故障樹分析法在電力變壓器故障分析中的應(yīng)用

任武杰

（潞安礦業(yè)集團(tuán)公司五陽熱電廠， 山西 長治 046205）

引言

在電力系統(tǒng)中，電流遠(yuǎn)程輸送、電力并網(wǎng)需要對電壓進(jìn)行升壓、降壓調(diào)節(jié)，因此電力變壓器是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要設(shè)備之一，它能夠?qū)⒕€路中電流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化完成電能輸送功能。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)進(jìn)步，電力變壓器單機(jī)容量不斷增加，系統(tǒng)更為復(fù)雜。電力系統(tǒng)變壓器一旦故障，其對系統(tǒng)下游用戶造成的損失難以估量。本文在研究電力變壓器結(jié)構(gòu)特征與各類故障原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合FTA 故障樹分析法，查找電力變壓器運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)，為有效提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性提供依據(jù)。

1 FTA 故障樹分析法原理

故障樹分析法一方面能夠直觀圖解出故障事件各事件間的邏輯關(guān)系，并通過定性、定量分析整個系統(tǒng)的可靠性狀況，其頂上事件為已經(jīng)發(fā)生或者可能發(fā)生的故障事件，而底事件為可能導(dǎo)致故障發(fā)生的最基本因素，通過中間事件相互橋聯(lián)，各個事件形成層層遞進(jìn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相鄰層次間事件通過“與”、“或”、“非”等邏輯門構(gòu)成完整的故障樹[1]。

故障樹分析法中最為重要的兩概念為“結(jié)構(gòu)函數(shù)”和“最小割集”，通過研究“結(jié)構(gòu)函數(shù)”能夠得出整個事件樹中的邏輯關(guān)系，而通過研究“最小割集”能夠發(fā)現(xiàn)引發(fā)頂上事件發(fā)生的所有最少底事件的集合。而所有因素最終導(dǎo)致事件發(fā)生的總概率主要取決于基本事件最小割集數(shù)量以及各事件的發(fā)生幾率，假定n 個基本事件中存在k 個最小割集，則總的故障發(fā)生概率為[2]：

式中：P（T）為總故障率，%；Ci為最小割集；

2 電力變壓器常見故障分析

電力變壓器以油浸式變壓器為主，該型變壓器由變壓器本體、油箱、冷卻裝置、出線裝置以及其他配套裝置構(gòu)成，而根據(jù)故障危害等級劃分為四個等級：災(zāi)難級、致命級、臨界級和輕度級[3]。通常情況下輕度級故障不會直接影響變壓器的正常工作狀態(tài)，但是出現(xiàn)幾率高，該型故障一旦擴(kuò)大將進(jìn)一步演化至臨界狀態(tài)，導(dǎo)致變壓器處于不安全狀態(tài)，出現(xiàn)繞線短路、斷路、套管燃燒、開關(guān)故障，甚至出現(xiàn)變壓器損壞或爆炸等危害。

2.1 繞線圈故障

變壓器繞線圈是變壓器完成電壓轉(zhuǎn)換和電能輸送的最主要的部分，線圈故障主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)和絕緣由于設(shè)計、加工或后期外部因素發(fā)生改變，造成線圈內(nèi)部層與層、匝與匝、餅與餅、股與股等不同位置發(fā)生斷路、短路，其表征為繞線松動、繞線變形、絕緣失效等問題，最終致使繞線圈斷路、短路發(fā)生故障，故障嚴(yán)重時會進(jìn)一步影響變壓器本體中的鐵芯、引線以及屏蔽層等，并且短路會引發(fā)高溫、高電能釋放[4]。

2.2 鐵芯故障

變壓器中另一主要電能轉(zhuǎn)化部件為鐵芯，其對電磁能量交換起到關(guān)鍵作用，而鐵芯故障主要類型為多點(diǎn)接地、片層間短路為主，短路所引發(fā)高溫進(jìn)而引發(fā)油紙和片層間絕緣失效、絕緣墊塊損壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鐵芯接地線路損毀。鐵芯多點(diǎn)接地故障又分為牢固型和動態(tài)型：其中鐵芯與附件間、附件與附件之間由于存在金屬雜物導(dǎo)致短路進(jìn)而引起牢固型多點(diǎn)接地；鐵芯內(nèi)部存在雜質(zhì)如金屬粉末為鐵片間形成導(dǎo)電橋，穩(wěn)定狀態(tài)下不會影響變壓器正常工作，一旦出現(xiàn)大電流會借此通路對鐵芯進(jìn)行沖擊，損害絕緣部分。由于鐵芯故障多發(fā)生鐵片間短路，由于磁場的渦流效應(yīng)會造成局部急劇升溫，易對內(nèi)部絕緣造成損傷。

