關(guān)于電力變壓器的故障因素與風(fēng)險(xiǎn)分析

【摘要】電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在電力輸送系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的作用，它是電網(wǎng)中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，因此其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的安全與可靠性。在實(shí)際的輸電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，既要選擇使用質(zhì)量可靠、技術(shù)過(guò)關(guān)的變壓器，還要隨時(shí)監(jiān)控與評(píng)估電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，以便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行維護(hù)檢修，確保電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。本文系統(tǒng)的分析了電力變壓器的危險(xiǎn)性，包括人身傷害和設(shè)備故障等，并運(yùn)用了魚(yú)骨圖分析法詳細(xì)分析了油浸式電力變壓器的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，為變壓器的風(fēng)險(xiǎn)管理和控制提供參考。

【關(guān)鍵詞】電力變壓器；事故隱患；風(fēng)險(xiǎn)

1.引言

電力輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)化、安全化運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)效益都取決于變壓器的可靠性、穩(wěn)定性地運(yùn)行，在工業(yè)生產(chǎn)、民用生活中，若電力變壓器出現(xiàn)事故，將直接危及正常的生產(chǎn)及民用生活，嚴(yán)重者可能引發(fā)重大安全事故或使供電企業(yè)蒙受重大經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，在變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，或在變壓器養(yǎng)護(hù)、檢修環(huán)節(jié)可能發(fā)生人身傷亡事故，因此，系統(tǒng)的辨識(shí)與分析變壓器的危險(xiǎn)性，對(duì)安全生產(chǎn)具有重要意義。

2.電力變壓器風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 觸電危害

電力變壓器電壓等級(jí)較高，目前普遍采用的高壓變壓器電壓等級(jí)一般為66kV、110kV、220kV、550kV等，如此高的電壓，工作人員在運(yùn)行及檢修過(guò)程中可能發(fā)生觸電危險(xiǎn)，比如運(yùn)行檢修過(guò)程中違章作業(yè)，未按規(guī)定辦理工作票或操作票或未按工作票或操作票進(jìn)行操作，未按規(guī)定進(jìn)行接地便開(kāi)始工作等。

2.2 火災(zāi)爆炸

變壓器是基于電磁感應(yīng)原理，將交流電能轉(zhuǎn)化為各種電流、電壓參數(shù)的另一種電能設(shè)備。變壓器采用有機(jī)可燃物質(zhì)（如木材、布、紙和棉紗等）制作支架與絕緣襯墊，并涂有大量絕緣油。用料比例根據(jù)變壓器工作能力而定，比如1000千瓦的變壓器需要1t的絕緣油、40kg的紙料和0.012m3的木材。當(dāng)變壓器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，或內(nèi)部短路，在高溫或電弧的影響下，其內(nèi)部的有機(jī)可燃物會(huì)分解燃燒，產(chǎn)生大量煙氣，致使變壓器因內(nèi)部壓力快速增大使外殼爆裂，噴出的絕緣油助長(zhǎng)了火勢(shì)，導(dǎo)致大面積停電事故，給日常生產(chǎn)和生活帶來(lái)了諸多不便。采用魚(yú)骨圖對(duì)運(yùn)行中的變壓器發(fā)生火災(zāi)和爆炸的原因進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 油浸電力變壓器火災(zāi)爆炸魚(yú)骨分析圖

2.2.1 絕緣損壞

①線圈絕緣老化。變壓器長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使線圈發(fā)熱，加速絕緣老化，導(dǎo)致內(nèi)部短路（主要是相間短路、匝間短路、對(duì)地短路），進(jìn)而使變壓器外殼爆裂，引發(fā)大面積停電事故。②油質(zhì)不佳，油量過(guò)少。絕緣油在儲(chǔ)運(yùn)或運(yùn)行維護(hù)時(shí)，因儲(chǔ)運(yùn)或維護(hù)措施做得不到位，使油中混入雜質(zhì)或水分，影響了油的絕緣性能。如果油體絕緣性能下降至一定范圍，就會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部短路。③鐵芯絕緣老化損壞。硅鋼片之間的絕緣材料因使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而逐漸老化，或夾緊鐵芯的螺栓套管損壞，鐵芯產(chǎn)生很大的渦流使線圈發(fā)熱，使變壓器內(nèi)部溫度急劇升高，進(jìn)而加速絕緣材料的老化程度。④檢修不當(dāng)，破壞絕緣。檢修吊芯的過(guò)程中，因操作不當(dāng)，損壞了線圈的瓷套管和絕緣體。在這種情況下如果變壓器繼續(xù)運(yùn)行，輕則閃絡(luò)，重則短路。

