探討220kV變壓器的內(nèi)部故障分析及處理

張國云

（特變電工股份有限公司新疆變壓器廠，新疆 昌吉 831100）

變壓器在電力系統(tǒng)中負(fù)責(zé)輸送電能、轉(zhuǎn)換能量，關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，應(yīng)當(dāng)是預(yù)防嚴(yán)重事故的主要預(yù)防對(duì)象，所以應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)變壓器使用管控的力度，盡量降低故障率。而變壓器制造商是把控設(shè)備質(zhì)量的第一階段，在保障加工效率的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注出廠試驗(yàn)環(huán)節(jié)，借此查漏補(bǔ)缺，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障缺陷，并將相應(yīng)部件進(jìn)行更換處理。下文就是以220kV等級(jí)的變壓器為例，進(jìn)行相關(guān)的內(nèi)部故障分析。

1 變壓器故障類型

對(duì)于220kV等級(jí)的變壓器故障研究，應(yīng)當(dāng)是保障設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)及使用質(zhì)量的前提，通常是選擇建設(shè)相應(yīng)樹狀模型的形式加以研究，把各種故障分出層級(jí)。目前比較常見的故障主要有下述幾種。

1.1 鐵芯故障

對(duì)于變壓器來說，其能否正常使用和繞組、鐵芯品質(zhì)有莫大關(guān)系，是傳遞與交換能量的重要位置。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，磁路內(nèi)的故障始終在高發(fā)狀態(tài)下，即在鐵芯與鐵軛等位置，主要表現(xiàn)是局部過熱以及懸浮放電。其中，前者一般是由于鐵芯過度接地、磁飽和局部短路等原因造成；后者則是由于接地不充分與接地片熔斷導(dǎo)致的。

1.2 引線故障

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中引線相對(duì)脆弱，但是極為關(guān)鍵的組件，是內(nèi)外連接的介質(zhì)，其接頭是焊接制造。在引線外側(cè)進(jìn)行絕緣包扎處理，防止引線出現(xiàn)接觸與短路方面的異常，因此絕緣效果與焊接質(zhì)量都可能影響引線狀態(tài)。在出廠試驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)引線故障，應(yīng)當(dāng)考慮短路、斷路與接觸方面的原因。其中，引線短路是致命的，假設(shè)沒有通過出廠試驗(yàn)及時(shí)排除故障，就會(huì)在產(chǎn)品后期使用中演變成繞組短路，造成質(zhì)量事故進(jìn)一步加劇中，后果可能是災(zāi)難性的，更有甚者會(huì)直接造成變壓器停運(yùn)。

1.3 分接開關(guān)

變壓器上的分接開關(guān)需要長期被高溫條件與絕熱油干擾，造成觸頭外表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，提高其中的接觸電阻，導(dǎo)致接觸不良。如果發(fā)生此種故障，容易發(fā)生局部高溫，進(jìn)一步損害接觸面的完整性。而在分接開關(guān)位置，可能會(huì)出現(xiàn)多種故障，較為典型的有觸頭燒損與尺寸受損等。

1.4 絕緣故障

變壓器的絕緣體系中，主要故障表現(xiàn)有油流帶電、擊穿和圍屏放電。而絕緣故障中還包括介損超標(biāo)與絕緣損傷。在變壓器產(chǎn)品發(fā)生絕緣異常后，雖然能在短期內(nèi)保持穩(wěn)態(tài)，但局部放電、輕微高溫等情況依舊會(huì)存在。假設(shè)故障沒有處理，會(huì)加劇絕緣損傷的程度，由此導(dǎo)致絕緣件碳化與局部繞組短路等問題。

1.5 套管故障

產(chǎn)品內(nèi)部繞組和油箱外側(cè)連接的引線，套管是其較為重要的保護(hù)部件，極易被外界條件干擾，比如，污染、自然降雨等，導(dǎo)致瓷釉開裂、絕緣老化等后果，是變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)故障概率較高的部分。比如，位移、放電、炸裂等。

1.6 繞組故障

繞組故障是指發(fā)生在線圈與縱絕緣處的異常，主要可分為斷線、高溫、匝間短路等幾項(xiàng)。該種內(nèi)部故障的危害性大，誘發(fā)原因較多，如本身結(jié)構(gòu)與絕緣異常等。其中短路、擊穿是出現(xiàn)概率相對(duì)大的故障，威脅程度也更大，會(huì)波及絕緣層與引線、鐵芯等。

