高寒地區(qū)電力變壓器故障機(jī)理分析及對(duì)策

張 靜， 張連星， 程 林， 朱學(xué)成， 劉 洋， 于春來

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074 ;2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030)

高寒地區(qū)電力變壓器故障機(jī)理分析及對(duì)策

張 靜1， 張連星1， 程 林1， 朱學(xué)成2， 劉 洋2， 于春來2

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074 ;2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030)

基于高寒地區(qū)冬季低溫氣候特征，實(shí)地調(diào)查研究電力變壓器故障及缺陷狀況。結(jié)合電力變壓器工作環(huán)境和物理力學(xué)性能變化，分析了高寒地區(qū)電力變壓器故障原因，提出運(yùn)行維護(hù)的對(duì)策?？蔀楦吆貐^(qū)電力變壓器的選型、試驗(yàn)及運(yùn)行維護(hù)提供參考。

高寒地區(qū)；電力變壓器；低溫條件；故障分析

近年來，由于大氣環(huán)境的破壞，整體看氣溫有所升高，極端氣候出現(xiàn)的概率有所增大。極端氣候的主要表現(xiàn)夏季為酷熱的高溫天氣，冬季為極冷的低溫天氣，春季與秋季天數(shù)較少。在我國(guó)東北寒冷地區(qū)和西部高海拔地區(qū)，在冬季容易出現(xiàn)低于-40℃低溫天氣。極端氣候?qū)﹄娏υO(shè)備絕緣的安全穩(wěn)定運(yùn)行無疑是一種挑戰(zhàn)[1-5]。 而低溫天氣對(duì)備用及低負(fù)荷運(yùn)行的電力設(shè)備問題將尤為突出，因?yàn)殡娏υO(shè)備可能在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的最低溫度，從而引發(fā)電力設(shè)備產(chǎn)生缺陷甚至出現(xiàn)故障[6-8]。

電力變壓器是電力工業(yè)中不可或缺的重要組成部分， 在發(fā)電、 輸電、 配電、電能轉(zhuǎn)換和電能消耗等各個(gè)環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用， 電力變壓器的安全運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。GB1094.1-2013中對(duì)變壓器規(guī)定的使用條件沒有涉及到環(huán)境溫度低于-25℃的低溫地區(qū)[9]。因此,在廣大低溫地區(qū)所采用的戶外用油浸式電力變壓器，在高寒地區(qū)電力變壓器的選用、試驗(yàn)以及運(yùn)行等方面所面臨的一些特殊問題需要給予關(guān)注，以保證這些電力設(shè)備在低溫環(huán)境條件下能夠安全可靠運(yùn)行。

1 高寒地區(qū)冬季極端氣候特征

我國(guó)屬于高寒地區(qū)的包括黑龍江省北部、青藏高原、甘肅、內(nèi)蒙古部分地區(qū)。高寒地區(qū)氣候復(fù)雜多樣，四季分明。春季氣溫驟升，干旱少雨，多大風(fēng)沙塵天氣；夏季溫?zé)岫檀?，降水集?秋季氣溫劇降，秋霜來得早；冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，多寒潮天氣[10]。其中以黑龍江省漠河為代表的北部地區(qū)2011-2016年最低溫度與最高溫度如圖1所示，冬季最低溫度為-44℃，夏季最高溫度為33℃。而1969年漠河地區(qū)氣溫曾下降到-52.3℃。

圖1 漠河地區(qū)歷年溫度統(tǒng)計(jì)Fig.1 Temperature statistics in Mohe area in past years

以2015年為例，對(duì)漠河地區(qū)全年氣溫統(tǒng)計(jì)如圖2所示。其中I類溫度范圍為-45℃～-20℃，II類溫度范圍為-19℃～0℃，III類溫度范圍為1℃～20℃。圖2中的數(shù)據(jù)按日最低氣溫統(tǒng)計(jì)。由圖2可見，I類溫度天氣為125天，II類溫度天氣為97天，III類溫度天氣為143天。日最低氣溫≤0℃的日數(shù)222天。

