变压器绝缘故障及监测方法研究

叶淳铮

(福建省石狮鸿山热电有限责任公司，福建 石狮 362712)

变压器绝缘故障及监测方法研究

叶淳铮

(福建省石狮鸿山热电有限责任公司，福建 石狮 362712)

对变压器绝缘状态进行在线监测，有助于在长期运行中降低设备的不可用率，分析了大型电力变压器可能存在的绕组变形，局部放电和绝缘分解故障，并对现有监测方法的优缺点进行了分析。

变压器；绕组变形；局部放电；绝缘分解；监测方法

1 引言

变压器作为电力系统输变电的关键设备，其运行的可靠性对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。大型电力变压器价值昂贵结构复杂，一旦发生故障，可能导致局部或大面积停电，给社会经济和人民生活带来不良影响，因此降低变压器运行的故障率一直是变压器故障诊断工作的重点。

对变压器绝缘状态进行在线监测，随时掌握设备的运行状况，有助于在长期运行中降低设备的不可用率，从而提高经济效益；可以帮助优化维护工作的周期和内容，从而减少维护费用；在过负荷运行时，能提高电网控制性能和监视运行的可靠性[1-2]。

2 绕组变形故障及监测

变压器遭受短路冲击时，绕组受到辐向力、轴向力和周向力(或扭矩)的作用，会发生相应的变形，即辐向位移、轴向位移和扭曲(或绕组转动)，以及包括断股、匝间短路、引线位移和静电板引线断开等的特殊变形。从表面上看，特殊变形的变压器绕组其尺寸未发生变化，但是变压器等效电路中单位长度的分布电感和电容却发生了变化，因而绕组的频率响应特性发生了变化，故把这类变形称之为特殊变形。实际运行中的变压器绕组变形有时是几种变形同时发生的。

实际应用当中，除需要确定变压器是否发生了绕组变形，更需要确定绕组的变形程度，以便决定变压器是否继续投运。为此规定了3种状态:正常(或无明显变形)、中度变形和严重变形[3]。具体定义如下:

(1)正常(或无明显变形)指变压器绕组与出厂时状态基本一致，或存在不明显的绕组变形，但仍可以继续运行，无需检修。

(2)中度变形指变压器绕组发生了明显的变形，在其他实验合格的情况下，变压器可以临时带病运行，但需要加强监督，应在适当时机安排检修。若再次遭受短路冲击或承受过电压，则有可能造成变压器损坏。

(3)严重变形指变压器发生了严重的绕组变形。在这种情况下，即使其他实验均合格，也不能继续运行，否则随时可能发生损坏事故。

对目前各国普遍采用的变压器诊断方法进行分析，可以得出以下结论：

(1)低压脉冲分析法在间隔时间较长时，重复性不好，用在同一天内，确定变压器是否通过短路实验时，其重复性是可以接受的。测试系统中出口引线的长短对测试重复性影响较大。对测试变压器绕组的首端故障不灵敏，尤其对变压器首端饼间故障不灵敏，而且该法对变压器各处故障的灵敏度也不一样。

(2)振动法对测试仪器以及人身安全都有影响。且这种方法受油温以及有油无油状态影响严重。

(3)短路阻抗法需要动用庞大的实验设备，且费时、费力。而且灵敏度不高，难以保证测量精度，误诊率高达40%，在现场使用有很大困难。现在的短路阻抗的测量方法都是离线测量，不能实时监测变压器绕组的状况。

(4)在线监测漏抗法无需额外施加激励，他既可研制独立的装置也可作为微机型变压器后备保护装置或在变电所综合自动化系统中实现，具有实时、不受干扰、判据明确等特点。

(5)内窥镜检测法在现场有很大的局限性。

(6)频率响应分析法的测试重复性比较好，可用于系统中运行变压器绕组变形的检测。对待测试绕组首端故障不灵敏，尤其对变压器首端饼间故障测试不灵敏。同时对变压器各处故障的灵敏度也不一样。测试现场附近的悬浮电极对测试重复性影响较小。