2 220kV變壓器的故障原因

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與有關(guān)主題的文獻(xiàn)資料，對(duì)于變壓器可能發(fā)生停運(yùn)的情況，出廠試驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)從經(jīng)常出現(xiàn)故障部件入手，比如，線圈、中性點(diǎn)設(shè)備、油枕、冷卻系統(tǒng)、鐵芯與套管等。結(jié)合2010～2020年的統(tǒng)計(jì)220kV等級(jí)的變壓器缺陷數(shù)據(jù)顯示，此類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，多次出現(xiàn)故障問題的位置一般集中在套管與分接開關(guān)、儲(chǔ)油柜、冷卻器上。按照引發(fā)故障類型的危險(xiǎn)性，變壓器產(chǎn)品能否順利出廠以及平穩(wěn)運(yùn)行，大多數(shù)是由鐵芯與繞組決定的。

3 220kV變壓器內(nèi)部故障出廠試驗(yàn)與處理

3.1 沖擊試驗(yàn)擊穿

3.1.1 試驗(yàn)介紹

某220kV主變?cè)诮?jīng)過絕緣及直流電阻、絕緣對(duì)地電阻等一系列的低壓試驗(yàn)與優(yōu)化試驗(yàn)，確認(rèn)產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果信息滿足生產(chǎn)制造技術(shù)要求。并在第二日根據(jù)工序開展操作沖擊試驗(yàn)，其中的高壓A相的相應(yīng)試驗(yàn)中，50%沖擊與100%沖擊條件下產(chǎn)生的波形經(jīng)過對(duì)比，存在諸多不重合的問題。根據(jù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，沖擊波形的Td需超過200us，而T0應(yīng)大于1000us。而沖擊試驗(yàn)實(shí)際的結(jié)果卻與之有明顯差距，Td僅有120.5us，T0是289.9us。在此次試驗(yàn)后，技術(shù)人員初步認(rèn)為全電壓波形的沖擊中，出現(xiàn)對(duì)地放電故障，并且在其他兩相也通過沖擊試驗(yàn)。對(duì)于該種情況，即刻暫停出廠試驗(yàn)，確認(rèn)故障原因。

3.1.2 吊罩分析

在吊罩分析中，先安排低電壓試驗(yàn)，具體有支流電阻、三側(cè)繞組的對(duì)地絕緣電阻、變比，所得試驗(yàn)結(jié)果顯示一切正常。在A相套管的電容與介損試驗(yàn)中，所得結(jié)果和試驗(yàn)前幾乎相同。在某月2日與3日取油進(jìn)行色譜研究，結(jié)果都有問題，相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際表現(xiàn)來講，變壓器機(jī)身在第三次的全電壓沖擊試驗(yàn)中，其內(nèi)部應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)A相線圈對(duì)地的故障。

表1 本體油色譜試驗(yàn)結(jié)果

在細(xì)致查看主器的外觀后，沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。在烘干裝置的器身拔掉上鐵軛，取出上壓板以及公共端圈后發(fā)現(xiàn)，鐵芯最外面尖角有放電后的表現(xiàn)，相應(yīng)公共端圈以及中壓線圈部分的外圍屏位置，由鐵芯到線圈有爬電的表現(xiàn)，在拆解圍屏做進(jìn)一步檢查，中壓線圈位置的圍屏出現(xiàn)向線圈內(nèi)側(cè)爬電的情況，中壓線圈對(duì)應(yīng)圍屏的首層出現(xiàn)由上至下延伸的爬電情況，其余圍屏則留有輕微污染的情況。技術(shù)員繼續(xù)拆解中，也在局部線圈上出現(xiàn)放電點(diǎn)，和首層爬電表現(xiàn)的終點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。根據(jù)以上試驗(yàn)與檢查結(jié)果能夠確定，該次沖擊異常放電的故障，鐵芯是起始點(diǎn)，順著線圈與圍屏爬電。

