáng)作用下，造成絕緣擊穿放電的現(xiàn)象。

三、變壓器故障類型

1.短路故障。變壓器的短路故障主要指變壓器高低壓進(jìn)出連接線，以及內(nèi)部繞組間或繞組匝間及引線相間、匝間短路或?qū)Φ囟搪范鴮?dǎo)致的故障。

2.放電故障。一是因絕緣能力降低或損壞，造成放電點(diǎn)直接轟擊絕緣，使局部絕緣損害逐漸擴(kuò)大，形成絕緣擊穿。二是因為放電產(chǎn)生熱能和化學(xué)作用，使局部絕緣加劇腐蝕破壞，介損增大，最后導(dǎo)致?lián)舸?/p>

3.絕緣故障。因絕緣老化，降低或喪失了絕緣強(qiáng)度，所造成的故障。造成變壓器絕緣性能退化的主要影響因素有溫度、水分、過電壓等。

4.分接開關(guān)故障。無載分接開關(guān)的故障主要有電路故障、機(jī)械故障、結(jié)構(gòu)組合不合理、絕緣故障等。有載分接開關(guān)本體常見的故障有觸頭燒損、觸頭脫落、滑擋、油箱滲油機(jī)運(yùn)行擋位與顯示擋位不對應(yīng)、主軸扭斷、電氣和機(jī)械連接器失靈等。

5.變壓器保護(hù)及誤動故障。為保護(hù)變壓器正常運(yùn)行，一般都裝設(shè)有相應(yīng)的保護(hù)裝置。如，為防止變壓器本體內(nèi)部故障產(chǎn)生的氣體和絕緣油面降低而設(shè)置的瓦斯保護(hù)；為防止變壓器繞組和引出線相間短路、大接地電流系統(tǒng)側(cè)繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路而設(shè)置的差動保護(hù)或電流速斷保護(hù)。變壓器保護(hù)誤動常在差動保護(hù)和氣體保護(hù)上發(fā)生，而這兩種保護(hù)都是主變壓器的重要保護(hù)。

四、變壓器故障實(shí)例分析

1.變壓器短路故障分析。

（1）案例。某31.5 MV·A、110 kV變壓器發(fā)生短路事故。檢查發(fā)現(xiàn)C相高、中壓繞組嚴(yán)重變形，造成中、低壓繞組短路。事故發(fā)生前，曾多次發(fā)生10 kV、35 kV側(cè)單相接地。35 kV側(cè)過流動作，重全閘動作，同時主變壓器重瓦斯保護(hù)跳主變壓器三側(cè)開關(guān)。經(jīng)檢查35 kV側(cè)距變電站不遠(yuǎn)處B、C相間有放電燒損痕跡。

（2）原因分析。GB1094.5-85規(guī)定，110 kV電力變壓器的短路表觀容量為800 MV·A，應(yīng)能承受的最大非對稱短路電流系數(shù)為2.25。該變壓器在電網(wǎng)最大運(yùn)行方式下，110 kV三相出口短路容量為1 844 MV·A；35 kV三相出口短路為365MV·A；10 kV三相出口短路容量為225.5 MV·A。導(dǎo)致變壓器B、C相繞組在電動力作用下嚴(yán)重變形并燒毀。

2.放電故障案例分析。

（1）案例。某260 MV·A、220 kV變壓器，運(yùn)行中發(fā)生了高壓繞組相間圍屏樹枝狀放電的擊穿事故，事故前5天和前5個月的變壓器油色譜分析見表1。

表1 260 MV·A、220 kV變壓器油色譜分析μL/L

事故前5天的油色譜分析數(shù)據(jù)和前5個月的數(shù)據(jù)相比，總烴增加約110×10-6，一氧化碳增加了1倍。說明放電涉及固體絕緣，情況比較嚴(yán)重，5天后即發(fā)生擊穿。

（2）原因分析與診斷。局部放電故障可以發(fā)生在變壓器內(nèi)外部任何電場集中或絕緣不良的部位，如高壓繞組靜電屏出線、高電壓引線、相間圍屏以及繞組匝間等處。局部放電測試包括電氣法和超聲波法，測試應(yīng)盡量按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加電方法進(jìn)行，應(yīng)使變壓器主絕緣和縱絕緣均承受較高的電壓，使放電缺陷明顯地暴露出來，超聲波法可以幫助確定放電的位置。

