一起大容量電力變壓器局部放電故障分析與處理

胡善福

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

隨著電網(wǎng)發(fā)展的信息化、自動化以及發(fā)電廠裝機容量的高速增長，電力變壓器的重要性也日益突出，變壓器的安全可靠運行對保障電網(wǎng)的安全運行具有重要意義［1］。大量實例表明，變壓器內(nèi)部故障多數(shù)是由局部放電誘發(fā)的。局部放電是指引起導(dǎo)體之間的場強高處絕緣只發(fā)生局部橋接的一種放電，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，可以發(fā)生在導(dǎo)體周圍，也可能發(fā)生在其他區(qū)域，一般情況下是由絕緣體內(nèi)部或表面局部電場過于集中導(dǎo)致的［2］。局部放電量超標是變壓器試驗或運行時絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障的前兆，其持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致絕緣進一步劣化，典型的局部放電類型主要有懸浮放電、尖端放電、氣泡放電和沿面放電等，如果局部放電未能及時處理，完全有可能發(fā)展為全面的絕緣擊穿，是影響電力系統(tǒng)安全運行的重大隱患［3］。

局部放電是衡量變壓器絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標［4］，中國國家標準GB/T1094.3及IEC60076-3規(guī)定110 kV及以上電壓等級的所有變壓器應(yīng)實施局部放電檢測。局部放電表現(xiàn)為絕緣系統(tǒng)局部區(qū)域的微小擊穿，常伴有發(fā)光、發(fā)熱、電脈沖、電磁輻射、超聲波以及放電導(dǎo)致絕緣材料分解出氣體等現(xiàn)象，通過這些現(xiàn)象可以進行局部放電量檢測［5］。目前，對局部放電源進行定位的方法已有較大發(fā)展，有超聲波檢測法、光學(xué)檢測法、氣相色譜分析法、射頻檢測法、介質(zhì)損耗法、紅外成像法、脈沖電流檢測法、超高頻檢測法［6］，其中常用的方法是脈沖電流法和超聲波檢測法，即先通過脈沖電流法大致確定放電源的電氣位置，再通過超聲波定位法確定放電源的空間部位，將此二種方法組合起來使用，能夠達到快速準確地對局部放電部位進行定位的目的［7］。局部放電測量是對變壓器設(shè)計、制造過程、生產(chǎn)工藝、材料性能以及現(xiàn)場安裝工藝的綜合檢驗，是變壓器例行試驗中最重要的項目，是變壓器絕緣性能的一項重要指標［8］。

本文針對某臺220 kV大容量電力變壓器在例行試驗中局部放電量超標的故障，說明了如何進行測量診斷、故障定位、物料材質(zhì)檢測，通過綜合分析，制定了解決方案，最后成功地解決了該故障，相關(guān)過程可供變壓器制造廠和變電運行單位參考。

2 故障概況

某電網(wǎng)公司220 kV變電站增容改造工程主變壓器，型號為SFSZ13-240000/220，變壓器的基本信息如表1所示，外部附件布置如圖1所示。

表1 變壓器基本信息

圖1 變壓器外形

2021年11月，此臺變壓器已成功通過例行試驗中的低電壓測試項目，如電壓變比測量，繞組絕緣電阻測量等，而且也已通過空載試驗、負載試驗、雷電沖擊試驗，操作沖擊試驗和外施耐壓試驗。然而，在帶有局部放電測量的感應(yīng)電壓試驗過程中，高壓A相和B相局部放電量不穩(wěn)定，局部放電響應(yīng)波形中偶爾出現(xiàn)閃爍不穩(wěn)定的尖峰，A相局部放電量最大值約1 000 pC，B相約400 pC，高壓兩相局部放電響應(yīng)波形及圖譜如圖2所示。變壓器技術(shù)協(xié)議規(guī)定，局部放電量不得大于100 pC，因此需要查明原因，處理合格后才能放行。

圖2 高壓兩相局部放電響應(yīng)波形和圖譜

3 故障分析

3.1 外部干擾排查

局部放電源也有可能來自于被測試品的外部，因此試驗人員首先對可能存在的外部干擾進行了逐一排查。試驗現(xiàn)場附近無切割、焊接作業(yè)，電源輸入側(cè)也接入了濾波器。在試驗回路周圍的設(shè)備、工裝和環(huán)境進行了懸浮電位檢查，相關(guān)尖角均采用臨時的屏蔽罩避免過高電場。對于試驗回路的接地線路也一并進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)套管末屏接觸異常。隨后，對有載調(diào)壓開關(guān)進行多次調(diào)擋操作，以免開關(guān)接觸不良［9］。最后，再次對變壓器的相關(guān)位置進行充分放氣。排查完畢后，重新施壓測試，高壓A相和B相局部放電量超標現(xiàn)象仍未改變，可排除外部干擾因數(shù)。初步判斷變壓器內(nèi)部存在某種缺陷，需要進一步處理。變壓器試驗人員應(yīng)不斷提高識別典型局部放電響應(yīng)波形和干擾波形的能力，正確掌握放電的特征與施加電壓及時間的規(guī)律［10］。

