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電力變壓器的絕緣事故分析與防范
1.絕緣事故概況
大型電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行日益受到各界的關(guān)注，尤其越來(lái)越多的大容量變壓器進(jìn)網(wǎng)運(yùn)行，一量造成變壓器故障，將影響正常生產(chǎn)和人民的正常生活，而且大型變壓器的停運(yùn)和修復(fù)將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，在這種情況下掌握變壓器絕緣受哪些因素影響，會(huì)造成變壓器損壞，對(duì)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的好處，使變壓器長(zhǎng)期在受控狀態(tài)下運(yùn)行，避免造成變壓器損壞，對(duì)變壓器安全可靠運(yùn)行具有一定現(xiàn)實(shí)意義。
1.1變壓器的絕緣事故的分類(lèi)
變壓器的絕緣事故一般分為以下4類(lèi)：
1.1.1繞組絕緣事故：指主絕緣、匝絕緣、段間絕緣、引線(xiàn)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(nèi)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(kāi)關(guān)絕緣事故。主要是指由于切換開(kāi)關(guān)油室內(nèi)油的絕緣強(qiáng)度嚴(yán)重下降，在切換分接時(shí)不能滅弧，引起有載分接開(kāi)關(guān)燒毀。另外還有無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)和有載分接開(kāi)關(guān)裸露的導(dǎo)體之間放電，引起相間、相對(duì)地或級(jí)間短路的事故。
1.1.4鐵心絕緣事故。指鐵心的硅鋼片對(duì)地絕緣損壞,引起鐵心多點(diǎn)接地。另指鐵心的框架連接點(diǎn)間的絕緣損壞，產(chǎn)生環(huán)流引起局部過(guò)熱故障。
上述4類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度，分為作用電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)作用場(chǎng)強(qiáng)）和耐受電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)耐受場(chǎng)強(qiáng)）。作用場(chǎng)又可分為雷電沖擊作用場(chǎng)強(qiáng)，操作沖擊作用場(chǎng)強(qiáng)和工頻作用場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)這三種類(lèi)型作用場(chǎng)強(qiáng)不同的絕緣成分有各自的耐受場(chǎng)強(qiáng)。但其共同點(diǎn)是作用場(chǎng)強(qiáng)大于耐受場(chǎng)強(qiáng)，便要出絕緣事故。按作用場(chǎng)強(qiáng)和耐受場(chǎng)強(qiáng)的抗衡關(guān)系可分為3種形勢(shì)：
1.2.1作用場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高。如110kV和220kV降壓變壓器的第三繞組（10kV或35kV繞組）在雷擊時(shí)出現(xiàn)作用場(chǎng)強(qiáng)高于變壓器本身的正常耐受場(chǎng)強(qiáng)，引起雷擊損壞的絕緣事故。這種原因的事故每年都有發(fā)生。占總的繞組絕緣事故比率約為百分之幾。
1.2.2作用場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高加上耐受場(chǎng)強(qiáng)下降。如有的變壓器在操作時(shí)絕緣損壞，解體檢查發(fā)現(xiàn)，絕緣有受潮現(xiàn)象。雷電沖擊對(duì)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(chǎng)強(qiáng)下降。如變壓器正常運(yùn)行中耐受場(chǎng)強(qiáng)下降，在正常工作電壓下突然發(fā)生絕緣事故。這類(lèi)絕緣事故頻繁出現(xiàn)，占總的繞組絕緣事故的比率已超過(guò)90%。
1.3正常運(yùn)行的變壓器出現(xiàn)絕緣事故的兩種方式
正常運(yùn)行的變壓器出現(xiàn)絕緣事故有兩種方式，一種叫突發(fā)式事故。這種事故的特點(diǎn)是：按現(xiàn)行的預(yù)防性規(guī)程進(jìn)行的預(yù)防性試驗(yàn)合格，其他在線(xiàn)的監(jiān)測(cè)也未發(fā)現(xiàn)事故的預(yù)兆。但在正常運(yùn)行條件下，變壓器內(nèi)部突發(fā)絕緣擊穿事故，繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘。由于故障能量有大有小，或繼電保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間有快有慢，變壓器損壞的嚴(yán)重程度大不相同。