3.油箱帶油補(bǔ)焊后色譜分析異常

（1）案例。某31.5 MV·A、110 kV主變進(jìn)行油箱滲漏油的帶油補(bǔ)焊后，第二年色譜檢查分析異常。根據(jù)特征氣體的規(guī)律，利用IEC三比值法對變壓器油色譜進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，此次故障屬放電兼過熱性故障。該變氬氣油色譜分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 31.5 MV·A、110 kV變壓器油色譜分析數(shù)據(jù)μL/L

（2）原因分析與措施。數(shù)據(jù)反映了變壓器存在放電兼過熱故障，因變壓器滲油而帶油補(bǔ)焊，補(bǔ)焊時的溫度高達(dá)千度，油遇高溫裂化分解產(chǎn)生大量特征氣體，補(bǔ)焊后的一周色譜分析，其目的是查補(bǔ)焊后油中氣體上升情況。運(yùn)行一年后，因補(bǔ)焊產(chǎn)生的氣體仍在油中，當(dāng)時未進(jìn)行脫氣處理，加之該主變油枕為氣囊式充氮保護(hù)，油中氣體無法自行散發(fā)出去，故判斷特征氣體為補(bǔ)焊所致。

五、變壓器故障檢測技術(shù)

1.變壓器油中氣體色譜檢測。變壓器故障診斷中，僅靠電氣試驗方法往往難以發(fā)現(xiàn)變壓器的一些局部缺陷和發(fā)熱缺陷，可以采用色譜分析檢測方法分析變壓器中產(chǎn)生的氣體，能夠提前發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障，這對于早期診斷變壓器的故障非常有效。

油色譜分析的原理是基于任何一種特定的烴類氣體的產(chǎn)生速率隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)，在特定溫度下，隨著溫度升高，產(chǎn)氣率最大的氣體依次為CH4、C2H6、C2H2。因此，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱性、局部放電等故障時，這些氣體的含量會迅速增加。

2.局部放電故障檢測。被試變壓器加試電壓時，在鐵芯不飽和的前提下，盡量減小試驗電源頻率，可以減小補(bǔ)償電感的容量。對220 kV及以上變壓器進(jìn)行局部放電試驗的施加電壓及持續(xù)時間要求見表3。

表3 220 kV及以上變壓器局部放電試驗的施加電壓及持續(xù)時間要求

局部放電試驗是對電壓很敏感的試驗，只有當(dāng)內(nèi)部缺陷的場強(qiáng)達(dá)到起始放電場強(qiáng)時，才能觀察到放電。采用工頻試驗電源是無法使繞組中感應(yīng)出足夠高的試驗電壓的，由于鐵芯磁通密度飽和后，勵磁電流及鐵磁損耗都會急劇增加，因此提高電源頻率是唯一可行的方法。在測量電力設(shè)備局部放電時，考慮到在實(shí)際運(yùn)行過程中局放電往往是由于過電壓激發(fā)的，試驗標(biāo)準(zhǔn)中包括了一個短時間的比規(guī)定試驗電壓值高的預(yù)加電壓過程。預(yù)加電壓的目的是人為地產(chǎn)生一個過電壓來模擬實(shí)際運(yùn)行情況，以觀察在規(guī)定條件下的局部放電水平。

3.有載分接開關(guān)檢測。隨著對供電電壓質(zhì)量要求的提高，有載調(diào)壓變壓器已得到了廣泛應(yīng)用。為保證有載調(diào)壓變壓器的可靠運(yùn)行，而對有載分接開關(guān)進(jìn)行檢測，以保證有載分接開關(guān)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）觸頭接觸壓力檢測。分接選擇器和粗選擇器的觸頭接觸壓力檢測，是在某一個工作位置下進(jìn)行的測量。而切換開關(guān)則要求對每對觸頭逐個進(jìn)行測量；首先應(yīng)沿著觸頭壓力的方向，用測力計緩慢地拉起觸頭。當(dāng)歐姆表指針起始動作時，或者信號燈剛熄滅時或者塞尺剛好能自由出入時，測力計上指示的力即為觸頭的接觸壓力。

