变压器化学绝缘故障类型分析

变压器化学绝缘故障类型分析

陶海燕

国网通辽供电公司

摘要：随着输电电压等级的不断提高，变压器的容量和电压等级也相应升高，对变压器可靠性的要求也更高。本文从电气设备绝缘材料故障谈起，随后就变压器绝缘材料的老化机理进行了说明，最后就电气设备故障类型、故障诊断方法和故障诊断步骤进行分析。

关键词：变压器化学绝缘故障  故障诊断 

   随着国家电网建设突飞猛进的发展，高电压等级的大型变压器在产品技术性能和安全可靠性上都有了很大提高，在实际工作中为了确保变压器的安全运行，进行变压器的化学绝缘监督与故障分析对变压器的安全运行具有重要作用，故障类型判断及其特征分析对安全生产运行具有重要意义。

1.1变压器化学绝缘故障。

   变压器涉及产气的故障称为内部故障，这种通过分析变压器内部油中气体特征的故障称为化学绝缘监督与故障分析，在变压器的运行过程中，由于受到环境、机械、电、热等各种因素的影响，绝缘材料会逐渐劣化从而导致变压器故障，绝缘材料的性能决定了变压器的使用寿命。实践证明，变压器85％的故障因素都是由变压器绝缘系统引起的。一是由于绝缘材料薄、油道窄等变压器设计不合理的原因导致变压器投入不久就会产生故障；二是变压器相问绝缘裕度不够导致的相间短路故障；三是变压器内部的洁净度不高，金属杂质覆盖在变压器表面和变压器线圈之上，导致变压器运行过程中产生局部放电；四是变压器的绝缘管、绝缘筒和绝缘板绝缘成型件在制造过程中受到污染，导致局部放电，降低了绝缘件的绝缘效果；五是变压器油箱的密封效果不好，当水分及空气进入变压器内部时，变压器的局部绝缘强度降低，从而导致线圈对油箱的击穿；六是变压器高负荷高温及长时间带负荷运行导致变压器油的老化。以上种种故障都会产生溶解于绝缘油中的气体。

1.2变压器化学绝缘故障类型。

变压器的故障类型可分为热性故障和电性故障。也就是我们常用的术语即过热和放电。过热按温度高低可分为低温过热、中温过热与高温过热三种；放电又可分为局部放电、火花放电、高能量放电三种,此外设备内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障。

1.2.1过热故障分析

所谓过热是指局部过热，又称为热点，它与设备正常运行下的发热有区别。变压器正常运行时，热源来自线圈绕组的铁芯，即所谓的铜损和铁损。正常运行时，由于铜损和铁损转化而来的热量，造成变压器油温升高，通常上层油温不大于85℃。变压器运行温度直接影响到绝缘寿命。一般而言温度每升高8℃，绝缘材料的使用寿命将减少一半。过热性故障在变压器故障中占有很大比例，尽管其危害不像放电性故障严重，但若处理不适当，往往造成严重后果。存在于固体绝缘的热点会引起绝缘劣化与热解，对绝缘危害较大。过热常会从低温逐步发展为高温过热，甚至迅速发展为电弧性放电，造成设备损坏事故。因此对过热性故障决不能轻视，必须在必要时采取适当的措施。

1.2.1.1过热故障发生的部位

过热故障通常发生的部位包括：载流带线和接头不良引起的过热故障，如分接开关动静触头接触不良，引起接头虚焊，线圈股间短路，引线过长或包扎绝缘损伤引起导体间相接产生环流发热，超负荷运行发热，线圈绝缘膨胀油道堵塞而引起的散热不良等。另一种是磁路故障，如铁芯多点接地，铁芯片间短路（接地片，接地隔屏，金属异物，片间绝缘不良等造成的），铁芯与穿心螺钉短路，漏磁引起的油箱、夹件、压环等局部过热。

1.2.1.2过热故障产生气体的特征

热点只影响到绝缘油的分解,而涉及固体绝缘的裸金属过热性故障所产生的气体多为低分子烃类气体，其中甲烷乙烯是特征气体，一般二者之和常占总烃的80%以上。故障点温度较低时，甲烷占的比例大，随着热点温度的升高（500℃以上时），乙烯、氢组分急剧增加，比例增大。当严重过热（800℃以上）时，也会产生少量的乙炔，但其最大含量不超过总烃的6%。较高温度的过热涉及固体绝缘材料时，除产生上述的低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。随着温度的升高，CO/CO2的比值逐渐增大。对于只限于局部油道堵塞或散热不良的过热性故障，由于过热温度较低，对绝缘油的热解作用不大，因而低分子烃类气体不多。但由于绝缘长期承受低温过热的作用，绝缘纸加速老化，甚至炭化，且过热面积较大，此时产生较多的CO、CO2气体。