另一種叫垂危式故障。這種事故的特點(diǎn)是：預(yù)防性試驗(yàn)的絕緣性能試驗(yàn)合格，但從油中溶解氣體的色譜分析發(fā)現(xiàn)乙炔（C2H2）。經(jīng)分析確認(rèn)與在絕緣部分存在放電有關(guān)。于是停電進(jìn)行測(cè)量局部放電量的試驗(yàn)以下（簡(jiǎn)稱(chēng)局放試驗(yàn)）。試驗(yàn)結(jié)果表明放電狀況異常，甚至在試驗(yàn)中就發(fā)生貫穿性擊穿。實(shí)踐表明將局放試驗(yàn)和其他試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以作出正確診斷，解體后可以找到絕緣發(fā)生不可逆損壞的故障點(diǎn)。
2.正常運(yùn)行的變壓器絕緣事故的原因分析
2.1發(fā)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(shuō)，又分“尖角毛刺”說(shuō)、“金屬異物”說(shuō)，“顆粒含量”說(shuō)。以及“絕緣缺陷”說(shuō)等。所有這些說(shuō)法，集中到一點(diǎn)是對(duì)放電機(jī)理有共識(shí)，即認(rèn)為先發(fā)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(shí)有過(guò)上述種種原因引起正常工作電壓下的絕緣事故，而且事實(shí)證明，對(duì)放電機(jī)理的分析是符合實(shí)際的。但就大型電力變壓器而言，這類(lèi)變壓器已運(yùn)行20多年，有問(wèn)題早應(yīng)暴露。如果至今尚未暴露，可以證明實(shí)際上已不再存在這類(lèi)缺陷。上世紀(jì)80年代起，220kV及以上電壓等級(jí)的變壓器都進(jìn)行了局放試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)表明，局放試驗(yàn)對(duì)發(fā)現(xiàn)上述種種缺陷是特別有效的。因此對(duì)于出廠(chǎng)時(shí)局放試驗(yàn)合格的變壓器，尤其是安裝或檢修后還進(jìn)行過(guò)局放試驗(yàn)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(yàn)的魔力所在。
2.1.2絕緣老化。我曾經(jīng)歷幾臺(tái)變壓器，由于油道堵塞，匝絕緣局部過(guò)熱，引起在正常工作電壓下的匝絕緣事故。實(shí)際上這是過(guò)熱事故。油中氣體色譜分析（簡(jiǎn)稱(chēng)DGA）對(duì)這類(lèi)事故是能鑒定的。
我國(guó)的大型電力變壓器都是全密封結(jié)構(gòu)，運(yùn)行年代不長(zhǎng)，不少長(zhǎng)年輕載。因此一般不存在絕緣老化的問(wèn)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(duì)因絕緣事故解體檢修的多臺(tái)變壓器，曾針對(duì)老化程度進(jìn)行檢查，都沒(méi)有從老化現(xiàn)象中找到事故證據(jù)。絕緣老化現(xiàn)象是具體和明顯的，有證據(jù)才能成立，否則應(yīng)排除其可能性。
2.1.3油流帶電。對(duì)于強(qiáng)油循環(huán)的大型電力變壓器，在油泵開(kāi)動(dòng)的情況下，測(cè)量繞組的電位和泄放電流時(shí)。繞組電位高的可達(dá)幾千伏，泄放電流大的超過(guò)微安級(jí)。說(shuō)明油流和固體絕緣摩擦要產(chǎn)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(shuō)的油流帶電，實(shí)際指的是油流起電后引起油中放電。以下改稱(chēng)油流放電）。油流放電時(shí)在油中產(chǎn)生間歇性的電火花，局部放電測(cè)量?jī)x可以收到信號(hào)，甚至耳朵可以聽(tīng)到聲響。持續(xù)的油流放電將引起油中出現(xiàn)C2H2。此時(shí)應(yīng)視為一種故障。需要說(shuō)明的是由油流帶電發(fā)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(chǎng)的專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)中，從未發(fā)現(xiàn)過(guò)油流放電，因?yàn)閮?nèi)部是干凈的。個(gè)別變壓器在運(yùn)行中發(fā)生過(guò)油流放電，少開(kāi)冷卻器或?qū)?nèi)部清理后就不再放電了。由于油流放電一般發(fā)生在繞組下部，該處電位較低，而且一旦發(fā)生放電，易于發(fā)覺(jué)和處理。所以至今雖有多起油流放電的事例，但并沒(méi)有引起過(guò)絕緣事故。如果認(rèn)為某次工作電壓下突發(fā)的絕緣事故是油流帶電引起的，可以對(duì)事故變壓器（事故后油未流失）或同類(lèi)型變壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。如果事前未發(fā)現(xiàn)油流放電現(xiàn)象，事后又未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，就判定事故原因，是缺乏根據(jù)的。