3 局部放电故障及监测

目前的大型电力变压器多为油浸式电力变压器，其绝缘结构主要由油、纸、纸板和其他固体绝缘等构成的固体-油绝缘结构。虽然在设计上具有足够的电气强度和优良的机械性能，但是制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷，如气泡、裂缝、悬浮导电质点和电极毛刺等。正是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电、而其他区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电[4]。

图1 频响分析法原理接线图

国内外的研究表明，变压器内部的局部放电会产生一系列理化现象，如脉冲电流、电磁辐射、超声波、光信号以及绝缘油中气体组分的变化等。根据局部放电所表现的特征，人们研究出各种局部放电的检测方法，其中主要包括常规脉冲电流法、超声波法、特高频法和宽频带脉冲电流法等。

常规脉冲电流法的缺点为：

①由于运行现场干扰严重，导致脉冲电流法无法有效应用于在线监测；

②对于变压器这类具有绕组结构的设备，由于局部放电在绕组内的传播导致脉冲电流法在标定时产生很大的误差；

③当试样的电容量较大时，受耦合电容的影响，测试仪器的测量灵敏度随着试品电容增加而下降；

④测量频率低，频带窄，包含的信息量少。

超声波法的优点在于可以有效避免现场的电磁干扰，但目前的超声传感器灵敏度较低，无法在现场有效地测到信号，因此超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电流法或直接利用超声信号对局部放电源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，他是主要的辅助测量手段。

UHF检测的特点是频带宽，高频性能好(如图2所示)。其在局部放电检测领域具有其他方法无法比拟的优点，因而在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用。目前，特高频方法的研究也面临着一些问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标定，而且前大多数工程人员已经习惯于通过视在放电量来反映局部放电的严重程度，IEC规定有关局部放电的变压器产品出厂标准中，其指标也是通过局放量的阂值来规定的。目前的研究表明，即使在局部放电源到传感器之间的传播路径不变的情况下，脉冲电流法的视在局放量与特高频方法所测得的脉冲信号幅值之间也没有确定的对应关系，这就加大了应用该方法进行局部放电量标定的难度再者，由于变压器内部绝缘结构的复杂性，局部放电产生的电磁波在内部的传播将存在大量的散射、折反射以及衰减，因而传播特性研究工作将注定是难度很大而且充满挑战的。

宽带脉冲电流法检测方法是常规脉冲电流法(多为40～200kHz，至多不超过1MHz)在频率范围上的展宽，这就使其具有测量频带宽包含的局部放电信息量大等优点，既保留了常规脉冲电流法可以测量放电量的优点，同时可以更加真实地反映局部放电的原始脉冲电流特征，为采用脉冲电流波形分析的方法进行信号与噪声分离提供了可能，配合局部放电信号其他统计谱图可以实现不同放电模式的模式识别。

图2 特高频天线的典型驻波比

4 绝缘分解及监测

由于变压器油的耐电强度、传热性以及热量都比空气好得多，因此目前国内外的电气设备，特别是大中型电力变压器、电抗器等基本都采用油浸式结构，变压器油起着绝缘和散热双重作用。而充油电气设备的内绝缘常采用油纸绝缘结构，变压器油与绝缘纸相结合构成的油纸绝缘结构具有很高的耐电强度，比单独采用任何一种材料的耐电强度高很多，这是由于油的绝缘强度和介电系数低于纤维质，油承受较大的场强，用绝缘纸把油分成一定数量的小油隙，既可以消除油中纤维杂质的积累，使之不易形成“小桥”，又可以使电场均匀，提高绝缘的电气强度。

变压器油是天然石油经过蒸馏精炼而成的一种矿物油，由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成，其中碳、氢两种元素占总重量的95%以上，分子中含有CH3*、CH2*和 CH*化学基团，由 C-C 键连接在一起，当放电或温度过高时，某些 C-H 键和 C-C 键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物[5]。