圖2 漠河地區(qū)2015年氣溫統(tǒng)計(jì)Fig.2 Temperature statistics in Mohe area in 2015

2 電力變壓器故障統(tǒng)計(jì)

2.1 變壓器跳閘統(tǒng)計(jì)

2009年，某高寒地區(qū)電力公司110kV及以上系統(tǒng)共發(fā)生變壓器跳閘9次，跳閘率為1.79次/百臺(tái)。其中變壓器本體故障原因造成的有 4臺(tái)次，由外部原因造成的故障有 5 臺(tái)次。110(66)kV 及以上變壓器跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2009年，變壓器跳閘的外部原因與本體故障原因基本相當(dāng)。其中本體故障原因引起跳閘共4臺(tái)次,

表1 110(66)kV以上電壓等級(jí)變壓器跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Transformer tripping frequency statistics with the voltage level of over 110 (66) kV

占總跳閘次數(shù)的44.4%，故障原因分別為：變壓器因缺油重瓦斯動(dòng)作跳閘1臺(tái)次；有載瓦斯繼電器誤動(dòng)1臺(tái)次；受外部故障沖擊跳閘2臺(tái)次。受外部原因造成變壓器跳閘共5臺(tái)次，占總跳閘次數(shù)的55.6%,故障原因分別為：變壓器油標(biāo)號(hào)低引起保護(hù)裝置誤動(dòng)1臺(tái)次；由于高寒地區(qū)晝夜溫差大造成變壓器本體密封膠墊快速老化而密封不良，水分混入油中，降低了變壓器油的絕緣強(qiáng)度引起跳閘2臺(tái)次；油中空氣溶解度低導(dǎo)致瓦斯動(dòng)作，跳閘1臺(tái)次；人員誤碰二次回路引起變壓器跳閘1臺(tái)次。

2.2 變壓器缺陷情況統(tǒng)計(jì)及分析

兩組自我護(hù)理情況比較:在自我護(hù)理技能、自我護(hù)理責(zé)任感、自我護(hù)理能力等方面,觀察組效果要明顯優(yōu)于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見表2。

2009 年，某高寒地區(qū)電力公司110(66) kV 及以上變壓器各類缺陷合計(jì) 93 臺(tái)次，占在運(yùn)變壓器的 23.25%。主要缺陷為：本體滲漏油；油色譜異常；套管介損超標(biāo)；直阻超標(biāo)；末屏接地不良；冷卻系統(tǒng)故障；鐵芯多點(diǎn)接地；分接開關(guān)故障。110(66) kV及以上變壓器缺陷情況如圖 3 所示。在各類缺陷中，滲漏油缺陷共 42 臺(tái)次，占缺陷總數(shù)的 45.2%，所占比例最高。

圖3 2009年變壓器缺陷次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Transformer defect time statistics in 2009

3 電力變壓器故障原因及處理方法

低溫天氣對(duì)包含變壓器在內(nèi)的電氣設(shè)備的正常運(yùn)行造成很大影響。實(shí)際上，由于冬季低溫天氣引起油紙絕緣電力變壓器事故呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。下面給出近10年高寒地區(qū)電力變壓器故障的幾個(gè)實(shí)例。

a. 某變電站由于寒冬出現(xiàn)主變瓦斯保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作后，對(duì)變壓器分別進(jìn)行了外觀檢查、主變油色譜分析、直流電阻試驗(yàn)、主變絕緣試驗(yàn)、介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量試驗(yàn)、繼電保護(hù)二次回路檢查、瓦斯繼電器校驗(yàn)、二次回路電纜絕緣性能檢查等，均沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象?？紤]到國(guó)家電網(wǎng)中的大、中型變壓器采用25號(hào)油居多，而故障發(fā)生時(shí)溫度為-33℃，經(jīng)核查，該變壓器所用變壓器油也為25號(hào)油。因此，可確定故障原因是由于故障當(dāng)天溫度較低，低于25號(hào)變壓器油的凝點(diǎn)，導(dǎo)致變壓器油凝結(jié)，瓦斯保護(hù)動(dòng)作。