（2）轉(zhuǎn)動力矩測量。測量轉(zhuǎn)動力矩即測量驅(qū)動機(jī)構(gòu)的最大旋轉(zhuǎn)力矩。測量前，應(yīng)將變壓器油中的轉(zhuǎn)動部分浸入變壓器油內(nèi)，先均勻涂上變壓器油，再將測力始終垂直于手柄桿，正、反時針轉(zhuǎn)動并使切換不停的動作，讀出最大刻度的力即可。

（3）觸頭接觸電阻檢測。檢測采用雙臂電橋或電壓降壓，一般規(guī)定每個觸的接觸電阻值不大于500 μΩ。試驗前，應(yīng)預(yù)先轉(zhuǎn)換數(shù)次；在空氣中試驗時，觸頭應(yīng)涂上變壓器油；用電壓降壓法時，測量回路的電流不可大于額定電流的30%，電壓回路的導(dǎo)線直接接在被試觸頭上。

4.油質(zhì)檢測。變壓器油的品質(zhì)關(guān)系到變壓器的正常運(yùn)行，因此需對變壓器油品質(zhì)進(jìn)行檢測和判斷；當(dāng)變壓器油出現(xiàn)問題時，應(yīng)盡早采取措施，確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）外觀檢測。對油的外觀檢驗采取目測，國標(biāo)GB2536-81要求將所取油樣置于100 mL量筒內(nèi)，在（20±5）℃下觀察，呈透明、無懸浮和機(jī)械雜質(zhì)為合格。純凈的變壓器油應(yīng)是淡黃而略帶微藍(lán)色，清澈、透明、無可見的懸浮物和機(jī)械雜質(zhì)等異物。

（2）酸值與水溶性酸。一般新變壓器油的pH值為6～7。運(yùn)行中的變壓器油的酸值按標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng) ≤0.1；水溶性酸pH值要求≥4.2。對于長期運(yùn)行的變壓器油，由于吸收了空氣中的氧，并與之化合而生成各種有機(jī)酸和本酚類物質(zhì)，這些物質(zhì)會增加油的導(dǎo)電性，在高溫運(yùn)行條件下，這些物質(zhì)也會侵蝕變壓器內(nèi)部的絕緣材料，使之老化，從而縮短變壓器的使用壽命。

（3）閃點(diǎn)。在油中含有揮發(fā)性可燃物質(zhì)時，會降低變壓器油的閃點(diǎn)。由于變壓器內(nèi)部局部放電等故障會造成變壓器過熱，變壓器油在高溫下會裂解生成一些低分子碳?xì)浠衔?。預(yù)試規(guī)程中規(guī)定閃點(diǎn)要≥135℃。

（4）水分。變壓器油會從空氣吸收一定量的水分，這些水分的含量是影響變壓器油絕緣性能的重要因素。預(yù)試規(guī)程規(guī)定，從變壓器油中抽取油樣時，油溫應(yīng)在40～60℃；對運(yùn)行中變壓器油，電壓等級為66～110 kV的變壓器油水分含量應(yīng)≤35mg/L，而電壓等級為220 kV的變壓器油水分含量應(yīng)≤25 mg/L。

（5）油擊穿電壓。油擊穿電壓值是判斷油的凈化程度的尺度。運(yùn)行中的變壓器，不同的電壓等級對油擊穿電壓有不同的要求。預(yù)試規(guī)程規(guī)定，15 kV以下?lián)舸╇妷簯?yīng)≥25 kV，15～3 kV擊穿電壓應(yīng)≥30 kV，60～220 kV擊穿電壓應(yīng)≥35 kV。進(jìn)行油擊穿試驗時，油耐壓儀器的電極形式以球型電極電壓值為最高，球蓋形次之，而平板形相對較低。

