淺談變壓器的放電故障

李曉東 鳳斌 趙宏業(yè)

摘 要：電力變壓器是電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它承擔(dān)著電壓變換，電能分配和傳輸，并提供電力服務(wù)。因此，變壓器的正常運(yùn)行是對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證，必須最大限度地防止和減少變壓器故障和事故的發(fā)生。但由于變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行，故障和事故總不可能完全避免，且引發(fā)故障和事故又出于眾多方面的原因。如外力的破壞和影響，不可抗拒的自然災(zāi)害，安裝、檢修、維護(hù)中存在的問(wèn)題和制造過(guò)程中遺留的設(shè)備缺陷等事故隱患，特別是電力變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行后造成的絕緣老化、材質(zhì)劣化及預(yù)期壽命的影響，已成為發(fā)生故障的主要因素。同時(shí)，部分工作人員業(yè)務(wù)素質(zhì)不高、技術(shù)水平不夠或違章作業(yè)等，都會(huì)造成事故或?qū)е率鹿实臄U(kuò)大，從而危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變壓器;放電故障;絕緣

我們油田企業(yè)是一個(gè)超大型的露天工廠，變壓器的使用數(shù)量、類型非常龐大。由于變壓器故障類型太多，因此，很難以某一范疇規(guī)范劃分變壓器故障的類型。我們?cè)谶@里先初步分析變壓器常見(jiàn)的放電故障。根據(jù)放電的能量密度的大小，變壓器的放電故障分為局部放電、火花放電和高能量放電三種類型。

一、放電故障對(duì)變壓器絕緣的影響

放電對(duì)絕緣有兩種破壞作用：一種是由于放電質(zhì)點(diǎn)直接轟擊絕緣，使局部絕緣受到破壞并逐步擴(kuò)大，使絕緣擊穿。另一種是放電產(chǎn)生的熱、臭氧、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用，使局部絕緣受到腐蝕，介質(zhì)損耗增大，最后導(dǎo)致熱擊穿。

（1）絕緣材料電老化是放電故障的主要形式。

1）局部放電引起絕緣材料中化學(xué)鍵的分離、裂解和分子結(jié)構(gòu)的破壞。

2）放電點(diǎn)熱效應(yīng)引起絕緣的熱裂解或促進(jìn)氧化裂解，增大了介質(zhì)的電導(dǎo)和損耗產(chǎn)生惡性循環(huán)，加速老化過(guò)程。

3）放電過(guò)程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化學(xué)反應(yīng)腐蝕絕緣體，導(dǎo)致絕緣性能劣化。

4）放電過(guò)程的局能輻射，使絕緣材料變脆。

5）放電時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體引起絕緣體開(kāi)裂，并形成新的放電點(diǎn)。

（2）固體絕緣的電老化。固體絕緣的電老化的形成和發(fā)展是樹(shù)枝狀，在電場(chǎng)集中處產(chǎn)生放電，引發(fā)樹(shù)枝狀放電痕跡，并逐步發(fā)展導(dǎo)致絕緣擊穿。

（3）液體浸漬絕緣的電老化。如局部放電一般先發(fā)生在固體或油內(nèi)的小氣泡中，而放電過(guò)程又使油分解產(chǎn)生氣體并被油部分吸收，如產(chǎn)氣速率高，氣泡將擴(kuò)大、增多，使放電增強(qiáng)，同時(shí)放電產(chǎn)生的 X一蠟沉積在固體絕緣上使散熱困難、放電增強(qiáng)、出現(xiàn)過(guò)熱，促使固體絕緣損壞。

二、放電故障的類型與特征

1 變壓器局部放電故障

在電壓的作用下，絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣隙、油膜或?qū)w的邊緣發(fā)生非貫穿性的放電現(xiàn)稱為局部放電。局部放電剛開(kāi)始時(shí)是一種低能量的放電，變壓器內(nèi)部出現(xiàn)這種放電時(shí)，情況比較復(fù)雜，根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同，可將局部放電分為氣泡局部放電和油中局部放電;根據(jù)絕緣部位來(lái)分，有固體絕緣中空穴、電極尖器、油角間際、油與絕緣紙板中的油隙和油中沿固體絕緣表面等處的局部放電。

