1、浅议电力变压器绝缘故障及防范措施尹彦民（河北省沧州市黄骅港开发区国华沧东电厂， 河北省 沧州）【摘要】：随着我国电力建设的快速发展，电网容量和电压等级也随之增长，而作为电网中输变电的重要设备变压器运行状况的好坏直接影响到电力系统及输配电设备能否正常运行，通过对变压器的异常运行情况、常见故障分析的经验总结，将有利于准确判断故障原因、性质，以便及时采取有效措施，力争把故障消除在萌芽状态之中，从而保障变压器的安全运行。本文对大型变压器的常见故障的原因进行分析与诊断，希望在其它电厂出现类似故障时提供借鉴和参考。【关键词】： 变压器 常见故障 诊断0 引言随着近年来国民经济的不断增长，我国的电力行业得到
2、迅猛发展，根据国家电网公司“十一五”电网规划及 2020 年远景目标报告，国家电网公司将新建 330kV 及以上交流线路3.8 万 km，变电容量 1.8 亿 kVA，其中，330kV 交流线路 3700km，变电容量 1400 万 kVA，550kV 交流线路 3.3 万 km，变电容量 1.6 亿 kVA，750kV 交流线路 1700km，变电容量780 万 kVA。到 2010 年，全国 330kV 及以上交、直流线路约 11.4 万 km，变电容量约 4.8亿 kVA。截止到 2008 年 10 月，全国变压器行业制造企业销售收入总计为 1453.53 亿元，实现利润 92.21 亿
3、元，已成为世界上最大的变压器生产国。目前，在世界范围内变压器行业已形成几个集团：乌克兰扎布罗什变压器厂，年生产能力 1 亿 kVA，俄罗斯陶里亚蒂变压器厂，年生产能力 4000 万 kVA，ABB 公司共有 29 家变压器厂，年生产能力 0.8 亿1 亿 kVA，日本各厂（三菱、东芝、日立、富士）加在一起，年生产能力 6500 万 kVA。我国变压器市场长期以来一直处于低价竞争的局面，1995 年之前全国的变压器企业只有 100 多家，2000 年“两网改造”的时候，国内变压器企业是 400 多家，而到 2007 年底全行业已经发展到 1412 多家。同时，以跨国公司为代表的外资企业己经由从上
4、世纪的试探性进入变为全面的大规模进入,如 ABB 在华投资的变压器企业有 4 家。使得变压器市场竞争日趋白热化，企业竞相压价，中低档变压器生产能力严重过剩。有关专家认为，我国变压器行业主要有两个发展方向：一是向节能化、小型化方向发展，二是向高压、超高压方向发展，尤其是 750kV、1000kV 电压等级的大型电力变压器。前者主要应用在城市输变电线路上。后者主要应用在长距离的输变电线路上，目前国内已经形成了以 500kV 超高压线路为主干的电力传输网络，一些电力发达地区已经开始采用2750kV 和 1000kV 以上等级的特高压线路，作为输变电的重要设备变压器的安全运行就显得非常的重要。本文通过
5、对变压器绝缘故障原因、特点及影响因素等几方面，判断设备故障原因和性质，进而及时采取有效措施，力争把故障消除在萌芽状态。1 变压器的原理变压器主要是由铁心、绕组（线圈）、油箱、油枕、分接开关、安全气道、绝缘套管、气体继电器（瓦斯继电器）、测温装置等组成。它是一种把电压和电流转变成另一种（或几种）同频率的不同电压电流的电气设备。当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 图 1 500kV 三相变压器立体结构 2 变压器绝缘故障变压器绝
6、缘故障按材料可分为固体材料绝缘故障及液体绝缘材料故障两类，据统计，因变压器绝缘故障所导致的各类故障约占变压器全部故障的 85%以上。对正常运行及注意进行维修管理的变压器，其绝缘材料具有很长的使用寿命。国外根据理论计算及实验研究表明，当小型油浸配电变压器的实际温度持续在 95时，理论寿命将可达 400 年。设计和现场运行的经验说明，维护得好的变压器，实际寿命能达到 5070 年，而按制造厂的设计要求和技术指标，一般把变压器的预期寿命定为 2040 年。因此，保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命，而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提