2.1.4廣義受潮。廣義受潮說(shuō)認(rèn)為運(yùn)行中變壓器內(nèi)部的水分是運(yùn)動(dòng)的，不停地遷移和集積，在高電場(chǎng)區(qū)域集積一定水分之后，便在正常工作電壓迸發(fā)絕緣事故。
2.2水分對(duì)油絕緣的危害性
2.2.1變壓器內(nèi)水分的動(dòng)態(tài)特性。變壓器內(nèi)部的水分有兩種存在狀態(tài)，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(dòng)而運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)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(chēng)之為準(zhǔn)自由水。紙絕緣中準(zhǔn)自由水含量以%計(jì)，而油中自由水以PPM計(jì)。準(zhǔn)自由水的含量比自由水要大。例如，設(shè)紙絕緣與油的比例為1比10，當(dāng)紙絕緣中準(zhǔn)自由水為0.5%，油中自由水為10mg/L，準(zhǔn)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(zhǔn)自由水的含量則隨溫度的升高而下降。變壓器在運(yùn)行中紙絕緣和油中的水分不停地在進(jìn)行交換。
變壓器在運(yùn)行中油在不停地循環(huán)，變壓器內(nèi)的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)是不均勻的。在高電場(chǎng)處和低溫處容易集積水分。因此隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間的延伸，水分在絕緣上的分布越來(lái)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(guān)，對(duì)于既定的含水量，則取決于水分的吸引力和擴(kuò)散力的較量。溫度對(duì)水分的集積有驅(qū)散作用，而電場(chǎng)強(qiáng)度、紙纖維的極性對(duì)水分有顯著的吸引力。所以，對(duì)于自由水和準(zhǔn)自由水含量高的變壓器，水分可能在高電場(chǎng)區(qū)域局部集積到足以引起絕緣事故的程度。
2.2.2關(guān)于受潮的形態(tài)與放電的發(fā)展過(guò)程。通常在見(jiàn)到侵入變壓器內(nèi)部的水分才認(rèn)為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮的要領(lǐng)出發(fā)，變壓器實(shí)際受潮形態(tài)，可分為兩類(lèi)：
①顯性受潮：顯性受潮是指通常所說(shuō)的“變壓器受潮”。即看到油箱底部或器身上有積水，并且發(fā)現(xiàn)水分入侵的原因或途徑。
顯性受潮進(jìn)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(shí)對(duì)絕緣并無(wú)危害；但當(dāng)水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡透，則必然導(dǎo)致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機(jī)理屬于熱擊穿，即在局部絕緣中流過(guò)傳導(dǎo)電流，焦?fàn)枱崾辜埥^緣炭化后發(fā)展成貫穿性放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導(dǎo)體可能發(fā)生熔化。這種事故的典型事例屢見(jiàn)不鮮，在分析變壓器的絕緣事故時(shí)很容易取得共識(shí)。這是一種“低級(jí)的受潮事故”，現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越少。
②隱性受潮：“隱性受潮”是指事故前并未發(fā)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(chǎn)生局部放電時(shí)，先開(kāi)始局部放電。局部放電產(chǎn)生氣體，使放電進(jìn)一步發(fā)展。但氣體的產(chǎn)生和擴(kuò)散是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)產(chǎn)氣量大于擴(kuò)散量，局部放電持續(xù)進(jìn)行，很快發(fā)展成貫穿性擊穿。如果產(chǎn)氣量小于擴(kuò)散量，則局部放電暫時(shí)停歇，待水分再次集聚，或選擇其他途徑再次發(fā)生局部放電。其間歇的時(shí)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(tài)的典型。對(duì)于局部放電發(fā)展空間有限的場(chǎng)合，例如匝間絕緣下部與墊塊間的油角中集積水分，一旦發(fā)生局部放電，很快導(dǎo)致匝絕緣或段間（餅間）絕緣擊穿，形成突發(fā)性絕緣事故。前者使用適當(dāng)?shù)木€(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，有可能發(fā)覺(jué)和防御突發(fā)事故。但對(duì)于后者，必須采取積極的防御措施，防止自由水的局部集積。
