淺談變壓器固體絕緣故障的診斷方法

董　杰　張月奎

摘要：本文通過研究在故障涉及固體絕緣時，其它特征氣體組分與CO、CO₂間的伴生增長情況，提出了一種動態(tài)分析變壓器絕緣故障的方法。并著手建立故障氣體的增長模式，為預(yù)測故障的發(fā)展提供了新的判據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器；絕緣

為了使設(shè)備的外形尺寸保持在可以接受的水平，現(xiàn)代變壓器的設(shè)計采用了更為緊湊的絕緣方式，在運(yùn)行中其內(nèi)部各組件間的絕緣所需承受的熱和電應(yīng)力水平顯著升高。110kV及以上等級的大型電力變壓器主要采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，主要的絕緣材料是絕緣油和絕緣紙、紙板。

當(dāng)變壓器內(nèi)部故障涉及固體絕緣時，無論故障的性質(zhì)如何，通常認(rèn)為是相當(dāng)嚴(yán)重的。因?yàn)橐坏┕腆w材料的絕緣性能受到破壞，很可能進(jìn)一步發(fā)展成主絕緣或縱絕緣的擊穿事故。所以纖維材料劣化引起的影響在故障診斷中格外受到重視。而且，如能確定變壓器發(fā)生異?；蚬收蠒r是否涉及固體絕緣，也就初步確定了故障的部位，對設(shè)備檢修工作很有幫助。

1 判斷固體絕緣故障的常規(guī)方法

CO、CO₂是纖維材料的老化產(chǎn)物，一般在非故障情況下也有大量積累，往往很難判斷經(jīng)分析所得的CO、CO₂含量是因纖維材料正常老化產(chǎn)生的，還是故障的分解產(chǎn)物。

月崗淑郎研究了使用變壓器單位紙重分解并溶于油中的碳的氧化物總量，即（CO+CO₂）mL／g（紙）來診斷固體絕緣故障。但是，已投運(yùn)的變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、選用材料和油紙比例隨電壓等級、容量、型號及生產(chǎn)工藝的不同而差別很大，不可能逐一計算每臺變壓器中絕緣紙的合計質(zhì)量，該方法因?qū)嶋H操作困難，難以應(yīng)用；并且，考慮全部紙重在分析整體老化時是比較合理的，如故障點(diǎn)僅涉及固體絕緣很小的一部分時，使用這種方法也很難比單獨(dú)考慮CO、CO₂含量更有效。

IEC599推薦以CO/CO₂的比值作為判據(jù)，來確定故障與固體絕緣間的關(guān)系。認(rèn)為CO/CO₂＞0.33或＜0.09時表示可能有纖維絕緣分解故障，在實(shí)踐中這種方法也有相當(dāng)大的局限性。通過對59例過熱性故障和69例放電性故障進(jìn)行統(tǒng)計。結(jié)果表明，應(yīng)用CO/CO₂比例的方法正判率僅為49.2%，這種方法對懸浮放電故障的識別正確率較高，可達(dá)74.5%；但對圍屏放電的正判率僅為23.1%。

2 固體絕緣故障的動態(tài)分析方法

新的預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，運(yùn)行中330kV及以上等級變壓器每隔3個月進(jìn)行一次油中溶解氣體分析，但目前很多電業(yè)局為保證這些重要設(shè)備的安全，有的已將該時間間隔縮短為1個月。也有部分電業(yè)局已開展了油色譜在線監(jiān)測的嘗試，這為實(shí)現(xiàn)故障的連續(xù)追蹤，提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

電力變壓器內(nèi)部涉及固體絕緣的故障包括：圍屏放電、匝間短路、過負(fù)荷或冷卻不良引起的繞組過熱、絕緣浸漬不良等引起的局部放電等。無論是電性故障或過熱故障，當(dāng)故障點(diǎn)涉及固體絕緣時，在故障點(diǎn)釋放能量的作用下，油紙絕緣將發(fā)生裂解，釋放出CO和CO₂，但它們的產(chǎn)生不是孤立的，必然因絕緣油的分解產(chǎn)生各種低分子烴和氫氣，并能通過分析各特征氣體與CO和CO₂間的伴生增長情況，來判斷故障原因。

判斷故障的各特征氣體與CO和CO₂含量間是否是伴隨增長的，需要一個定量的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對變壓器連續(xù)色譜監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，來獲得對這一標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計性描述。這樣可以克服溶解氣體累積效應(yīng)的影響，消除測量的隨機(jī)誤差干擾。