2.3 分接開關(guān)故障

分接開關(guān)相對其他部分需要經(jīng)常通過觸頭、撥輪對變壓器進(jìn)行操控，同時內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜。變壓器內(nèi)部易出現(xiàn)高溫，分接開關(guān)觸頭由于受熱會在表面形成氧化層而接觸不良，同時觸頭由于與絕緣油的接觸形成油膜，也會導(dǎo)致開關(guān)接觸不良。分接開關(guān)故障通常表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)內(nèi)部錯亂、齒輪損傷、觸頭接觸不良、甚至筒體燃燒和爆炸。

2.4 套管故障

變壓器內(nèi)部的套管對油箱外部引線起到保護(hù)作用。由于其通常暴露在室外環(huán)境中，一方面需要承受引線過流時的電場、高溫，同時需要承受外部環(huán)境濕、熱以及其他不可預(yù)見的因素侵蝕，內(nèi)部絕緣油易老化，其本體瓷釉也會因?yàn)楦黝愐蛩爻霈F(xiàn)損傷，所以是變壓器主要故障部位，常見故障表現(xiàn)有變形位移、焊點(diǎn)開焊、局部放電以及套管爆炸[5]。

2.5 絕緣故障

變壓器內(nèi)部絕緣通常是指變壓器匝的絕緣，變壓器正常運(yùn)行過程即使出現(xiàn)一定的絕緣損傷也不會造成設(shè)備出現(xiàn)直接故障，但當(dāng)損傷程度超出介質(zhì)損耗標(biāo)準(zhǔn)時，變壓器局部就會出現(xiàn)發(fā)熱和放電現(xiàn)象，在變壓器內(nèi)部造成一定的局部繞線短路或絕緣墊塊焦化。引發(fā)絕緣損傷的主要原因有：電磁振動劃傷絕緣層、電磁作用導(dǎo)致絕緣局部脫落、渦流損耗使絕緣氧化、高電壓擊穿、電場分布不均導(dǎo)致局部放電等。

2.6 密封不良

變壓器密封狀態(tài)不良包含有結(jié)構(gòu)中的焊接質(zhì)量、螺栓連接、法蘭安裝等問題，油箱及冷卻裝置中出現(xiàn)管路漏油、漏氣，油箱的密封圈、油箱、油泵及冷卻裝置中各處的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、孔洞等。

3 電力變壓器故障樹的建立與分析

通過電力變壓器故障建立電力變壓器故障樹，將電力變壓器故障作為電力變壓器故障樹的頂上事件，根據(jù)電力變壓器常見故障類型以及變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將繞線圈故障、鐵芯故障、套管故障、分接開關(guān)故障作為中間事件，而將造成四個中間事件的底事件歸納至15 個，底事件對于中間事件和頂上事件都為邏輯或門，則變壓器故障的最小割集表述為：

即共計15 個最小割集，為了避免電力變壓器故障，應(yīng)對各個底事件進(jìn)行控制和監(jiān)控，見圖1。

圖11 變變壓壓器器故故障障樹樹

X1—絕緣老化；X2—異物；X3—絕緣損傷；X4—焊接不良；X5—短路過應(yīng)力；X6—鐵芯接地不良；X7—接地片斷；X8—多點(diǎn)接地；X9—散熱差；X10—疊片絕緣損傷；X11—密封不良；X12—機(jī)械損傷；X13—套管過熱；X14—接觸點(diǎn)污染；X15—接觸點(diǎn)氧化；X16—引線故障

4 結(jié)論

1）通過對電力變壓器常見故障類型進(jìn)行分析，將其常見故障分為繞線圈故障、鐵芯故障、分接開關(guān)故障、套管故障、絕緣故障、密封不良六類，并分別闡述其故障原因和危害。

2）在分析故障致因的基礎(chǔ)上，利用故障樹分析原理構(gòu)建電力變壓器故障樹，并通過對故障樹中各因素和事件間的邏輯關(guān)系，計算出該故障樹的最小割集為15 個，說明了為了避免變壓器故障應(yīng)對上述15 個底事件的因素進(jìn)行控制。

3）日常工作中的大部分事故都是由于不可預(yù)知的外部因素造成的，但是事件發(fā)生都是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)中各部分不穩(wěn)定狀態(tài)逐步演化而來的，同時故障發(fā)生前伴隨著各項(xiàng)異?，F(xiàn)象如：油溫異常、響聲、振動、油位變化、顏色和氣味異常等，因此，及時巡查和維護(hù)設(shè)備，確保設(shè)備處于穩(wěn)定工作狀態(tài)是避免故障發(fā)生最為有效的方法。