2.2.2 導(dǎo)線接觸不良

線圈內(nèi)部的接頭、線圈之間的連接點(diǎn)和引至高、低的瓷套管的接點(diǎn)及分接開(kāi)關(guān)上各接點(diǎn)接觸不良，就會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱，加速絕緣老化，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)斷路或短路現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的高溫電弧會(huì)快速分解絕緣油，使其失去絕緣功能，隨之產(chǎn)生的大量煙氣會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部壓力劇增，當(dāng)壓力升高到上限值后便會(huì)使變壓器外殼突然爆裂，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。據(jù)調(diào)查，導(dǎo)線接觸不良主要包括三種情況：一分接開(kāi)關(guān)接點(diǎn)損壞，二螺栓松脫，三焊接質(zhì)量差。

2.2.3 接地不良

接地的油浸電力變壓器當(dāng)三相負(fù)載失衡時(shí)，零線就會(huì)通電流。如果零線電流和接地點(diǎn)接觸電阻都比較大，就會(huì)急劇抬高接地點(diǎn)的溫度，當(dāng)溫升超上限制就會(huì)造成有機(jī)可燃物燃燒。

2.2.4 過(guò)電壓、過(guò)電流

油浸電力變壓器主要通過(guò)架空線通電流，如遇雷雨天氣，線路被雷擊中后產(chǎn)生過(guò)電壓的侵襲，輕則變壓器的絕緣材料被擊穿，重則導(dǎo)致變壓器直接被燒毀引發(fā)火災(zāi)。鑒于此，變壓器管理人員應(yīng)該事先采取防雷措施。另外變壓器在操作過(guò)電壓及諧振過(guò)電壓下也可能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故。

當(dāng)變壓器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)致使內(nèi)部短路，強(qiáng)大的短路電流通過(guò)變壓器，如果保護(hù)系統(tǒng)失靈或整定值過(guò)大，變壓器就可能被燒毀。此類事故屬于變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)中的常見(jiàn)故障之一?；诠╇娤到y(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，管理部門應(yīng)該為變壓器安裝短路保護(hù)。

2.2.5 外部火源

變壓器在外部火源，如檢修時(shí)的電、氣焊火花，變壓器周圍設(shè)備及建構(gòu)筑火災(zāi)波及變壓器等，均可能導(dǎo)致變壓器火災(zāi)爆炸事故。

2.3 電磁輻射

電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射一旦超標(biāo)，就會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成電磁輻射污染，會(huì)嚴(yán)重影響人體機(jī)能，如導(dǎo)致人體植物神經(jīng)功能紊亂，血壓、血相失調(diào)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損傷人眼。變壓器所產(chǎn)生的磁輻射，在空氣中的衰減率非常大，與微波爐運(yùn)行時(shí)放射出的輻射量相差無(wú)幾；國(guó)際上規(guī)定變壓器距離居民樓應(yīng)有0.9米的距離，而供電局在安裝時(shí)，保證變壓器距離居民樓2米以上。

2.4 噪聲危害

變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生中低頻噪聲污染，如電磁噪聲以及通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)、通風(fēng)風(fēng)機(jī)形成的空氣動(dòng)力噪聲。國(guó)產(chǎn)變壓器的噪聲值通常設(shè)定為60～75分貝，室內(nèi)變電站對(duì)變壓器性能指標(biāo)要求較為嚴(yán)格，變壓器噪聲值通常設(shè)定在65分貝以內(nèi)。

2.5 其它危害

電力變壓器故障造成設(shè)備損壞或停運(yùn)。電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中通常發(fā)生的故障包括：密封不良、絕緣故障、分接開(kāi)關(guān)故障、繞組故障、引線故障、套管故障或鐵芯故障等。這些故障若不能及時(shí)被排除，將導(dǎo)致設(shè)備損壞或停運(yùn)，甚至導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸事故。