高寒地區(qū)變壓器油應(yīng)根據(jù)冬季最低溫度選擇，當(dāng)最低溫度為-25℃以下時(shí)，應(yīng)提高變壓器油的標(biāo)號(hào)，如采用45 號(hào)變壓器油，以適應(yīng)寒冷氣候環(huán)境，避免變壓器油低溫環(huán)境下凝結(jié)。

b. 北方某變電站主變跳閘，當(dāng)天外界氣溫低于-30℃。對(duì)變壓器油進(jìn)行色譜分析，發(fā)現(xiàn)油中水分超標(biāo)，同時(shí)在絕緣紙板上發(fā)現(xiàn)了表面爬電的痕跡。此次故障原因?yàn)橛椭兴趾砍瑯?biāo)，致使變壓器油的絕緣強(qiáng)度降低，從而引起了絕緣木板表面爬電，導(dǎo)致跳閘故障發(fā)生。對(duì)于油中水分的增加，可能是由于北方地區(qū)天氣寒冷，晝夜溫差大，冷熱不均造成變壓器本體密封膠墊部分老化而密封不良，使水分混入油中，降低了變壓器油的絕緣強(qiáng)度，從而引起了跳閘故障。

高寒地區(qū)變壓器選用時(shí)應(yīng)注重密封墊材料選擇，選用耐低溫的材質(zhì)如改性的丁腈橡膠，丙烯酸酯橡膠等[11]，并盡可能使用成型密封件，避免因密封墊質(zhì)量問題造成缺陷重復(fù)發(fā)生。

高寒地區(qū)變壓器首次投運(yùn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)變壓器器身及變壓器油的檢查，避免油中水分含量過高。同時(shí)，變壓器油色譜試驗(yàn)應(yīng)在變壓器油溫升高至0℃以上一段時(shí)間后采樣進(jìn)行，保證水分可以有效檢出。

d. 某變電站110 kV變壓器試驗(yàn)過程中發(fā)生故障，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度-18℃。對(duì)變壓器進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，油中水分含量并未超標(biāo)。經(jīng)分析，變壓器檢修完成后，并未對(duì)本體加熱就進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)油紙絕緣擊穿特性，溫度在-10℃左右時(shí)擊穿強(qiáng)度最低。試驗(yàn)加壓后，變壓器對(duì)油紙絕緣加熱，使得油紙絕緣內(nèi)部溫度接近-10℃，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中擊穿。

高寒地區(qū)冬季變壓器冷啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變壓器進(jìn)行加熱，目前現(xiàn)場(chǎng)常用的方法是采用變壓器低頻加熱裝置，使變壓器油紙絕緣內(nèi)部溫度提高到-10℃以上，從而提高變壓器絕緣水平，使之滿足現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行的要求[12]。

4 運(yùn)行維護(hù)建議

對(duì)于高寒地區(qū)電力變壓器典型的故障及缺陷，應(yīng)有針對(duì)性地規(guī)范冬季嚴(yán)寒時(shí)的管理和運(yùn)行維護(hù)方法。

4.1 滲漏油問題

近幾年盡管各單位加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，但是滲漏油現(xiàn)象仍較為突出，尤其是運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的變壓器。滲漏油部位大多集中在大蓋、套管底座密封處、散熱器與本體連接蝶閥和瓦斯繼電器等，且大多是由密封墊密封不良引起。主要原因?yàn)樽儔浩髅芊獠牧侠匣冃巍崦浝淇s引起緊固螺絲松動(dòng)、部分蝶閥和瓦斯繼電器質(zhì)量不良。另外，因部分單位對(duì)滲漏油缺陷不重視，未及時(shí)安排消缺處理，使缺陷程度更為嚴(yán)重。為消除變壓器設(shè)備滲漏油缺陷，對(duì)于新變壓器，在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，應(yīng)要求廠家采用優(yōu)質(zhì)、滿足耐油耐高溫要求的密封材料，并做好監(jiān)造工作。同時(shí)，要重視消除滲漏油缺陷，加強(qiáng)檢修維護(hù)工作，及時(shí)對(duì)滲漏油缺陷進(jìn)行處理。

