刍议电力变压器故障诊断的问题

杨秉端

中图分类号：TM411

摘要：本文对油浸式变压器内部典型的故障类型和常用的故障检测技术方法进行了详细探究，分析了变压器油性能以及气体产生的机理，以及对二者综合分析，从而得出故障性质与其对应产气特征的关系。

关键词：油浸式电力变压器；故障诊断；特征气体

从电力变压器所包含的类型可以看出大型电力变压器大多都是油浸式的，油浸式变压器被广泛应用于电力工业系统中。油浸式变压器主要由器身、油箱、冷却装置、保护装置、出线装置等构成。由于变压器结构复杂，各个部分均有出现异常或故障的可能性，这些异常或故障可以通过各种现象如声音、振动、气味、颜色、温度，或者通过检测试验数据反映出来。

1电力变压器故障分类

大型油浸式电力变压器的故障涉及面广而且复杂多样，特别是在运行过程中发生的故障，很难以某一判断标准诊断出故障的类型及性质。变压器常见故障类型划分方法有很多种，通常有：按变压器主体结构可分为绕组故障、铁芯故障、油质故障、附件故障；按回路可分为电路故障、磁路故障、油路故障；按一般常见故障易发区可分为铁芯故障、分接开关故障、绕组故障、绝缘故障等；按变压器本体可分为内部故障和外部故障。变压器内部故障，按形成的原因和发展的过程，可分为由电气回路缺陷构成的突发性故障和由铁芯、开关、并联导线绝缘损伤等局部过热构成的缓慢发展的潜伏性故障两大类。而对变压器本身影响最严重、故障率最高的是变压器出口短路故障，同时还存在变压器油渗漏故障、油流带电故障、保护误动故障等等。

以上不同类型的故障，可能是单一的过热故障或者放电故障，也可能是过热兼放电故障，而对于变压器油渗漏故障，在一般情况下过热或者放电故障均不存在。本文按照变压器结构划分以下几种故障类型。

1.1出口短路故障

出口短路故障是指运行变压器由于受出口短路故障的影响而遭到的破坏。当变压器出口短路时，变压器高、低压绕组可能同时通过数十倍的于额定值的短路电流，它将产生很大的热量，使变压器严重发热，损坏绝缘。变压器受短路冲击时，如果短路电流小，保护及时动作，绕组只会出现轻微变形；如果短路电流大，保护延时动作甚至未动，绕组就会出现严重变形。一台绕组已变形的变压器如果继续运行，就会引发多种故障和事故。

1.2绕组故障

变压器绕组是变压器的心脏，是传输、变换电能的核心，是构成变压器输入、输出电能的电气回路，是变压器主要组成部分，其故障模式可分为：部分绝缘老化、绕组受潮，绕组短路、绕组断路、绕组松动、变形、位移、绕组烧损等。其中绕组短路又可分为：匝间短路、相间短路和股间短路。

对于变压器绕组松动、变形、失稳，绝缘损伤现象，变压器虽能运行，但实质上内部已受损，抗短路能力差，若外部短路或遭到雷击，会进一步使绕组松散，致使内部场强分布不均，起不到均衡作用，极易导致局部放电进而损伤导线，从而降低了变压器的抗短路冲击能力。另外松散导线也易在电磁力振动情况下，互相磨擦而划破绝缘。而绕组烧损是指绕组绝缘部分碳化，最终形成绕组短路。

绕组断路是指当高压侧一相断路时，变压器将在非全相状态下运行，变压器低压三相电压、电流均呈现不平衡状态，三相直流电阻也不平衡；当低压侧两相断路时，变压器单相负载运行，断路两相低压无电压、电流，变压器则不能运行。