故障初期，所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体，低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应，促使最弱的 C-H 键断裂，主要重新化合成氢气而积累。C-C 键的断裂需要较多的能量，即较高的温度，然后迅速以 C-C 键、C=C 键和 C≡C 键的形式重新化合成烃类气体，所需要的能量越来越高，即故障温度也越来越高。

虽然在温度较低时也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的温度，即大约 500℃下生成。乙炔一般在 800～1200℃下生成，而且当温度降低时反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，因此虽然在较低的温度下有时也会有少量乙炔产生，但乙炔主要是在电弧的弧道中产生。

变压器油起氧化反应时伴随生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体。

固体绝缘的主要成分是纤维素，纤维素具有很高的强度和弹性，机械性能良好，其分子内含有大量的无水右旋糖环，以及弱的C-O键，他们的热稳定性比油中的碳氢键差，并且能够在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，产生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。一氧化碳和二氧化碳的生成不仅随着温度升高而加快，并且随着油中氧的含量和纸的湿度增大而增加。

分解出的气体形成气泡在油中经过对流、扩散，不断溶解在油中。气体在变压器油中的溶解度大小与气体的特性、油的化学组成以及溶解时的温度等因素都密切相关。如氢、氮、一氧化碳等气体的溶解度随温度上升而增加，而低分子烃类气体以及二氧化碳在油中的溶解度则随温度升高而降低。

如果气体的产气速度很慢，气体以分子形态扩散并溶解于变压器油中，即使油中气体含量很高，只要尚未达到饱和状态，就不会有自由气体释放出来；如果油中溶解气体已经饱和，则会释放出自由气体，进入气体继电器。

当产气速率很高时，分解气体一部分溶解于油中，另一部分会形成气泡上浮，并在上浮过程中把油中溶解的氧和氮置换一部分出来，置换过程与气泡大小和油的粘稠度有关，气泡越小或油越粘稠，则气泡上升越慢，与油的接触时间越长，置换越充分，直到所有的气体组分达到溶解平衡为止。

我国现行的《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中对新变压器的气体含量极限值给出了明确规定，如表1所示，对于新投运的变压器还要求出厂试验前后的两次分析结果，以及投运前后的两次分析结果不能有明显区别。正常运行中的变压器其注意值如表2所示，当气体浓度达到注意值时，应该对变压器进行追踪分析，查明原因。

表1 出厂前电气设备气体含量的极限值(μL/L)

表2 运行中电气设备气体含量的注意值(μL/L)

5 结论

本文分析了大型电力变压器可能存在的绕组变形，局部放电和绝缘分解故障，并对每种监测方法的优缺点进行了讨论和分析。

[1] 刘振亚.智能电网知识读本[M].北京:中国电力出版社,2010.

[2] 朱德恒,严璋.高电压绝缘[M].北京:清华大学出版社,1996.

[3] 袁国刚.大型电力变压器绕组故障机理的理论与试验研究[D].上海交通大学，2003.

[4] 李燕青.变压器局部放电超声的研究[D].保定:华北电力大学,2003.

[5] 熊浩，孙才新，廖瑞金,等.基于核可能性聚类算法和油中溶解气体分析的电力变压器故障诊断研究[J].中国电机工程学报，2005，25(20):162-166.

Study on the Insulation Fault and Monitoring Method of Power Systems

YEChun-zheng

(Fujian Shishi Hongshan Cogenetation Powet CO.LED.,Shishi 362712,China)

For on-line monitoring of the transformer insulation states,It is helpful to reduce unavilability of the equipment for along-term operation.The paper analyzes the winding deformation,partial discharge and insulation decompostion that can exist in large power transformers and analyzes its merits and demerits of the monitoring method.

transformer;winding deformation;partial discharge insulation decomposition;monitoring method

1004-289X(2015)02-0018-04

TM41

B

2014-11-19

叶淳铮(1984-)，硕士，福建泉州人，毕业于华北电力大学，中级工程师。