推薦！電力變壓器絕緣故障分析及處理措施

電力變壓器視界

2022年5月19日 15:40

目前應用最廣泛的電力變壓器是油浸變壓器和干式樹脂變壓器兩種，電力變壓器的絕緣即是變壓器絕緣材料組成的絕緣系統，它是變壓器正常工作和運行的基本條件，變壓器的使用壽命是由絕緣材料(即油紙或樹脂等)的壽命所決定的。

實踐證明，大多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統的損壞而造成。據統計，因各種類型的絕緣故障形成的事故約占全部變壓器事故的85%以上。對正常運行及注意進行維修管理的變壓器，其絕緣材料具有很長的使用壽命。因此，保護變壓器的正常運行和加強對絕緣系統的合理維護，很大程度上可以保證變壓器具有相對較長的使用壽命，而預防性和預知性維護是提高變壓器使用壽命和提高供電可靠性的關鍵。

油浸變壓器中，主要的絕緣材料是絕緣油及固體絕緣材料絕緣紙、紙板和木塊等c所謂變壓器絕緣的老化，就是這些材料受環境因素的影響發生分解，降低或喪失了絕緣強度。

一

固體紙絕緣故障

固體紙絕緣是油浸變壓器絕緣的主要部分之一，包括：絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、絕緣卷、絕緣綁扎帶等，其主要成分是纖維素，化學表達式為(C6H10O6)n，式中n為聚合度。一般新紙的聚合度為1300左右，當下降至250左右，其機械強度已下降了一半以上，極度老化致使壽命終止的聚合度為150～200。絕緣紙老化后，其聚合度和抗張強度將逐漸降低，并生成水、CO、CO2，其次還有糠醛(呋喃甲醛)。這些老化產物大都對電氣設備有害，會使絕緣紙的擊穿電壓和體積電阻率降低、介損增大、抗拉強度下降，甚致腐蝕設備中的金屬材料。固體絕緣具有不可逆轉的老化特性，其機械和電氣強度的老化降低都是不能恢復的。變壓器的壽命主要取決于絕緣材料的壽命，因此油浸變壓器固體絕緣材料，應既具有良好的電絕緣性能和機械特性，而且長年累月的運行后，其性能下降較慢，即老化特性好。

1、紙纖維材料的性能

絕緣紙纖維材料是油浸變壓器中最主要的絕緣組件材料，紙纖維是植物的基本固體組織成分，組成物質分子的原子中有帶正電的原子核和圍繞原子核運行的帶負電的電子，與金屬導體不同的是絕緣材料中幾乎沒有自由電子，絕緣體中極小的電導電流主要來自離子電導。纖維素由碳、氫和氧組成，這樣由于纖維素分子結構中存在氫氧根，便存在形成水的潛在可能，使紙纖維有含水的特性。此外，這些氫氧根可認為是被各種極性分子(如酸和水)包圍著的中心，它們以氫鍵相結合，使得纖維易受破壞：同時纖維中往往含有一定比例(約7%左右)的雜質，這些雜質中包括一定量的水分，因纖維呈膠體性質，使這些水分尚不能完全除去。這樣也就影響了紙纖維的性能。

極性的纖維不但易于吸潮(水分使強極性介質)，而且當紙纖維吸水時，使氫氧根之間的相互作用力變弱，在纖維結構不穩定的條件下機械強度急劇變壞，因此，紙絕緣部件一般要經過干燥或真空子燥處理和浸油或絕緣漆后才能使用，浸漆的目的是使纖維保持潤濕.保證其有較高的絕緣和化學穩定性及具有較高的機械強度。同時，紙被漆密封后，可減少紙對水分的吸收，阻止材料氧化，還町填充空隙，以減小可能影響絕緣性能、造成局部放電和電擊穿的氣泡。但也有的認為浸漆后再浸油，可能有些漆會慢慢溶人油內，影響油的性能，對這類油漆的應用應充分子以注意。