（1）局部放電的原因。

1）當(dāng)油中存在氣泡或固體絕緣材料中存在空穴或空腔，由于氣體的介電常數(shù)小，在交流電壓下所承受的場(chǎng)強(qiáng)高，但其耐壓強(qiáng)度卻低于油和紙絕緣材料，在氣隙中容易首先引起放電。

2）外界環(huán)境條件的影響。如油處理不徹底下降使油中析出氣泡等，都會(huì)引起放電。

3）金屬部件或?qū)щ婓w之間接觸不良而引起的放電。局部放電的能量密度雖不大，但若進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)形成放電的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致設(shè)備的擊穿或損壞，而引起嚴(yán)重的事故。

（2）放電產(chǎn)生氣體的特征。放電產(chǎn)生的氣體，由于放電能量不同而有所不同。如放電能量密度在 10-9C 以下時(shí)，一般總烴不高，主要成分是氧氣，其次是甲烷，氧氣占氧烴總量的80%一 90%，當(dāng)放電能量密度為 10.8一10.7C 時(shí)，則氫氣相應(yīng)降低，而出現(xiàn)乙烽，但乙烽這時(shí)在總烴中所占的比例常不到 2% ，這是局部放電區(qū)別于其他放電現(xiàn)象的主要標(biāo)志。隨著變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，局部放電是變壓器諸多有機(jī)絕緣材料故障和事故的根源，因而該技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種測(cè)量方法和試驗(yàn)裝置，亦有離線測(cè)量的。

（3）測(cè)量局部放電的方法。

1）電測(cè)法。利用示波器、局部放電儀或無(wú)線電干擾儀，查找放電的波形或無(wú)線電干擾程度。電測(cè)法的靈敏度較高，測(cè)到的是視在放電量，分辯率可達(dá)幾皮庫(kù)。

2）超聲測(cè)法。利用檢測(cè)放電中出現(xiàn)的超聲波，并將聲波變換為電信號(hào)，錄在磁帶上進(jìn)行分析。超聲測(cè)法的靈敏度較低，大約幾千皮庫(kù)，它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好，且可"定位”。有的利用電信號(hào)和聲信號(hào)的傳遞時(shí)間差異，可以估計(jì)探測(cè)點(diǎn)到放電點(diǎn)的距離。

3）化學(xué)測(cè)法。檢測(cè)溶解油內(nèi)各種氣體的含量及增減變化規(guī)律。此法在運(yùn)行監(jiān)測(cè)上十分適用。人簡(jiǎn)稱"色譜分析"?；瘜W(xué)測(cè)法對(duì)局部過(guò)熱或電弧放電很靈敏，但對(duì)局部放電靈敏度不高。而且重要的是觀察其趨勢(shì)，例如幾天測(cè)一次，就可發(fā)現(xiàn)油中含氣的組成、比例以及數(shù)量的變化，從而判定有無(wú)局部放電或局部過(guò)熱。

2 變壓器火花放電故障

發(fā)生火花放電時(shí)放電能量密度大于 10一6C 的數(shù)量級(jí)。

（1）懸浮電位引起火花放電。高壓電力設(shè)備中某金屬部件，由于結(jié)構(gòu)上原因，或運(yùn)輸過(guò)程和運(yùn)行中造成接觸不良而斷開(kāi)，處于高壓與低壓電極間并按其阻抗形成分壓，而在這一金屬部件上產(chǎn)生的對(duì)地電位稱為懸浮電位。具有懸浮電位的物體附近的場(chǎng)強(qiáng)較集中，往往會(huì)逐漸燒壞周圍固體介質(zhì)或使之炭化，也會(huì)使絕緣油在懸浮電位作用下分解出大量特征氣體，從而使絕緣油色譜分析結(jié)果超標(biāo)。懸浮放電可能發(fā)生于變壓器內(nèi)處于高電位的金屬部件，如調(diào)壓繞組，當(dāng)有載分接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換極性時(shí)的短暫電位懸浮;套管均壓球和無(wú)載分接開(kāi)關(guān)撥釵等電位懸浮。處于地電位的部件，如硅鋼片磁屏珊和各種緊固用金屬螺栓等，與地的連接松動(dòng)脫落，導(dǎo)致懸浮電位放電。變壓器高壓套管端部接觸不良，也會(huì)形成懸浮電位而引起火花放電。