7、高供电可靠性的关键。2.1 影响变压器绝缘性能的主要因素2.1.1 湿度的影响绝缘油中的微量水分是影响绝缘特性的重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，3介质损耗因数 tg 增大（如图 2、图 3），促进绝缘油老化，绝缘性能劣化。当湿度一定时，含水量越高，分解出的 CO2越多。反之，含水量越低，分解出的 CO 就越多。图 2 水分对油火花放电电压的影响 图 3 水分对油介质损耗因数 tg 的影响2.1.2 温度的影响电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量有着不同的平衡关系曲线。一般情况下，温度升高，纸内
8、水分要向泊中析出，反之，则纸要吸收油中水分。因此，当温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量较大，反之，微水含量就小。温度不同时，使纤维素解环、断链并伴随气体产生的程度有所不同。在一定温度下，CO 和 CO2的产生速度恒定。在温度不断升高时，CO 和 CO2的产生速率往往呈指数规律增大。国际电工委员会(1EC)认为 A 级绝缘的变压器在 80140温度范围内，温度每增加6，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加一倍，变压器的寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化又取决于运行的温度。2.1.3 过电压的影响1) 暂态过电压的影响，三相变压器正常运行产生的相、地间电压是相间电压的 58%，但发生单相故障
9、时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加 30%，对中性点不接地系统将增加 73%，因而可能损伤绝缘。2) 雷电过电压的影响，雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘(匝问、并间、绝缘)上电压分布很不均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。3) 操作过电压的影响，由于操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似线性，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，约与这两个绕组间的匝数成正比，从而容易造成主绝缘或相间绝缘的劣化和损坏。4) 短路电动力的影响，出口短路时的电动力可能会使变压器绕组变形、引线移位，从而改变了原有的绝缘距离，使绝缘发热，加速老化或受到损伤造成放电、拉弧及短路故障。2.2
10、 固体绝缘材料故障变压器的绝缘就是指变压器绝缘材料组成的系统，在变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料绝缘纸、纸板和木块等组成。2.2.1 纤维材料绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子，与4金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子，绝缘体中极小的电导电流主要来自离子电导。极性的纤维不但易于吸潮（水分使强极性介质），而且当纸纤维吸水时，使氢氧根之间的相互作用力变弱，在纤维结构不稳定的条件下机械强度急剧变坏。因此，纸绝缘部件一般要经过干燥或真空子燥处理和浸油或绝缘漆后才能使用，
11、浸漆的目的是保证纤维其有较高的绝缘和化学稳定性及具有较高的机械强度。不同成分纤维材料的性质及相同成分纤维材料的不同品质，其影响大小及性能也不同，变压器大多绝缘材料都是用各种型式的纸(如纸带、纸板、纸的压力成型件等)作绝缘的。因此在变压器制造和检修中选择好纤原料的绝缘纸材料是非常重要的。2.2.2 固体绝缘材料劣化固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。固体绝缘材料是油浸变压器绝缘的主要部分之一，包括：绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学表达式为(C 6H10O6)n，式中 n 为聚合度。一般新纸的聚合度为 1300 左右，当下