3.2 內(nèi)部故障診斷

局部放電測試后24 h，在變壓器的底部、中部和頂部分別取油樣進行油色譜分析，結(jié)果油中無乙炔，其他特征氣體也未見異常。在變壓器的生產(chǎn)實踐中，如果注油速度過快，或注油真空度不夠，吸附在絕緣件、夾件、鐵心上的氣泡不能被有效清除，那么也可能導(dǎo)致氣泡放電引起局部放電超標的現(xiàn)象。為了排除此情況，變壓器進行了放油、再次按工藝要求在真空條件下注油、靜放。隨后的三相接線法局部放電測量結(jié)果之前的與之前的相似，仍未好轉(zhuǎn)，此時開關(guān)處于額定擋位，即9B位分接位置，A相局部放電量最大值達1 600 pC，B相約400 pC，但C相正常。如圖3所示，變壓器的高壓中性點接地，高壓線圈的底部、調(diào)壓線圈的第9抽頭也處于地電位。為了判斷局部放電源是否在線圈內(nèi)部，對高壓調(diào)壓開關(guān)的位置進行了調(diào)整，改為第1擋，但試驗時保持匝電壓不變，提高了線圈端部電壓和相間電壓，如圖4所示。

圖3 三相接線法額定擋位測試

圖4 三相接線法1擋位測試

當開關(guān)處于第1擋進行的三相接線法局部放電測量結(jié)果比較意外，竟然三相局部放電量均正常。但此時線圈匝間、餅間、引線間的電壓均與額定擋位相同，并且高壓端部對地、高壓端部相間電壓提高了12%。此結(jié)果表明，缺陷位置不在線圈底部、內(nèi)部，也不在引線間，更不在高壓套管上。要處理缺陷，必須判斷缺陷所在大致位置，因此需要進行故障定位。

3.3 局部放電故障定位

首先，局部放電定位是基于放電所發(fā)生的物理現(xiàn)象查找缺陷部位的一種方法。由于局部放電瞬間會發(fā)生正負電荷中和，產(chǎn)生電流脈沖現(xiàn)象。該電流脈沖在局部放電區(qū)域產(chǎn)生較高熱量，從而引起區(qū)域體積膨脹，放電結(jié)束后，該區(qū)域又會收縮，這種局部體積周期性變化導(dǎo)致介質(zhì)疏密的變化，進而形成聲波，聲波頻率一般大于20 kHz而小于300 kHz，在變壓器油中聲波的傳播速度為1 324 m/s，在鋼鐵中為5 000 m/s［11］，由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲信號在油箱內(nèi)部會經(jīng)過多次折射和反射，超聲傳感器會收到多個超聲信號，在定位過程中需要多個傳感器、在不同位置配合，才能提高定位的準確性。

通過之前的電氣診斷，判斷缺陷部位大致位于高壓A相或B相線圈的上部，需在變壓器的箱蓋和側(cè)壁采用多探頭進行超聲波信號探測。有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)整在額定擋位進行了測試，局部放電量與之前的相同，并且多個探頭捕捉到了超聲波信號，經(jīng)過信號分析和變壓設(shè)計模型比對，可以判斷局部放電源在A相調(diào)壓繞組上端部且靠近B相位置，如圖5紅圈位置所示。此處涉及到調(diào)壓線圈端部的端圈、線圈壓板，調(diào)壓線圈相關(guān)的部分紙筒和絕緣件。

圖5 故障定位結(jié)果（紅圈部位）

根據(jù)放電起始電壓與熄滅電壓相差較大，起始熄滅電壓比較穩(wěn)定的現(xiàn)象，結(jié)合圖2局部放電響應(yīng)圖譜，基本判斷定位區(qū)域的上述絕緣內(nèi)部存氣穴的可能性較大。變壓器絕緣件制造過程中存在涂膠過程，紙板中可能有封閉的氣腔，如果未被變壓器油浸透，在高場強作用下氣腔就容易放電。