3.電力變壓器故障及原因分析

3.1 繞組故障

①假設(shè)線圈上銅導(dǎo)線表面有棱、刺，曲率半徑較小，那么處于工作狀態(tài)的變壓器頻頻受到電磁干擾時(shí)，尤其是當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路，或電磁干擾合閘操作過(guò)程，使導(dǎo)線上產(chǎn)生的毛刺損壞絕緣，造成線圈匝間短路。②如果變壓器線圈因接頭焊接質(zhì)量差而影響線圈導(dǎo)電質(zhì)量，線圈引出線與套管導(dǎo)電桿連接處存在缺陷，變壓器在工作狀態(tài)下往往因接頭溫度過(guò)高而出現(xiàn)局部絕緣劣化的現(xiàn)象；當(dāng)接頭被熔斷，繞組就會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象。③如果線圈的絕緣體內(nèi)有水滲入，或未按要求將絕緣體充分干燥，當(dāng)變壓器工作時(shí)就容易出現(xiàn)匝間短路的問(wèn)題。④處于工作狀態(tài)下的變壓器，其外部發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時(shí)，電動(dòng)力與機(jī)械力的雙重作用會(huì)使變壓器繞組發(fā)生嚴(yán)重的形變。比如繞組匝間短路、鼓包或形變；繞組軸向和徑向尺寸的變動(dòng)；變壓器位置移動(dòng)等。就現(xiàn)階段變壓器運(yùn)行故障來(lái)分析，繞組變形無(wú)疑是破壞變壓器正常運(yùn)行裝填的主要故障隱患之一。⑤繞組薄弱處的絕緣在瞬變過(guò)程中，如受雷電沖擊、對(duì)地弧光放電、沖擊合閘時(shí)，可能會(huì)破損或被擊穿。⑥變壓器如果長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載運(yùn)行，內(nèi)部會(huì)因溫升過(guò)高而加速線圈絕緣老化，使繞組匝間短路；另外，在高溫環(huán)境中，變壓器內(nèi)部的絕緣油加速劣化，致使鐵芯、線圈等構(gòu)件和油箱底部出現(xiàn)油泥沉積，降低了變壓器散熱效率，進(jìn)而加劇變壓器內(nèi)部溫升速率，最終使變壓器內(nèi)部絕緣材料自燃或?qū)е伦儔浩魍鈿け选?/p>

3.2 鐵芯故障

變壓器繞組與鐵芯的作用是傳遞和交換電磁能量。要提高變壓器運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，一方面要確保繞組質(zhì)量符合變壓器的使用要求，同時(shí)也要嚴(yán)把鐵芯質(zhì)量關(guān)。磁路中的故障就是變壓器的鐵芯、鐵軛及其夾件中發(fā)生的故障。磁路故障是變壓器運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)故障之一。具體來(lái)講，磁路故障大致涵蓋了以下三種情況：①鐵軛夾件之間的絕緣或鐵芯疊片之間的絕緣破損。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的循環(huán)渦流和很多熱量，損壞線圈及鐵芯的絕緣材料，并隨之加劇變壓器的鐵損。②制備變壓器鐵芯時(shí)，如果鐵軛或鐵芯疊片邊緣存在明顯的毛刺、鐵芯疊片小幅度彎折或疊片之間夾金屬物，那么變壓器運(yùn)行時(shí)，這些質(zhì)量問(wèn)題就會(huì)使變壓器鐵芯疊片的局部短路，由此形成的渦流會(huì)使鐵芯局部溫度驟然上升。③變壓器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)必須保證變壓器鐵芯是一點(diǎn)接地。如果鐵芯多點(diǎn)接地，運(yùn)行中的變壓器運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)局部過(guò)熱的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能使變壓器跳閘或直接損壞變壓器。

3.3 分接開(kāi)關(guān)故障

①選擇開(kāi)關(guān)合不到位、接觸不良，導(dǎo)致接觸過(guò)熱、放電燒損或斷軸。②切（下轉(zhuǎn)第27頁(yè)）（上接第25頁(yè)）換開(kāi)關(guān)內(nèi)觸點(diǎn)接觸不良，絕緣材料機(jī)械強(qiáng)度無(wú)法滿足使用需求而破損。③切換開(kāi)關(guān)油室密封性差導(dǎo)致大小油箱相互聯(lián)通，致使變壓器本體油箱內(nèi)的可燃?xì)怏w含量超標(biāo)導(dǎo)致工作人員作出誤判斷。④操作機(jī)構(gòu)內(nèi)低壓控制電器和配套元件制作質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，致使其在使用過(guò)程中出現(xiàn)分接開(kāi)關(guān)拒動(dòng)、連調(diào)、位置指示失準(zhǔn)等問(wèn)題。

3.4 引線故障

變壓器內(nèi)部繞組出線與外部接線的中間元件是引線。引線接頭通常是焊接而成，如果焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，在變壓器運(yùn)行階段就可能導(dǎo)致引線發(fā)生斷路、短路或接觸不良等故障。