1.3铁芯故障

变压器铁芯和绕组是传递、交换电磁能量的主要部件，为了使变压器可靠运行，除绕组质量合格外，铁芯质量的好坏也是决定变压器正常运行的关键。铁芯的故障模式可分为：铁芯多点接地、铁芯接地不良、铁芯片间短路等。根据大量的事故分析，导致铁芯故障的主要原因有：铁芯组件中铁质夹件松动或损伤而碰接铁芯，压铁松动引起铁芯振动和噪声，铁芯接地不良或夹件烧坏，铁芯片间绝缘老化，铁芯安装不正或不齐造成空洞声，铁芯片间叠装不良造成铁损增大而使铁芯发热等。

变压器铁芯故障以铁芯片间短路、多点接地为主，其中以铁芯多点接地出现较多，伴随有铁芯局部过热，运行时间过长将会使油纸绝缘老化、绝缘垫块碳化、铁芯片绝缘层老化，进一步使铁芯过热，甚至使铁芯接地引线烧断。铁芯片间短路将会在强磁场中形成涡流使铁芯局部过热，铁芯接地不良也会使铁芯局部过热，同时出现介质损耗值超标现象，局部过热易烧坏铁芯片间绝缘，扩大铁芯故障。而铁芯动态性接地情况将有所不同，主要是由一些杂质纤维与金属粉末形成的杂质在电场力作用下形成导电小桥，在大电流的冲击下而摧毁，出现情况不稳定，一般不影响变压器运行，但不定期的局部过热会使内部绝缘受伤。

1.4分接头开关故障

变压器无载分接开关常见的故障有：当上分接头的相间绝缘距离不足且绝缘材料上堆积油泥时，若油泥受潮，在过电压下将发生相间短路故障；若触头接触不良或因锈蚀使电阻增大，使绝缘支架上的紧固金属栓接地断裂，造成悬浮放电等故障。

油浸式变压器有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且操作经常进行切换，故障主要出现在触头、拨轮等部位，它直接影响到变压器的正常运行。有载开关的故障主要有：因密封不严使雨水侵入而导致绝缘性能降低；过渡电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，导致触头间的电弧引发故障；因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置而造成短路；切换开关油室密封不严而造成变压器本体渗漏；选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形等。

1.5绝缘故障

对于强迫油循环冷却的大型变压器，变压器油经油泵加速传到绕组内的冷却油道，在油与固体绝缘界面上产生静电电荷的分离，使纸及纸板上积累负电荷，流油中积累起正电荷。在电荷对地油漏与电荷中和的过程中，当某处电荷积累密集且产生的场强超过了某一程度时，将会在油或固体绝缘表面上产生静电放电或爬电放电，甚至使固体绝缘受损伤，最终导致绝缘故障。

变压器匝绝缘损伤主要有以下几个方面：

(1)线圈变形、松动情况下，由于电磁振动划伤绝缘；

(2)因包扎过厚，油道堵塞，形成局部过热，绝缘老化变脆，在电磁力作用下振动，使绝缘脱落局部露铜；

(3)因磁屏装置损坏，绕组端部漏磁，产生涡流损耗，过热绝缘变脆；

(4)密封不严而受潮含气，降低绝缘强度，易形成局部放电损坏绝缘，或在强电场的作用下击穿绝缘；

(5)垫块和油道布置不合理，使端电场畸变，导线表面粗糙引起局部放电致使电场畸变，静电环布线不合理引起局部场强不均匀，在外部短路或雷电侵袭时有强电流冲击击穿绝缘；

(6)匝绝缘薄弱，在过电压的作用下烧损露铜。

变压器内部绝缘是变压器质量优劣的关键评判标准，大部分故障都是由绝缘性能不良引起的，所以绝缘的优劣是变压器长期安全可靠运行的基本保证。绝缘故障模式可分为：绝缘损伤和介损超标。绝缘损伤与介损超标在短期内变压器仍能正常运行，但这些故障会使变压器内部产生局部放电或局部轻度过热现象，进一步损伤绝缘，导致变压器内部绕组局部短路、绝缘件碳化等故障，属轻度性故障。