（6）變壓器油介損值tgδ。tgδ值的大小可以靈敏地反映出油質(zhì)劣化和受污染的程度。新油中tgδ值一般為0.01%～0.1%；但當(dāng)油品在空氣中氧化、過熱或混入其他雜質(zhì)時，油里面的帶電的膠體物質(zhì)和極性雜質(zhì)會逐漸增多，tgδ值就會隨之增大。因tgδ值隨溫度升高而增大，因此預(yù)試規(guī)程規(guī)定，測定變壓器油tgδ值時，油溫度應(yīng)為90℃。對不同電壓等級的tgδ要求也不相同，300 kV及以下的tgδ≥3×109Ωm

（7）油中含氣量。油與空氣接觸時，空氣會逐漸溶解于油中，并最終達(dá)到飽和狀態(tài)。在25℃和1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，油中可溶氣體含量（體積分?jǐn)?shù)）為10.8%，所以油中氣體在一定條件下會超出飽和量而析出氣泡。因氣體可能聚集起來形成氣泡，當(dāng)溫度和壓力驟降時，形成的氣泡將聚集在絕緣紙層內(nèi)或表面，容易被拉成鏈而導(dǎo)致?lián)舸?/p>

5.絕緣老化檢測。變壓器固體絕緣由于纖維素老化后會生成CO、CO2以及糠醛等物質(zhì)，因此可借助測量CO、CO2以及糠醛的含量和絕緣紙聚合度來診斷變壓器絕緣老化的缺陷，通過產(chǎn)氣速率等模式，判斷絕緣老化的程度。

（1）利用液相色譜法測量油中糠酫的含量，判斷絕緣的老化程度。絕緣紙的主要化學(xué)成分是纖維素，而纖維素的大分子是由D-葡萄糖基單體聚合而成，糠酫是絕緣紙中纖維素大分子解聚后形成的一種主要的氧環(huán)化合物，它可以溶解在變壓器油中，因此可以通過測量油中糠酫的濃度來判斷絕緣的老化程度。利用高效液相色譜分析技術(shù)測定油中糠酫含量，可判斷長期運(yùn)行的變壓器設(shè)備的整體絕緣老化程度；可檢驗是否已存在引起繞組絕緣局部老化的低溫過熱現(xiàn)象；當(dāng)已知變壓器內(nèi)部存在故障時，可判斷是否涉及變壓器的固體絕緣部分。變壓器的運(yùn)行年限不同，糠醛含量的要求也不同，具體見表4。

表4 不同運(yùn)行年限的變壓器對糠醛含量的要求

（2）測量絕緣紙的聚合度，判斷絕緣的老化程度。測量變壓器絕緣紙的聚合度也是一種確定變壓器老化程度的可靠手段。絕緣紙聚合度值的大小能夠反映出絕緣劣化的程度，新的油浸紙的聚全度值約為1 000，當(dāng)受到氧化、水分、溫度等作用后，纖維素降解，大分子發(fā)生斷裂，纖維素長度縮短，D-葡萄糖單體的個數(shù)減少至數(shù)百，而紙的聚合度正是代表了纖維分子中D-葡萄糖單體的個數(shù)。

（3）利用氣相色譜分析法測量CO和CO2的含量，判斷絕緣的老化程度。通過分析檢測CO和CO2的含量及產(chǎn)氣速率的變化，可以對絕緣的老化傾向及其低溫過熱故障加以判斷。由于環(huán)境溫度對CO和CO2的含量影響較大，因此采用年均值更具有代表性，有助于找出CO和CO2含量與運(yùn)行年數(shù)的關(guān)系。其經(jīng)驗公式為

式（1）和式（2）中，YCO為CO年均含量的年均體積分?jǐn)?shù)，YCO為CO2年均含量的年均體積分?jǐn)?shù)，x為運(yùn)行年數(shù)。

由于CO和CO2是絕緣正常老化的產(chǎn)物，也是故障特征氣體。兩者之間的區(qū)別是絕緣老化速度不同，即產(chǎn)生速率的變化規(guī)律不同。正常產(chǎn)氣速率為

當(dāng)產(chǎn)氣速率大于上述正常值，并隨著時間的變化不斷增長時，表明變壓器內(nèi)出現(xiàn)了使絕緣老化速度加快的異常情況。