3.1.3 分析結(jié)果

主要放電路徑是由鐵芯到中壓繞組，而且高壓繞組對(duì)應(yīng)端圈下方，也有樹狀放電痕跡。出現(xiàn)此種內(nèi)部故障現(xiàn)象的主要原因應(yīng)當(dāng)為：變壓器閃絡(luò)是電場(chǎng)強(qiáng)度決定，在輸送電壓與閃絡(luò)電壓相同的情況下，放電通常是由陽極逐漸向陰極推進(jìn)。繞組連通負(fù)極性電壓，而接地鐵芯可看成陽極，因?yàn)榘雽?dǎo)體層形成褶皺，局部電場(chǎng)相對(duì)偏高，形成電離，由此產(chǎn)生正流注。流注演化中，放電路徑并非處于超導(dǎo)狀態(tài)，因此，在流注“成長”中，通道路徑中會(huì)產(chǎn)生電壓降，令相應(yīng)端部場(chǎng)強(qiáng)減弱。假設(shè)場(chǎng)強(qiáng)在電離臨界場(chǎng)強(qiáng)下，流注不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，這種現(xiàn)象猶如高壓繞組端圈發(fā)生放電的情況，如果場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定程度，流注便會(huì)保持發(fā)展?fàn)顟B(tài)，最后造成貫穿故障。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象與檢查情況分析可知，高壓在實(shí)施出廠沖擊試驗(yàn)中，低壓與中壓均會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)。在鐵芯外圍區(qū)域的半導(dǎo)體帶形成褶皺后，再加上場(chǎng)強(qiáng)的影響就會(huì)引起放電，而放電留下樹狀的痕跡，能有效說明放電的運(yùn)行軌道。因?yàn)槿齻€(gè)線圈在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)中都通過電壓，而放電一般更傾向于場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)更大的部分，絕緣性能相對(duì)偏差的位置出現(xiàn)擊穿放電。在導(dǎo)線放電點(diǎn)位于終壓外角環(huán)的邊緣區(qū)域，保護(hù)效力比較弱，令其成為絕緣體系中的薄弱點(diǎn)，所以在該位置出現(xiàn)擊穿，這種現(xiàn)象和爬電發(fā)展過程比較符合。由此能夠確認(rèn)的是，由鐵芯向中壓線圈導(dǎo)線發(fā)生放電，就是出廠試驗(yàn)中內(nèi)部故障的分析結(jié)果。究其根本，半導(dǎo)體帶的處理出現(xiàn)問題，包扎不緊實(shí)，導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)畸變，引發(fā)放電故障。

總之，通過普通低壓試驗(yàn)以及油化試驗(yàn)，可以在出廠中找到大多數(shù)問題，如果是個(gè)別工藝不良的情況，很難有效反饋。而利用沖擊耐壓試驗(yàn)可以有效評(píng)估變壓器本身耐沖擊電壓的水平，及時(shí)找出潛在故障，避免在后期投入使用后發(fā)生輸送電造成質(zhì)量事故。

3.2 局部放電試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)介紹

某個(gè)200kV變壓器根據(jù)技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，組織局部放電的試驗(yàn)活動(dòng)，在試驗(yàn)電壓達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，局部放電量的保證值分別要達(dá)到：高壓與高壓均不能超過100pC。

某月15日在溫升試驗(yàn)完成后，等到有溫度下降至環(huán)境溫度，才能開展局部放電測(cè)試，所得結(jié)果和之前的試驗(yàn)相同。技術(shù)員利用測(cè)試確認(rèn)局部放電的起始位置處于高壓首端，基于此進(jìn)一步查看套管部件，把相應(yīng)油枕頂端螺栓擰開的同時(shí)，逸出少量氣體，經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)其他兩相高壓套管出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。待放氣結(jié)束后，繼續(xù)檢查中壓套管，未出現(xiàn)類似的情況，而為保障內(nèi)部氣體能夠完全逸出進(jìn)行靜置處理。

在同月17日，針對(duì)B相與C相實(shí)施測(cè)試，根據(jù)常規(guī)局部放電分析的回路與加壓流程，適當(dāng)延長測(cè)試的時(shí)間，測(cè)得結(jié)果顯示這兩相的局部放電量都未達(dá)到100pC，即兩相都達(dá)標(biāo)。對(duì)變壓裝置上下部進(jìn)行抽油化驗(yàn)，和此產(chǎn)品前期油化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果也無問題。試驗(yàn)完成后，開展一系列的處理工作，依次為放油、抽真空、注油與熱油循環(huán)。25日繼續(xù)開展A相的局部放電測(cè)試，條件分別是：1.5E（12分鐘、20pC）；1.7E（10秒、500pC）；1.5E（8分鐘、20pC），其中局部放電達(dá)到300pC共有兩次，在短短數(shù)秒內(nèi)熄滅，而1.7E及8分鐘后，局部放電出現(xiàn)200pC的情況，而且放電量不斷提高，在此后4分鐘的時(shí)間，就上升至4400pC。此時(shí)，把試驗(yàn)電壓下調(diào)至0.95E（4200pC），局部放電的初始電壓是0.95E，而熄滅電壓是0.75E。在該條件下，通過超聲無損定位，僅有高壓側(cè)箱壁與蓋子位置未獲取信號(hào)。