當然，不同成分纖維材料的性質及相同成分纖維材料的不同品質，其影響大小及性能也不同，如棉花中纖維成分最高，大麻中纖維最結實，某些進口絕緣紙板由于其處理加工好，使性能明顯優于國產某些材質的紙板等。變壓器大多絕緣材料都是用各種型式的紙(如紙帶、紙板、紙的壓力成型件等)作絕緣的。因此在變壓器制造和檢修中選擇好纖原料的絕緣紙材料是非常重要的。纖維紙的特殊優點是實用性強、價格低、使用加工方便，在溫度不高時成型和處理簡單靈活，且重量輕，強度適中，易吸收浸漬材料(如絕緣漆、變壓器油等)。

2、紙絕緣材料的機械強度

油浸變壓器選擇紙絕緣材料最重要的因素除紙的纖維成分、密度、滲透性和均勻性以外，還包括機械強度的要求，包括耐張強度、沖壓強度、撕裂強度和堅韌性：

① 耐張強度：要求紙纖維受到拉伸負荷時，具有能耐受而不被拉斷的最大應力

② 沖壓強度：要求紙纖維具有耐受壓力而不被折斷的能力的量度。

③ 撕裂強度：要求紙纖維發生撕裂所需的力符合相應標準。

④ 堅韌性：是紙折疊或紙板彎曲時的強度能滿足相應要求。

判斷固體絕緣性能可以設法取樣測量紙或紙板的聚合度，或利用高效液相色譜分析技測量油中糠醛含量，以便于分析變壓器內部存在故障時，是否涉及固體絕緣或是否存在引起線圈絕緣局部老化的低溫過熱，或判斷固體絕緣的老化程度。對紙纖維絕緣材料在運行及維護中，應注意控制變壓器額定負荷，要求運行環境空氣流通、散熱條件好，防止變壓器溫升超標和箱體缺油。還要防止油質污染、劣化等造成纖維的加速老化，而損害變壓器的絕緣性能、使用壽命和安全運行。

3、紙纖維材料的劣化

主要包括三個方面：

① 纖維脆裂。

當過度受熱使水分從纖維材料中脫離，更會加速纖維材料脆化。由于紙材脆化剝落，在機械振動、電動應力、操作波等沖擊力的影響下可能產生絕緣故障而形成電氣事故。

② 纖維材料機械強度下降。

纖維材料的機械強度隨受熱時間的延長而下降，當變壓器發熱造成絕緣材料水分再次排出時，絕緣電阻的數值可能會變高，但其機械強度將會大大下降，絕緣紙材將不能抵御短路電流或沖擊負荷等機械力的影響。

③ 纖維材料本身的收縮。

纖維材料在脆化后收縮，使夾緊力降低，可能造成收縮移動，使變壓器繞組在電磁振動或沖擊電壓下移位摩擦而損傷絕緣。

二

液體油絕緣故障

液體絕緣的油浸變壓器是1887年由美國科學家湯姆遜發明的，1892年被美國通用電氣公司等推廣應用于電力變壓器，這里所指的液體絕緣即是變壓器油絕緣。

油浸變壓器的特點：

①大大提高了電氣絕緣強度，縮短了絕緣距離，減小了設備的體積;

②大大提高了變壓器的有效熱傳遞和散熱效果，提高了導線中允許的電流密度，減輕了設備重量，它是將運行變壓器器身的熱量通過變壓器油的熱循環，傳遞到變壓器外殼和散熱器進行散熱，從而提高了有效的冷卻降溫水平;

③由于油浸密封而降低了變壓器內部某些零部件和組件的氧化程度，延長了使用壽命。

1、變壓器油的性能

運行中的變壓器油除必須具有穩定優良的絕緣性能和導熱性能。

其中絕緣強度tg8、粘度、凝點和酸價等是絕緣油的主要性質指標。

從石油中提煉制取的絕緣油是各種烴、樹脂、酸和其他雜質的混合物，其性質不都是穩定的，在溫度、電場及光合作用等影響下會不斷地氧化。正常情況下絕緣油的氧化過程進行得很緩慢，如果維護得當甚至使用20年還可保持應有的質量而不老化，但混入油中的金屬、雜質、氣體等會加速氧化的發展，使油質變壞，顏色變深，透明度渾濁，所含水分、酸價、灰分增加等，使油的性質劣化。