1.2.1.3案例分析

本地区某220kV变电站（隔膜式）变压器油中含气量：氢气117uL/L，甲烷237uL/L，乙烷101 uL/L，乙烯698uL/L，乙炔3.3uL/L，总烃1039.3uL/L，特征气体是甲烷和乙烯，根据产气的特征分析判断该设备属于大于700℃的过热故障，经大修检查该设备是铁芯片间短路引起的过热，与分析判断相吻合。

1.2.2放电故障分析

1.2.2.1高能量放电（电弧放电）

该故障在变压器、套管、互感器内均有发生。引起电弧放电故障原因通常是线圈匝间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的闪弧，分接开关飞弧和电容屏击穿等。这种故障气体产生剧烈、产气量大，故障气体往往来不及溶解于油中，而聚集到气体继电器引起瓦斯动作。这类故障多为突发性，预兆不明显，测定油中气体一般不易预诊断。通常在出现故障后，需立即对油中气体和瓦斯成分进行分析以判断故障的性质和严重程度。这种故障气体的特征是总烃很高，乙炔（一般占总烃的20～70%）和氢占主要部分，其次是乙烯和甲烷，如果涉及固体绝艳，瓦斯气和油中气的一氧化碳含量都比较高。

1.2.2.2 低能量放电

该故障一般是火花放电，属间歇性放电故障，在变压器、互感器、套管中均有发生。不同电位的导体与导体、绝缘体与绝缘体之间以及不固定电位的悬浮体，在电场极不均匀或畸形以及感应电位下，都可能引起火花放电。如铁芯片间、铁芯接地片接触不良造成的悬浮放电，无载分接开关操作杆拔叉悬浮放电，套管均压球、压碗等松动后悬浮放电，套管末屏接触不良放电等。这种放电产生的主要气体组分也是乙炔和氢气，其次是甲烷和和乙烯，但由于故障能量较小，总烃一般不高。

1.2.2.3 局部放电

该故障是由于固体绝缘中的气泡和尖端造成耐压强度降低，电场集中发生局部放电。这种放电不断蔓延发展，会引起绝缘的损伤（炭化痕迹或穿孔），如电流互感器和电容套管的电容绕包工艺不良或真空干燥工艺不良等，都会造成局部放电。局部放电产气特征是氢组分最多（占氢烃总量的85%以上），其次是甲烷。当放电能量密度高时，会产生少量的乙炔。另外，在绝缘纸层中间有明显可见的蜡状物或放电痕迹。局部放电的后果是加速老化，如任其发展，会导致绝缘丧失介电性能而造成事故。

1.2.3 受潮

在设备内部进水受潮时，油中水分和带湿杂质易形成“小桥”，或者固体绝缘中含有的水分加上内部气隙的存在，共同加速绝缘老化过程，并在强烈局部放电作用下放出氢气。另外，水分在电场作用下发生电解作用，水与铁又会发生电化反应，都可产生大量的氢气。

变压器内部进水受潮时，如不及早发现与及时处理，后果也往往会发展成放电性故障，甚至造成设备损坏

通过油中溶解气体分析，在诊断变压器内部故障时，一般应包括下述内容：判定有无故障；判断故障的性质包括故障类型、故障严重程度与故障发展趋势等；提出相应的安全防范措施。在实际的故障诊断过程中，单一的故障诊断技术也不能解决所有的故障诊断任务，需要把各种不同的技术结合起来，从而提高故障诊断的正确率。无论是什么原因导致变压器过热或放电故障都会导致变压器发生事故，正常的运行监督和运维管理，都会延长其使用寿命，减少变压器的故障率，从而保证电网的安全稳定运行。

参考文献:

[1] 中国质检出版社第二编辑室. 电力用油、气标准汇编第三版[M]. 北京: 中国标准出版社, 2014.

[3] 中国电力工业部. DL/T596-1996电力设备预防性试验规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 1997.