12、降至 250 左右，其机械强度已下降了一半以上，极度老化致使寿命终止的聚合度为 150200。绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度将逐渐降低，并生成水、CO、CO 2，其次还有糠醛(呋喃甲醛)。这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降，甚至腐蚀设备中的金属材料。因此油浸变压器固体绝缘材料，应既具有良好的电绝缘性能和机械特性。判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度，或利用高效液相色谱分析技测量油中糠醛含量，以便于分析变压器内部存在故障时，是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度，常见固体绝缘材料故
13、障如下：1）纤维脆裂，当过度受热使水分从纤维材料中脱离，更会加速纤维材料脆化。由于纸材脆化剥落，在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能产生绝缘故障而形成电气事故。2）纤维材料机械强度下降，纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降，当变压器发热造成绝缘材料水分再次排出时，绝缘电阻的数值可能会变高，但其机械强度将会大大下降，绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影响。3）纤维材料本身的收缩，纤维材料在脆化后收缩，使夹紧力降低，可能造成收缩移动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦而损伤绝缘。2.3 液体绝缘材料故障变压器油按绝缘材料分可定为液体绝缘材料，它是从石油中提炼制取
14、的，其主要成分是各种烃、树脂、酸和其他杂质的混合物，性质不都是稳定的，在温度、电场及光合作用等影响下会不断地氧化。正常情况下变压器油的氧化过程进行得很缓慢，如果维护得当甚至使用 20 年还可保持应有的质量而不老化，但混入油中的金属、杂质、气体等会加速氧化的发展，使油质变坏，颜色变深，透明度浑浊。大型变压器一般都采用变压器油作为绝缘及冷却介质。变压器油除具有很高的绝缘强度外，还可将变压器运行中产生的热量通过变压器油的循环，有效的降低变压器的温度，达到延长了变压器使用寿命的目的。 52.3.1 运行中的变压器油除必须具有稳定优良的绝缘性能和导热性能，需具有的性质标准如下表所示。其中绝缘强度 tg、
15、粘度、凝点和酸价等是绝缘油的主要性质指标。2.3.2 变压器油的劣化 变压器油油质变坏，按轻重程度可分为污染和劣化两种类型：1) 变压器油污染是油中混入水分和杂质，这些不是油氧化的产物，污染油的绝缘性能会变坏，击穿电场强度降低，介质损失角增大，主要表现在变压器油 H2等成分超标。2) 变压器油劣化是油氧化后的结果，当然这种氧化并不仅指纯净油中烃类的氧化，而是存在于油中杂质将加速氧化过程，特别是铜、铁、铝金属粉屑等。氧来源于变压器内的空气，即使在全密封的变压器内部仍有容积为 0.25%左右的氧存在，氧的溶解度较高，因此在油中溶解的气体中占有较高的比率。变压器油氧化时，作为催化剂的水分及加速剂的热
16、量，使变压器油生成油泥，其影响主要表现在：在电场的作用下沉淀物粒子大，杂质沉淀集中在电场最强的区域，对变压器的绝缘形成导电的“桥”，沉淀物并不均匀而是形成分离的细长条，同时可能按电力线方向排列，这样无疑妨碍了散热，加速了绝缘材料老化，并导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。3) 变压器油劣化的过程油在劣化过程中主要阶段的生成物有过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥，油的氧化过程是由两个主要反应条件构成的，其一是变压器中酸价过高，油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物转变成不溶于油的化合物，从而逐步使变压器油质劣化。 早期劣化阶段，油中生成的过氧化物与绝缘纤维材料反应生成氧化纤维素，使绝缘纤维机械强度变差，造成