2、變壓器油劣化的原因

變壓器油質變壞，按輕重程度可分為污染和劣化兩個階段。

污染是油中混入水分和雜質，這些不是油氧化的產物，污染油的絕緣性能會變壞，擊穿電場強度降低，介質損失角增大。

劣化是油氧化后的結果，當然這種氧化并不僅指純凈油中烴類的氧化，而是存在于油中雜質將加速氧化過程，特別是銅、鐵、鋁金屬粉屑等。

氧來源于變壓器內的空氣，即使在全密封的變壓器內部仍有容積為0.25%左右的氧存在，氧的溶解度較高，因此在油中溶解的氣體中占有較高的比率。

變壓器油氧化時，作為催化劑的水分及加速劑的熱量，使變壓器油生成油泥，其影響主要表現在：在電場的作用下沉淀物粒子大;雜質沉淀集中在電場最強的區域，對變壓器的絕緣形成導電的“橋”;沉淀物并不均勻而是形成分離的細長條，同時可能按電力線方向排列，這樣無疑妨礙了散熱，加速了絕緣材料老化，并導致絕緣電阻降低和絕緣水平下降。

3、變壓器油劣化的過程

油在劣化過程中主要階段的生成物有過氧化物、酸類、醇類、酮類和油泥。

早期劣化階段。油中生成的過氧化物與絕緣纖維材料反應生成氧化纖維素，使絕緣纖維機械強度變差，造成脆化和絕緣收縮。生成的酸類是一種粘液狀的脂肪酸，盡管腐蝕性沒有礦物酸那么強，但其增長速率及對有機絕緣材料的影響是很大的。

后期劣化階段。是生成油泥，當酸侵蝕銅、鐵、絕緣漆等材料時，反應生成油泥，是一種粘稠而類似瀝青的聚合型導電物質，它能適度溶解于油中，在電場的作用下生成速度很快，粘附在絕緣材料或變壓器箱殼邊緣，沉積在油管及冷卻器散熱片等處，使變壓器工作溫度升高，耐電強度下降。

油的氧化過程是由兩個主要反應條件構成的，其一是變壓器中酸價過高，油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物轉變成不溶于油的化合物，從而逐步使變壓器油質劣化。

4、變壓器油質分析、判斷及維護處理

① 絕緣油變質

包括它的物理和化學性能都發生變化，從而使其電性能變壞。通過測試絕緣油的酸值、界面張力、汕泥析出、水溶性酸值等項目，可判斷是否屬于該類缺陷，，對絕緣油進行再生處理，可能消除油變質的產物，但處理過程中也可能去掉了天然抗氧劑。

② 絕緣油進水受潮，由于水是強極性物質

在電場的作用下易電離分解，而增加了絕緣油的電導電流，因此，微量的水分可使絕緣油介質損耗顯著增加。通過測試絕緣油的微水，叮判斷是否屬于該類缺陷。對絕緣油進行壓力式真空濾油，一般能消除水分。

③ 絕緣油感染微生物細菌

例如在主變壓器安裝或吊芯時，附在絕緣件表面的昆蟲和安裝人員殘留的閂：漬等都有可能攜帶細菌，從而感染了絕緣油：或者絕緣油本身已感染微生物。主變壓器—·般運行在40—80℃的環境下，非常有利于這些微生物的生長、繁殖。由于微生物及其排泄物中的礦物質、蛋白質的絕緣性能遠遠低于絕緣油，從而使得絕緣油介損升高。這種缺陷采用現場循環處理的方法很難處理好，因為無論如何處理，始終有一部分微生物殘留在絕緣固體上。處理后，短期內主變壓器絕緣會有所恢復，但由于主變壓器運行環境非常有利于微生物的生長、繁殖，這些殘留微生物還會逐年生長繁殖，從而使某些主變壓器絕緣逐年下降;

④ 含有極性物質的醇酸樹脂絕緣漆溶解在油中。

在電場的作用下，極性物質會發生偶極松弛極化，在交流極化過程中要消耗能量，所以使油的介質損耗上升。雖然絕緣漆在出廠前經過固化處理，但仍可能存在處理不徹底的情況。主變壓器運行一段時間后，處理不徹底的絕緣漆逐漸溶解在油中，使之絕緣性能逐漸下降。該類缺陷發生的時間與絕緣漆處理的徹底程度有關，通過一兩次吸附處理可取得一定的效果。