3.4 絕緣材料檢測分析

該變壓器隨后進行了放油吊芯，并仔細檢查了磁屏蔽、鐵心、夾件、器身，各部件表面均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。然后，器身進入烘爐干燥，拔出上鐵軛，對所懷疑部位進行了重點檢查。各相線圈的上部無雜質(zhì)異物，引線表面整潔無異常。吊出A相線圈的上部壓板，然后依次拔出調(diào)壓線圈、高壓線圈，檢查調(diào)壓線圈的內(nèi)外表面和端圈，高壓線圈的內(nèi)外表面、靜電屏、角環(huán)墊塊、紙筒及撐條，引線包紙絕緣，均未發(fā)現(xiàn)故障點。因壓板和調(diào)壓線圈的端圈絕緣相對較厚，存在刷膠不均勻、夾雜異物的可能性。因而，裁剪出定位指向區(qū)域的壓板，并把樣品送至專業(yè)檢測機構(gòu)進行X光掃描和金屬成分分析，結(jié)果顯示壓板內(nèi)部材質(zhì)均勻，未見異物，也未發(fā)現(xiàn)空腔。壓板也進行了解剖，解剖結(jié)果顯示壓板層間粘接均勻，無明顯分層現(xiàn)象。

圖6 端圈解剖局部表面光滑

對于A相端圈的定位指向區(qū)域，也進行了逐層解剖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩層紙板間的部分區(qū)域比較光滑，這部分紙板被送到專業(yè)機構(gòu)進行紅外光譜檢測，檢測結(jié)果表明兩側(cè)紙板均含有膠質(zhì)。據(jù)供應(yīng)商反饋端圈層間都進行了刷膠，所以用蛋白質(zhì)的氨基特征峰進行分析，結(jié)果顯示，可疑區(qū)域的氨基特征峰與正常含膠區(qū)域類似，且有區(qū)別于端圈最外部無膠區(qū)域，因此判定該可疑區(qū)域含有膠質(zhì)，即紙板層間存在膠水。深入調(diào)查該調(diào)壓端圈的生產(chǎn)過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此只端圈制造過程未完全符合工藝要求。因本批次多臺變壓器的端圈相同，供應(yīng)商收到訂單后，未按臺份生產(chǎn)，而是將相同規(guī)格的端圈一起制作。操作工完成這批次多只端圈的涂膠后，再開始擠壓工藝過程，但多只端圈涂膠總耗時已超過允許時間，即部分涂覆的膠水載擠壓工程開始之前已經(jīng)固化，端圈在此局部位置粘結(jié)強度不足，導(dǎo)致端圈在后續(xù)的干燥過程中局部開裂，形成了局部空腔。

綜合上述分析，本次局部放電超標的原因為端圈涂膠時間過長，兩面固化的膠質(zhì)內(nèi)藏有局部空腔，導(dǎo)致浸油過程中該區(qū)域油沒有充分浸漬。

4 故障處理

（1）絕緣材料供應(yīng)商重新生產(chǎn)端圈

根據(jù)要求，絕緣材料供應(yīng)商已嚴格落實生產(chǎn)工藝，嚴控產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)［12］，從開始涂膠到上壓時間必須控制在允許的時間內(nèi)。涂覆完每一相端圈立即上模，以縮短涂膠與綁扎的時間間隔。并且供應(yīng)商已修改制作端圈的工藝記錄卡，需記錄調(diào)膠時間、涂膠時間、綁扎結(jié)束時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）更換局部放電定位指向區(qū)域的絕緣材料

局部放電定位指向區(qū)域的絕緣材料，包括壓板和公共端圈，高壓和調(diào)壓之間的部分絕緣件，調(diào)壓線圈及其相關(guān)絕緣件，然后按變壓器的生產(chǎn)工藝流程進行器身裝配，器身干燥，部件裝配、主體抽真空、注油，靜放，修復(fù)后的變壓器順利通過了例行試驗。

5 結(jié)束語

變壓器絕緣缺陷導(dǎo)致變壓器局部放電故障是常見現(xiàn)象，及早地發(fā)現(xiàn)缺陷，可避免在運行中造成更大的經(jīng)濟損失。借助電氣智能化和數(shù)字化技術(shù)，變壓器局部放電檢測方法和定位技術(shù)手段更加成熟和快捷。然而，局部放電所呈現(xiàn)的物理和化學(xué)現(xiàn)象隨著絕緣件用料、加工工藝過程的不同而異，在實際的故障排查過程中應(yīng)根據(jù)變壓器的電氣連線和絕緣結(jié)構(gòu)特點，綜合分析，可在不同擋位進行放電量的檢測對比，然后綜合運用電氣診斷、超聲波分析、光譜檢測等技術(shù)，進行故障處理。本文為變壓器制造廠和運行單位快速解決類似問題提供了新思路，而且為絕緣材料制造商改進生產(chǎn)工藝流程、制定絕緣件出廠檢測規(guī)程提供參考。