（2）油中雜質(zhì)引起火花放電。變壓器發(fā)生火花放電故障的主要原因是油中雜質(zhì)的影響。雜質(zhì)由水分、纖維質(zhì)（主要是受潮的纖維）等構(gòu)成。水的介電常數(shù) e約為變壓器油的 40 倍，在電場(chǎng)中，雜質(zhì)首先極化，被吸引向電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)的地方，即電極附近，并按電力線方向排列。于是在電極附近形成了雜質(zhì)"堆積，如果極間距離大、雜質(zhì)少，只能形成斷續(xù)雜質(zhì)堆積，雜質(zhì)的導(dǎo)電率和介電負(fù)數(shù)都比變壓器油大，從電磁場(chǎng)原理得知，由于堆積雜質(zhì)的存在，會(huì)畸變油中的電場(chǎng)。因?yàn)槔w維的介電和常數(shù)大，使纖維端部油中的電場(chǎng)加強(qiáng)，于是放電首先從這部分油中開(kāi)始發(fā)生和發(fā)展，油在高場(chǎng)強(qiáng)下游離而分解出氣體，使氣泡增大，游離又增強(qiáng)。而后逐漸發(fā)展，使整個(gè)油間降在氣體通道中發(fā)生火花放電，所以，火花放電可能在較低的電壓下發(fā)生。

（3）火花放電的影響。一般來(lái)說(shuō)，火花放電不致很快引起絕緣擊窮，主要反映在油色普分析異常、局部放電量增加或輕瓦斯動(dòng)作，比較容易被發(fā)現(xiàn)和處理，但對(duì)其發(fā)展程度應(yīng)引起足夠的認(rèn)識(shí)和注意。

3 變壓器電弧放電故障

電弧放電是高能量放電，常以繞組匝層間絕緣擊穿為多見(jiàn)，其次為引線斷裂或?qū)Φ亻W絡(luò)和分接開(kāi)關(guān)飛弧等故障。

（1）電弧放電的影響。電弧放電故障由于放電能量密度大，產(chǎn)氣急劇，第以電子崩形e 沖擊電介質(zhì)，使絕緣紙穿孔、燒焦或炭化，使金屬材料變形或熔化燒毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備燒損，甚至發(fā)生爆炸事故，這種事故一般事先難以預(yù)測(cè)，也無(wú)明顯預(yù)兆，常以突發(fā)的形式暴露出來(lái)。

（2）電弧放電的氣體特征。出現(xiàn)電弧放電故障后，氣體繼電器中的 H2 和 C2H2 等組分第高達(dá)幾千 UL/L，變壓器油赤炭化而變黑。油中特征氣體的主要成分是 H2 和 C2H2，其次 C2H6 和 CH4。當(dāng)放電故障涉及到固體絕緣時(shí)，除了上述氣體外，還會(huì)產(chǎn)生CO 和 CO2。

綜上所述，三種放電的形式既有區(qū)別又有一定的聯(lián)系。區(qū)別是指放電能級(jí)和產(chǎn)氣組分，聯(lián)系是指局部放電是其他兩種放電的前兆，而后者又是前者發(fā)展后的一種必然結(jié)果。由于變壓器內(nèi)出現(xiàn)的故障，常處于逐步發(fā)展的狀態(tài)，同時(shí)大多不是單一類型的故障，往往是一種類型伴隨者另一種類型，或幾種類型同時(shí)出現(xiàn)，因此，更需要認(rèn)真分析，具體對(duì)待。