本文采用Pearson積矩相關(guān)來衡量變量間的關(guān)聯(lián)程度，被測變量序列對（xi，yi），i＝1，…，相關(guān)系數(shù)γ的顯著性選擇兩種檢驗(yàn)水平：以α＝1%作為變量是否顯著相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，而以α＝5%作為變量間是否具有相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)。即：當(dāng)相關(guān)系數(shù)γ＞γ0.01時，認(rèn)為變量間是顯著相關(guān)的；γ＜γ0.05時，二者沒有明確的關(guān)聯(lián)。γ0.01、γ0.05的取值與抽樣個數(shù)N有關(guān)，可通過查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表獲得。

由于CO為纖維素劣化的中間產(chǎn)物，更能反映故障的發(fā)展過程，故通過對故障的主要特征氣體與CO的連續(xù)監(jiān)測值進(jìn)行相關(guān)性分析可進(jìn)一步判斷故障是否涉及固體絕緣。當(dāng)通過其它分析方法確定設(shè)備內(nèi)部存在放電性故障時，可以CO與H₂的相關(guān)程度作為判斷電性故障是否與固體絕緣有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；而過熱性故障則以CO與CH₄的相關(guān)性作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

這種方法在一定程度上可以反映故障的嚴(yán)重程度，在過熱性故障的情況下，如果CO不僅與CH₄有較強(qiáng)的相關(guān)性，還與C₂H₄相關(guān)，表明故障點(diǎn)的溫度較高；而在發(fā)生放電性故障時，如果CO與H₂和C₂H₂都有較強(qiáng)的相關(guān)性，說明故障的性質(zhì)可能是火花放電或電弧放電。

3故障的發(fā)展趨勢

確認(rèn)故障類型后，如能進(jìn)一步了解故障的發(fā)展趨勢，將有助于維修計劃的合理安排。而產(chǎn)氣速率作為判斷充油設(shè)備中產(chǎn)氣性故障危害程度的重要參數(shù)，對分析故障性質(zhì)和發(fā)展程度（包括故障源的功率、溫度和面積等）都很有價值。

通過回歸分析，可將這3種典型模式歸納為：

（a）正二次型：總烴隨時間的變化規(guī)律大致為Ci＝a.t2＋b.t＋c（a＞0），即產(chǎn)氣速率γ=a.t+b不斷增大，與時間成正比。這常與突發(fā)性故障相對應(yīng)，故障功率及所涉及的面積不斷變大，這種故障增長模式往往非常危險。

（b）負(fù)二次型：總烴和產(chǎn)氣速率的變化規(guī)律與（a）相同，只是a＜0.即總烴Ci增高到一定程度后，在該值附近波動而不再發(fā)生顯著變化。多與逐漸減弱的或暫時性的故障形式相對應(yīng)，如在系統(tǒng)短路情況下的繞組過熱及系統(tǒng)過電壓情況下發(fā)生的局部放電等。

（c）一次型：即線性增長模型，是一種與穩(wěn)定存在的故障點(diǎn)相對應(yīng)的產(chǎn)氣形式。總烴的變化規(guī)律為Ci＝k.t＋j，產(chǎn)氣速率為固定的常數(shù)k，通常只有當(dāng)故障產(chǎn)氣率k或總烴Ci大于注意值時才認(rèn)為故障嚴(yán)重。

4 實(shí)例分析

故障產(chǎn)氣的增長模型為正二次型，在較短的時間里產(chǎn)氣速率呈明顯的增長趨勢，是一種發(fā)展迅速的故障，反映出故障功率及故障所涉及的面積在不斷變大。

2005年3月14日進(jìn)行吊芯檢查發(fā)現(xiàn)，高壓線圈與低壓線圈間圍屏有7層存在不同程度的燒傷、穿孔、爬電等明顯的樹枝狀放電痕跡，屬圍屏放電故障，與分析結(jié)果相符。

結(jié)論

a.電力變壓器油中溶解氣體的產(chǎn)生總有其內(nèi)在的原因，根據(jù)故障的主要特征氣體與CO的伴生增長情況，即可判斷故障點(diǎn)是否涉及固體絕緣。這種方法基本上不受累積效應(yīng)的影響，不存在注意值的限制，可以隨時分析溶解氣體的變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的潛伏性故障。

b.對運(yùn)行中的電力變壓器，其故障的產(chǎn)氣過程并不都是線性增長的，存在著其它的增長模式。統(tǒng)計結(jié)果表明：總烴含量如果呈正二次型增長，則大多為嚴(yán)重的破壞性故障；而當(dāng)故障產(chǎn)氣線性增長時，則故障點(diǎn)相對穩(wěn)定；若總烴呈負(fù)二次型增長，多為暫時性故障，一般危害不大。