⑤ 油中只混有水分和雜質

這種污染情況并不改變油的基本性質。對于水分可用干燥的辦法加以排除;對于雜質可用過濾的辦法加以清除;油中的空氣可通過抽真空的辦法加以排除。

⑥ 兩種及兩種以上不同來源的絕緣汕混合使用

油的性質應符合相關規定;油的比重相同、凝固溫度相同、粘度相同、閃點相近;且混合后油的安定度也符合要求。對于混油后劣化的油，由于油質已變，產生了酸性物質和油泥，閩此需用油再生的化學方法將劣化產物分離出來，才能恢復其性質。

三

干式樹脂變壓器的絕緣與特性

干式變壓器(這里指環氧樹脂絕緣的變壓器) 主要使用在具有較高防火要求的場所。如高層建筑、機場、油庫等。

1、樹脂絕緣的類型

環氧樹指絕緣的變壓器根據制造工藝特點可分為環氧石英砂混合料真空澆注型、環氧無堿玻璃纖維補強真空壓差澆注型和無堿玻璃纖維繞包浸漬型三種。

① 環氧石英砂混合料真空澆注絕緣

這類變壓器是以石英砂為環氧樹脂的填充料，將經絕緣漆浸漬處理繞包好的線圈，放人線圈澆注模內，在真空條件下再用環氧樹脂與石英砂的混合料滴灌澆注。由于澆注工藝難以滿足質量要求，如殘存的氣泡、混合料的局部不均勻及可能導致局部熱應力開裂等，這樣絕緣的變壓器不宜用于濕熱環境和負荷變化較大的區域。

② 環氧無堿玻璃纖維補強真空壓差澆注絕緣

環氧無堿玻璃纖維補強是用無堿玻璃短纖維玻璃氈為繞組層間絕緣的外層繞包絕緣。其最外層的絕緣繞包厚度一般為1～3m的薄絕緣，經環氧樹脂澆注料配比進行混合，并在高真空下除去氣泡澆注，由于繞包絕緣的厚度較薄，當浸漬不良時易形成局部放電點，因此要求澆注料的混合要完全，真空除氣泡要徹底，并掌握好澆注料的低粘度和澆注速度，以保證澆注過程中對線包浸漬的高質量。

③無堿玻璃纖維繞包浸漬絕緣

無堿玻璃纖維繞包浸漬的變壓器是在繞制變壓器線圈的同時，完成線圈層間絕緣處理和線圈浸漬的，它不需要上述兩種方式浸漬過程中的繞組成型模具，但要求樹脂粘度小，在線圈繞制和浸漬的過程中樹脂不應殘留微小氣泡。

2、樹脂變壓器的絕緣特點及維護
樹脂變壓器的絕緣水平與油浸變壓器相差并不顯著，關鍵在于樹脂變壓器溫升和局部放電這兩項指標上。

① 樹脂變壓器的平均溫升水平比油浸變壓器高，因此，相應要求絕緣材料耐熱的等級更高，但由于變壓器的平均溫升并不反映繞組中最熱點部位的溫度，當絕緣材料的耐熱等級僅按平均溫升選擇，或選配不當，或樹脂變壓器長期過負荷運行，就會影響變壓器的使用壽命。

由于變壓器測量的溫升往往不能反映變壓器最熱點部位的溫度，因此，有條件時最好能在變壓器最大負荷運行下，用紅外測溫儀檢查樹脂變壓器的最熱點部位，并有針對性地調整風扇冷卻設備的方向和角度，控制變壓器局部溫升，保證變壓器的安全運行。

② 樹脂變壓器局部放電量的大小與變壓器的電場分布、樹脂混合均勻度及是否殘存氣泡或樹脂開裂等因素有關，局部放電量的大小影響樹脂變壓器的性能、質量及使用壽命。因此，對樹脂變壓器進行局部放電量的測量、驗收，是對其工藝、質量的綜合考核，在對樹脂變壓器交接驗收及大修后應進行局部放電的測量試驗，并根據局部放電是否變化，來評價其質量和性能的穩定性。

隨著干式變壓器越來越廣泛的應用，在選擇變壓器的同時，應對其工藝結構、絕緣設計、絕緣配置了解清楚，選擇生產工藝及質量保證體系完善、生產管理嚴格，技術性能可靠的產品，確保變壓器的產品質量和耐熱壽命，才能提高變壓器的安全運行和供電可靠性。