4.2 變壓器高壓套管絕緣子表面維護(hù)

由于高寒地區(qū)冬季塵污嚴(yán)重，再加上積污絕緣子上有積雪，支柱絕緣子的絕緣性能與南方地區(qū)相比會(huì)降低，絕緣子表面常常發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生高壓對(duì)地的短路事故，直接影響電力系統(tǒng)安全。高壓絕緣套管、支柱絕緣子的運(yùn)行維護(hù)要保證表面處于清潔狀態(tài)，可用毛巾擦拭絕緣子表面，去除塵污，最后再刷涂一層絕緣硅膠油。

4.3 變壓器的正常油位與補(bǔ)油

變壓器油枕上通常裝有油位表，其作用是監(jiān)視油位是否正常。油位的高低除了與變壓器負(fù)荷輕重、運(yùn)行溫度、油箱是否滲漏等情況有關(guān)之外，還與環(huán)境的溫度密切相關(guān)。高寒地區(qū)冬季戶外溫度低，受到熱脹冷縮的作用，油位往往低于油位表的低限刻度。對(duì)于這種情況，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)油。運(yùn)行中的變壓器補(bǔ)油，應(yīng)注意在補(bǔ)油前，將重瓦斯保護(hù)改接至信號(hào)裝置，防止誤跳閘；補(bǔ)油完成后，要檢查瓦斯繼電器，及時(shí)放出氣體，24h無問題才能將重瓦斯保護(hù)投入。為防止變壓器底部污物進(jìn)入變壓器身內(nèi)，禁止從變壓器下部放油閥補(bǔ)油。

4.4 變壓器冷卻系統(tǒng)退出運(yùn)行

高寒地區(qū)冬季溫度普遍低于-40℃，黑龍江漠河地區(qū)冬季的歷史極端最低氣溫曾達(dá)-52.3℃。隨著環(huán)境溫度不斷下降，變壓器本體溫度也不斷下降，當(dāng)本體溫度低于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度時(shí)，強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器的風(fēng)扇就應(yīng)逐個(gè)退出；但對(duì)于120MVA以上變壓器必須保證有2臺(tái)潛油泵運(yùn)行，保證變壓器油處于流動(dòng)狀態(tài)，防止變壓器油結(jié)冰導(dǎo)致的油路不通等缺陷。

5 結(jié) 語

高寒地區(qū)冬季極端氣候極大程度地影響電力變壓器的安全運(yùn)行，使變壓器故障及缺陷的類型及原因有別于普通氣候特征地區(qū)，主要是因變壓器材料的熱脹冷縮效應(yīng)以及變壓器油紙絕緣的低溫特性引發(fā)。電網(wǎng)公司應(yīng)依據(jù)氣候特點(diǎn)及其特殊性，總結(jié)并制定適用于高寒地區(qū)電力變壓器選型、試驗(yàn)及運(yùn)維方法，為 “全球能源互聯(lián)網(wǎng)”及“一極一道”特高壓交流環(huán)網(wǎng)工程的變壓器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)與依據(jù)。

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(編輯 李世杰)

Analysis and countermeasures on power transformer fault mechanism in alpine region

ZHANG Jing1; ZHANG Lianxing1; CHENG Lin1; ZHU Xuecheng2; LIU Yang2; YU Chunlai2

(1. Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030，China)

Based on the climate characteristics of low temperature in winter in alpine region, field investigation and research is made on the failure and defects of power transformer. Combined with the change of power transformer’s working environment and physical and mechanical properties, failure reasons of transformer in alpine region are analyzed and the countermeasures of operation and maintenance of power transformers are put forward. Thus, that can provide a reference for the selection, testing and operation and maintenance in power transformers in alpine regions.

alpine region; power transformer; low temperature condition, failure analysis

2017-02-04。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52240016000A)。

張 靜(1986—)，女，工程師，主要從事高電壓技術(shù)、輸變電電氣設(shè)備絕緣檢測(cè)和診斷方面的研究。

TM411

B

2095-6843(2017)03-0255-04