3.防范措施
防止變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故，一是要限止自由水和準(zhǔn)自由水的含量，二是限止自由水的局部集積。從制造、安裝、檢修和運(yùn)行4個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)采取相應(yīng)措施。
3.1制造措施
設(shè)計(jì)變壓器的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，力求工作場(chǎng)強(qiáng)均勻分布，而且盡可能的低。例如，匝間工作場(chǎng)強(qiáng)不宜大于2kV/mm。
變壓器真空干燥（最好采用煤油氣相干燥）后，固體絕緣中的含水量應(yīng)小于0.5%，亦即達(dá)到基本上不含自由水的程度。
嚴(yán)格進(jìn)行真空涇油。注油時(shí)變壓器內(nèi)可能與油接觸的任何部分吸附的水分都應(yīng)被清除。注入油的含水量必須小于10mg/L。請(qǐng)注意10mg/L意味著每m3油帶進(jìn)10g自由水。
3.2安裝措施
變壓器在安裝過(guò)程中，不可能不接觸大氣，因此絕緣體和金屬表面都會(huì)吸附大氣中的水分，為了使變壓器內(nèi)部的水分恢復(fù)到出廠(chǎng)時(shí)的水平，變壓器安裝后必須嚴(yán)格進(jìn)行真空干燥和真空注油。要點(diǎn)如下：
·用于抽真空的真空系統(tǒng)（包括真空泵、管道、閥門(mén)和表計(jì)）的極限真空度必須小于10Pa。
·所有將與油接觸的絕緣體和金屬表面（包括片式散熱器）或其他固體表面（例如下瓷套）均要在抽真空的范圍之內(nèi)。
·在抽真空的過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)檢查和處理滲漏。當(dāng)真空度達(dá)到實(shí)際可能的最高水平（對(duì)對(duì)最高水平的最低要求不應(yīng)小于133Pa）后，必須在真空泵繼續(xù)運(yùn)行的條件下保持此真空度。（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài)保持）
·真空的動(dòng)態(tài)保持時(shí)間應(yīng)不少于水分滲入時(shí)間。滲入時(shí)間是指開(kāi)始與大氣接觸到與大氣隔絕的全過(guò)程時(shí)間。這過(guò)程包括打開(kāi)封板，進(jìn)行排油或排氮?dú)猓ɑ蚋稍锟諝猓r(shí)直接進(jìn)入大氣的時(shí)間，還包括在油箱內(nèi)封存大氣的時(shí)間。
器身在大氣中暴露后，不用抽真空的辦法清除表面吸附水分，而就注油或打入氮?dú)猓ɑ蚋稍锟諝猓?，不僅不能起到清除水分的作用，而且是將表面水分往深層趕，為常溫下進(jìn)行真空脫水增加了困難。
在動(dòng)態(tài)保持真空度的條件下，用真空濾油機(jī)注入合格的油。油中含水量應(yīng)小于10mg/L。如果注入油的含水量較高，利用熱油循環(huán)的辦法來(lái)降低油中水分，其結(jié)果是大部分的水分被紙絕吸收，增加了紙絕緣的含水量。
3.3檢修措施
當(dāng)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)的水分比剛投運(yùn)時(shí)有明顯增多時(shí)，應(yīng)看作特別重要的狀態(tài)指標(biāo)，必須作為狀態(tài)檢修的主要目的。檢修時(shí)用真空干燥和真空注油的辦法來(lái)清除水分，其要點(diǎn)與安裝時(shí)的相同。但由于新變壓器只是表面吸附水分，而運(yùn)行中變壓器的水分可能滲透到深層。因此真空的動(dòng)態(tài)保持時(shí)間應(yīng)不少于水分的滲出時(shí)間。水分滲出時(shí)間是指絕緣深層的水分滲透到表面所需的時(shí)間。由于變壓器運(yùn)作年代越久，不僅水分的含量越多，而且向內(nèi)滲透越深，因此水分滲透出時(shí)間也就越長(zhǎng)。具體到某一臺(tái)變壓器水分的滲出時(shí)間為多長(zhǎng)，事先是不好確定的。只能一是依靠真空干燥過(guò)程中真空度的變化過(guò)程來(lái)判斷，二是依靠真空注油后的絕緣性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析。例如，真空度遲遲達(dá)不到極限值，說(shuō)明水分在緩慢滲出。又如真空注油后的繞組絕緣電阻和bgδ還不如檢修以前，說(shuō)明真空干燥的時(shí)間未超過(guò)水分的滲出時(shí)間，需要重新真空干燥和真空注油。
3.4運(yùn)行維護(hù)措施
運(yùn)行中的變壓器（包括電容型油紙絕緣套管）應(yīng)保持嚴(yán)密的封閉，避免大氣中的水分和氣體滲透入內(nèi)。不論是油—?dú)鉂B漏或氣—?dú)鉂B漏，都有一個(gè)互相滲透的過(guò)程。應(yīng)把滲漏問(wèn)題看作是影響絕緣安全性的重要因素。