17、脆化和绝缘收缩。生成的酸类是一种粘液状的脂肪酸，尽管腐蚀性没有矿物酸那么强，但其增长速率及对有机绝缘材料的影响是很大的。 后期劣化阶段，是生成油泥，当酸侵蚀铜、铁、绝缘漆等材料时，反应生成油泥，是一种粘稠而类似沥青的聚合型导电物质，它能适度溶解于油中，在电场的作用下生成速度很快，粘附在绝缘材料或变压器箱壳边缘，沉积在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐电强度下降。4) 变压器油质维护注意事项6 绝缘油变质，包括它的物理和化学性能都发生变化，从而使其电性能变坏。通过测试绝缘油的酸值、界面张力、汕泥析出、水溶性酸值等项目，可判断是否属于该类缺陷，对绝缘油进行再生处理，可能消除油变质的产
18、物，但处理过程中也可能去掉了天然抗氧剂。 绝缘油进水受潮，由于水是强极性物质。在电场的作用下易电离分解，而增加了绝缘油的电导电流，因此，微量的水分可使绝缘油介质损耗显著增加。通过测试绝缘油的微水，叮判断是否属于该类缺陷。对绝缘油进行压力式真空滤油，一般能消除水分。 绝缘油感染微生物细菌，例如在主变压器安装或吊芯时，附在绝缘件表面的昆虫和安装人员残留的闩：渍等都有可能携带细菌，从而感染了绝缘油：或者绝缘油本身已感染微生物。主变压器般运行在 4080的环境下，非常有利于这些微生物的生长、繁殖。由于微生物及其排泄物中的矿物质、蛋白质的绝缘性能远远低于绝缘油，从而使得绝缘油介损升高。这种缺陷采用现场循
19、环处理的方法很难处理好，因为无论如何处理，始终有一部分微生物残留在绝缘固体上。处理后，短期内主变压器绝缘会有所恢复，但由于主变压器运行环境非常有利于微生物的生长、繁殖，这些残留微生物还会逐年生长繁殖，从而使某些主变压器绝缘逐年下降。 含有极性物质的醇酸树脂绝缘漆溶解在油中，在电场的作用下，极性物质会发生偶极松弛极化，在交流极化过程中要消耗能量，所以使油的介质损耗上升。虽然绝缘漆在出厂前经过固化处理，但仍可能存在处理不彻底的情况。主变压器运行一段时间后，处理不彻底的绝缘漆逐渐溶解在油中，使之绝缘性能逐渐下降。该类缺陷发生的时间与绝缘漆处理的彻底程度有关，通过一两次吸附处理可取得一定的效果。 油中
20、只混有水分和杂质。这种污染情况并不改变油的基本性质。对于水分可用干燥的办法加以排除；对于杂质可用过滤的办法加以清除；油中的空气可通过抽真空的办法加以排除。 两种及两种以上不同来源的绝缘汕混合使用，油的性质应符合相关规定：油的比重相同、凝固温度相同、粘度相同、闪点相近；且混合后油的安定度也符合要求。对于混油后劣化的油，由于油质已变，产生了酸性物质和油泥，因此需用油再生的化学方法将劣化产物分离出来，才能恢复其性质。3 降低变压器绝缘故障措施1 变压器绝缘材料绝缘性能好坏主要由纤原料的绝缘纸材料是否良好所决定，要注意监督变压器出厂时，应选用性能良好的绝缘材料。2 在变压器运行及维护中，注意控制变压器
21、负荷，特别要保证不要超温，而且要保证运行环境空气流通、散热条件好。3 应注意防止变压器温升超标和箱体缺油及防止油质污染造成劣化，而导致加速变压器纤维材料老化现象的发生。4 定期取油样化验变压器油的各种成分含量，尤其是 H2、CO、CO 2、水分等成分，当化验变压器中上述成分超标时，立即采取措施进行处理。4 结束语7变压器与其它电气设备相比故障率较低，但是一旦发生故障将会给电网及所属发电公司带来极大的影响。因此，作为变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化合理的运行管理，才能保证电力变压器的使用效率、寿命和供电可靠性
22、。同时通过对变压器运行中的各种异常及故障现象进行分析，并作出迅速而正确的判断及处理，力争把隐患消除在萌芽状态，从而保证变压器及电网的安全稳定运行。参考文献：1电力设备预防性试验规程中华人民共和国电力行业标准 DL/T596-1996，中国电力出版社，19962英AC.富兰克林 DP富兰克林变压器全书中译本，机械工业出版社，19903电力变压器故障分析与技术改进中国电力出版社，王世阁，20044电气绝缘在线检测技术中国电力出版社，严璋，199895电气设备预防性试验方法水利电力出版社，陈化钢，19994作者简介：1作者简介：尹彦民，1974 年出生，男，工程师，本科学历，河北国华沧东发电有限责任公司生产技术工作。2 联系方式：河北省沧州市黄骅港开发区国华沧东电厂生产技术部，电话：0317-5765206，邮箱：TLQHYYM。
