大型電力變壓器的絕緣事故分析與防范

電力變壓器視界

2022年9月28日 10:35

大型電力變壓器的安全穩定運行日益受到各界的關注，尤其越來越多的大容量變壓器進網運行，一量造成變壓器故障，將影響正常生產和人民的正常生活，而且大型變壓器的停運和修復將帶來很大的經濟損失，在這種情況下掌握變壓器絕緣受哪些因素影響，會造成變壓器損壞，對變壓器安全穩定運行有一定的好處，使變壓器長期在受控狀態下運行，避免造成變壓器損壞，對變壓器安全可靠運行具有一定現實意義。

1.1變壓器的絕緣事故的分類

變壓器的絕緣事故一般分為以下4類：
1.1.1繞組絕緣事故
指主絕緣、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。

1.1.2套管絕緣事故
指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。

1.1.3分接開關絕緣事故
主要是指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。

1.1.4鐵心絕緣事故
指鐵心的硅鋼片對地絕緣損壞,引起鐵心多點接地。另指鐵心的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。對這三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種形勢：

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35kV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。這種原因的事故每年都有發生。占總的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
如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。雷電沖擊對油紙絕緣中的水分不如操作沖擊敏感。所以這種原因的事故不多，占總的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，占總的繞組絕緣事故的比率已超過90%。

1.3正常運行的變壓器出現絕緣事故的兩種方式
正常運行的變壓器出現絕緣事故有兩種方式，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的預兆。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（C2H2）。經分析確認與在絕緣部分存在放電有關。于是停電進行測量局部放電量的試驗以下（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。實踐表明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，解體后可以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。以及“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。早先的老舊變壓器，確實有過上述種種原因引起正常工作電壓下的絕緣事故，而且事實證明，對放電機理的分析是符合實際的。但就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。上世紀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是特別有效的。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，不可能再有在正常工作電壓下就足以引起絕緣事故的制造缺陷。這正是局放試驗的魔力所在。

2.1.2絕緣老化
我曾經歷幾臺變壓器，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。油中氣體色譜分析（簡稱DGA）對這類事故是能鑒定的。

我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，將有明顯的老化象征。對因絕緣事故解體檢修的多臺變壓器，曾針對老化程度進行檢查，都沒有從老化現象中找到事故證據。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時。繞組電位高的可達幾千伏，泄放電流大的超過微安級。說明油流和固體絕緣摩擦要產生靜電是必然的，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，甚至耳朵可以聽到聲響。持續的油流放電將引起油中出現C2H2。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。一方面是要有足夠的電量，另一方面是要形成放電的通道。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。由于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，不停地遷移和集積，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兩種存在狀態，一種是受束縛的，一種是自由的。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，可以承隨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%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比10，當紙絕緣中準自由水為0.5%，油中自由水為10mg/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在進行交換。

變壓器在運行中油在不停地循環，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。因此隨著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，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
通常在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。從廣義受潮的要領出發，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，部分絕緣被浸泡透，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。但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。對于局部放電發展空間有限的場合，例如匝間絕緣下部與墊塊間的油角中集積水分，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，有可能發覺和防御突發事故。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。