3.5 套管故障

套管是變壓器內(nèi)繞組與油箱外聯(lián)結(jié)引線的重要保護(hù)裝置。因長(zhǎng)期處于風(fēng)雨、污染、電場(chǎng)等惡劣的工作環(huán)境中，套管的瓷釉容易龜裂，絕緣油往往快速老化。因此，該部位也是故障多發(fā)區(qū)。電力變壓器通過(guò)套管連接外部的電網(wǎng)和設(shè)備，其故障形式主要表現(xiàn)在八個(gè)方面：①未按規(guī)定的步驟安裝，使套管損壞。②套管末屏接地不良或開(kāi)斷。③套管內(nèi)電容屏絕緣存在缺陷致使套管局部放電。④套管導(dǎo)電桿與將軍帽螺紋型號(hào)規(guī)格不符、引線穿纜線焊接質(zhì)量差，致使管體過(guò)熱。⑤套管和繞組引線聯(lián)接固定銷脫落引起懸浮放電。⑥套管漏油，缺油后管體過(guò)熱。⑦套管密封性差致使其水分侵入，套管受潮。⑧套管磁套表面有油污沉積，造成套管的污閃。

3.6 絕緣故障

絕緣系統(tǒng)中的故障：變壓器和絕緣紙、板以及絕緣件構(gòu)成了變壓器油及絕緣系統(tǒng)。絕緣故障的表現(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)：①油道小、絕緣材料薄的變壓器服務(wù)年限短，通常投運(yùn)一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)故障。②如果變壓器相間絕緣的裕度不夠，就可能引起相間短路。相間短路故障有時(shí)可能由于在相間加入絕緣隔板從而打亂了相間電場(chǎng)強(qiáng)度分布，例如引起油間隙和隔板的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高而導(dǎo)致隔板的樹(shù)枝放電等。③變壓器內(nèi)部必須保持清潔，尤其是不能出現(xiàn)金屬雜質(zhì)。即使變壓器線圈表面或器身落有少量金屬雜質(zhì)，也會(huì)嚴(yán)重影響爬電距離，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器局部放電、沿面放電等問(wèn)題，其不良影響的嚴(yán)重性顯而易見(jiàn)。④變壓器油道設(shè)計(jì)與油流速設(shè)計(jì)與其實(shí)際運(yùn)行條件不符，致使變壓器特別是大型高壓變壓器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的油流帶現(xiàn)象。⑤絕緣成型件，譬如由合成樹(shù)脂與絕緣紙壓制而成的絕緣件等，制作過(guò)程中受到導(dǎo)電質(zhì)的污染，致使電壓器運(yùn)行時(shí)絕緣件不絕緣反而放電，進(jìn)而引發(fā)絕緣故障。⑥變壓器油箱的密封性差，致使水侵入變壓器內(nèi)部破壞絕緣件的絕緣效果，并且可能引起引線或線圈對(duì)油箱或?qū)﹁F芯元件擊穿，此外，線圈匝間絕緣所遭受的破壞作用最大。⑦變壓器絕緣油被污染后絕緣性能下降，進(jìn)而影響變壓器整體絕緣效果。這是當(dāng)前變壓器運(yùn)行階段常見(jiàn)故障之一。⑧變壓器長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)行，絕緣油加速老化，油溫升高會(huì)加速水、油泥、酸等物質(zhì)的生成速率。

3.7 密封不良

變壓器密封不良主要接頭處理不好，如焊接質(zhì)量不良、螺栓亂扣以及法蘭不平等原因造成。其后果是漏油、漏氣，故障時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，影響范圍大。故障模式有密封圈老化、瓷套脫落或破裂、箱體焊點(diǎn)裂紋、潛油泵處露氣等。

4.小結(jié)

電力變壓器在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行及檢修過(guò)程中可能發(fā)生人身傷亡或設(shè)備事故。對(duì)人身的傷害主要有：觸電危害、火災(zāi)爆炸危害、電磁輻射、噪聲危害等；設(shè)備方面的危害因素主要有：火災(zāi)爆炸以及繞組、鐵芯、分接開(kāi)關(guān)、引線、套管、絕緣、密封不良等故障。因此，在對(duì)電力變壓器進(jìn)行操作、運(yùn)輸、安裝及檢修過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止這些危害的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]GB1094.1～5-1996電力變壓器[S].

[2]DL/T573-2010電力變壓器檢修導(dǎo)則[S].

[3]DL/T572-2010電力變壓器運(yùn)行規(guī)程[S].

[4]GB/T10228-2008干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].

[5]中國(guó)華電集團(tuán)公司.火力發(fā)電生產(chǎn)典型作業(yè)潛在風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)控措施[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[6]李晛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器安全風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)研究[D].北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[7]張建軍.電力生產(chǎn)危險(xiǎn)點(diǎn)分析及預(yù)控措施[M].黑龍江：黑龍江文化音像出版社，2004.