27日組織A相的復(fù)試，試驗(yàn)結(jié)果表示，在局部放電量達(dá)到14000pC的情況下實(shí)施超聲定位，實(shí)際結(jié)果依舊是高壓側(cè)未取得信號(hào)，而在中壓側(cè)能獲取反饋信號(hào)。試驗(yàn)定位中，局部放電量處于500～1500pC區(qū)間，波形密度從低到高。假設(shè)變壓器長軸是X，短軸是Y，選擇逼近方式確認(rèn)局部放電的初始位置。相應(yīng)立體坐標(biāo)范圍分別是：X為2800～3100mm；Y為0～300mm；Z為1900～2180mm。在29日開展色譜試驗(yàn)，結(jié)果顯示變壓器油內(nèi)的C2H2含量：上部是2.8μL/L；下部是2.1μL/L。通過相應(yīng)計(jì)算輔助超聲定位，獲得信息幾乎和超聲定位結(jié)果一致?；诖?，設(shè)定局部放電條件是1.5E，開展連續(xù)2h的試驗(yàn)。A相高壓側(cè)的放電量處于230～12600pC之間；中壓側(cè)則處于640～5300pC區(qū)間內(nèi)。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

出廠試驗(yàn)中，變壓器局部放電故障明顯，在試驗(yàn)不斷增多中，局部放電量總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這意味著該變壓器主要絕緣性能在持續(xù)惡化中。另外，起始放電和熄滅時(shí)的電壓有明顯差別，這證明造成局部放電量故障的誘因不止有套管內(nèi)氣體含量高，還可能有固體絕緣方面的問題。由于局部放電量故障和出口部分的電壓沒有關(guān)聯(lián)，但和匝電壓存在聯(lián)系，據(jù)此大致能判斷套管、均壓球連接以及高壓的引線對(duì)接地體物理距離等和該項(xiàng)內(nèi)部故障現(xiàn)象沒有聯(lián)系。最終斷定，此變壓器出現(xiàn)局部放電故障應(yīng)當(dāng)位于線圈主絕緣。以超聲定位情況來講，此變壓器異常放電的位置應(yīng)當(dāng)是A相線圈上端?？紤]到該放電量的故障比較明顯，同時(shí)局部放電測(cè)試中，油內(nèi)出現(xiàn)C2H2，應(yīng)當(dāng)選擇解體或是吊罩檢查。

3.2.3 解體檢查

結(jié)合數(shù)次局部放電測(cè)試以及超聲定位，最終選擇解體檢查的方法。技術(shù)員通過吊罩檢查沒有找到明顯問題，把A相的線圈外側(cè)圍板拆掉，查看相應(yīng)圍板與撐條，絕緣件處未留下放電痕跡。隨后拆開上壓板以及高壓出線處，通過細(xì)致觀察同樣未在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)放電表現(xiàn)。技術(shù)員繼續(xù)拆掉上鐵軛以及上部絕緣，查看相應(yīng)低壓側(cè)的情況，而在高壓與調(diào)壓線圈間的位置出現(xiàn)放電現(xiàn)象。將上部的角環(huán)拆掉后，調(diào)壓靜電環(huán)同樣發(fā)現(xiàn)放電跡象。待拆掉調(diào)壓線圈，查看其內(nèi)部的情況，也沒有放電的表現(xiàn)。把B相和C相對(duì)應(yīng)調(diào)壓線圈中靜電環(huán)與角環(huán)拆掉，同樣未留下放電的情況。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)與解體檢查的結(jié)果，將三相的靜電環(huán)內(nèi)包扎帶全部更換。同時(shí)，把A相調(diào)壓線的全部角環(huán)與外側(cè)圍板均換新。根據(jù)變壓器的訂單技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重新進(jìn)行出廠試驗(yàn)。

4 結(jié)語

總之，變壓器故障的誘發(fā)原因較多，實(shí)踐處理效果還需繼續(xù)提升。在對(duì)其內(nèi)部故障進(jìn)行探究中，制造商環(huán)節(jié)有著較大的基礎(chǔ)性作用，其通過加強(qiáng)對(duì)變壓器生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的管控，嚴(yán)密把握加工原料、工藝程序，并配以出廠試驗(yàn)檢查、處理，保障所有流入市場(chǎng)產(chǎn)品均有較好的運(yùn)行性能，擁有長期穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。另外，正式投運(yùn)以前，相關(guān)技術(shù)員需要再度檢查設(shè)備，確認(rèn)絕緣套管沒有損傷以及無漏油的情況，在通過絕緣與短路等試驗(yàn)后才能投運(yùn)。