四

影響變壓器絕緣故障的主要因素

影響變壓器絕緣性能的主要因素有：溫度、濕度、油保護方式和過電壓影響等。

1、溫度的影響

電力變壓器為油、紙絕緣，在不同溫度下油、紙中含水量有著不同的平衡關系曲線。一般情況下，溫度升高，紙內水分要向泊中析出;反之，則紙要吸收油中水分。因此，當溫度較高時，變壓器內絕緣油的微水含量較大;反之，微水含量就小。

溫度不同時，使纖維素解環、斷鏈并伴隨氣體產生的程度有所不同。在一定溫度下，CO和CO?的產生速度恒定，即油中CO和CO?氣體含量隨時間呈線性關系。在溫度不斷升高時，CO和CO?的產生速率往往呈指數規律增大。因此，油中CO和CO?的含量與絕緣紙熱老化有著直接的關系，并可將含量變化作為密封變壓器中紙層有無異常的判據之一。

變壓器的壽命取決于絕緣的老化程度，而絕緣的老化又取決于運行的溫度。如油浸變壓器在額定負載下，繞組平均溫升為65℃，最熱點溫升為78℃，若平均環境溫度為20C，則最熱點溫度為98℃;在這個溫度下，變壓器可運行20—30年，若變壓器超載運行，溫度升高，促使壽命縮短。

國際電工委員會(1EC)認為A級絕緣的變壓器在80～140C溫度范圍內，溫度每增加6℃，變壓器絕緣有效壽命降低的速度就會增加一倍，這就是6℃法則，說明對熱的限制已比過去認可的8℃法則更為嚴格。

2、濕度的影響

水分的存在將加速紙纖維素降解。因此，CO和CO?的產生與纖維素材料的含水量也有關。當濕度一定時，含水量越高，分解出的CO?越多。反之，含水量越低，分解出的CO就越多。

絕緣油中的微量水分是影響絕緣特性的重要因素之一。絕緣油中微量水分的存在，對絕緣介質的電氣性能與理化性能都有極大的危害，水分可導致絕緣油的火花放電電壓降低，介質損耗因數tg8增大，促進絕緣油老化，絕緣性能劣化。而設備受潮，不僅導致電力設備的運行可靠性和壽命降低，更可能導致設備損壞甚至危及人身安全。

3、油保護方式的影響

變壓器油中氧的作用會加速絕緣分解反應，而含氧量與油保護方式有關。另外，池保護方式不同，使CO和CO?在油中解和擴散狀況不同。如CO的溶解小，使開放式變壓器CO易擴散至油面空間，因此，開放式變壓器一般情況CO的體積分數不大于300x10-6。密封式變壓器，由于油面與空氣絕緣，使CO和CO?不易揮發，所以其含量較高。

4、過電壓的影響

①暫態過電壓的影響。

三相變壓器正常運行產生的相、地間電壓是相間電壓的58%，但發生單相故障時主絕緣的電壓對中性點接地系統將增加30%，對中性點不接地系統將增加73%，因而可能損傷絕緣。

② 雷電過電壓的影響。

雷電過電壓由于波頭陡，引起縱絕緣(匝問、并間、絕緣)上電壓分布很不均勻，可能在絕緣上留下放電痕跡，從而使固體絕緣受到破壞。

③ 操作過電壓的影響。

由于操作過電壓的波頭相當平緩，所以電壓分布近似線性，操作過電壓波由一個繞組轉移到另一個繞組上時，約與這兩個繞組間的匝數成正比，從而容易造成主絕緣或相間絕緣的劣化和損壞。

5、短路電動力的影響

出口短路時的電動力可能會使變壓器繞組變形、引線移位，從而改變了原有的絕緣距離，使絕緣發熱，加速老化或受到損傷造成放電、拉弧及短路故障。

綜上所述，掌握電力變壓器的絕緣性能及合理的運行維護，直接影響到變壓器的安全運行、使用壽命和供電可靠性，電力變壓器是電力系統中重要而關鍵的主設備，作為變壓器的運行維護人員和管理者必須了解和掌握電力變壓器的絕緣結構、材料性能、工藝質量、維護方法及科學的診斷技術，并進行優化合理的運行管理，才能保證電力變壓器的使用效率、壽命和供電可靠性。

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