2油浸式变压器内部故障与油中特征气体的关系

油浸式电力变压器内部的故障模式主要是机械、热和电三种类型，而以后两者为主，机械性故障常以热或电故障的形式表现出来。过热性故障和高能放电故障是运行中变压器故障的主要类型，其次分别是过热兼高能放电故障、火花放电故障和受潮或局部放电故障。

变压器中的油和固体绝缘材料在热和电的作用下，会分解产生各种气体，其中对变压器故障分析有用的重要气体是CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO和CO2。无论是过热性故障还是放电性故障，如果涉及到固体绝缘的话，一般都会产生CO和CO2。从总体上来讲，过热性故障的产气速率要比放电性故障的产气速率小。我国现行的《变压器油中溶解气体分析和判断导则》，将不同故障类型产生的特征气体归纳为表1-1。

表1-1油浸式变压器不同故障类型产生的气体

故障类型 产生的主要气体组分 产生的次要气体组分

油过热 CH4 C2H2 H2 C2H6

油和绝缘纸过热 CH4 C2H2 COCO2 H2 C2H6

油纸绝缘中局部放电 H2CH4 CO C2H2 CO2 C2H6

油中火花放电 H2 C2H4 C2H2

油中电弧放电 H2 C2H4 C2H4CH4 C2H6

油和纸中电弧放电 H2 C2H2 COCO2 C2H4CH4 C2H6

进水受潮 H2 ---

由于判断油浸式变压器内部故障有价值的气体是CH4、C2H6、C2H4、C2H2以及CO、CO2、H2，将CH4、C2H6、C2H4及C2H2 含量的总和称为烃类气体含量的总和即总烃。特征气体的组分含量与故障类型及故障严重程度有着非常密切的关系，可以作为反映电力变压器异常的特征量。油浸式电力变压器中，每种故障产生的特征气体都有C2H2，但热故障和电故障产生的特征气体中C2H2含量差异很大。因此，C2H2含量是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。在油浸式电力变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油和絕缘纸等，它们在运行中受多种因素的作用将逐渐老化，绝缘油分解产生的主要气体是氢气、烃类气体，绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是CO和CO2。因此，可将CO和CO2作为油纸绝缘系统中固体材料分解的特征气体。

3油浸式变压器的经典故障诊断方法

3.1气相色谱试验结果的判断

表1-2为变压器油中溶解气体含量的注意值。若运行中变压器设备内部油中气体组分含量超过表1-2所列数值时，应引起注意，最好进行气相色谱的跟踪试验。

表1-2变压器油中溶解气体含量的注意值

气体成分 H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 总烃

注意值(Μl/L) 150 45 35 65 5 150

除了气体含量以外，气体的产气速率也是非常重要的。因为故障常常以低能量的潜伏性故障开始，此时油中溶解气体含量较小但产气速率较快，尤其当总烃含量超过注意值时，应考虑采用产气速率判断有无故障。产气速率与故障消耗能量大小、故障部位、故障点的温度等因素直接相关，对产气速率的分析，有助于了解故障的发展趋势和严重程度。产气速率分为绝对产气速率和相对产气速率两种方式。

3.2比值诊断法的分析

不同性质的故障所产生的溶解于油中的特征气体组分是不同的，据此可作为判断故障类型的依据。因热性故障产生的特征气体主要是CH4、C2H4，电性故障主要是C2H2、H2，为此，可以用CH4/ H2比值来区分放电故障还是热故障；由于故障点温度愈高，C2H4占总烃的比例也随之增高，所以C2H4/ C2H6的比值可区分故障点温度高低。因纸过热主要分解CO和CH4，也可用CO/ CH4区分温度高低，温度越高，CO/ CH4值越小；由于火花放电故障时主要产生C2H2其次是C2H4，而局部放电一般无C2H2，可根据C2H2/ C2H4的比值来区分放电故障的类型。

参考文献：

[1]魏鲁原.基于故障树的变压器故障诊断专家系统的研究.徐州工程学院学报,2008,23(4)

[2]赵文清,朱永利,王晓辉.基于组合贝叶斯网络的电力变压器故障诊断.电力自动化设备.2009,11(29)

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。