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)中負責輸送電能、轉換能量，關系到電網(wǎng)運行的可靠性，應當是預防嚴重事故的主要預防對象，所以應當強化對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備質量的第一階段，在保障加工效率的同時，應當關注出廠試驗環(huán)節(jié)，借此查漏補缺，及時發(fā)現(xiàn)故障缺陷，并將相應部件進行更換處理。下文就是以220kV等級的變壓器為例，進行相關的內(nèi)部故障分析。

1 變壓器故障類型

對于220kV等級的變壓器故障研究，應當是保障設計、生產(chǎn)、試驗及使用質量的前提，通常是選擇建設相應樹狀模型的形式加以研究，把各種故障分出層級。目前比較常見的故障主要有下述幾種。

1.1 鐵芯故障

對于變壓器來說，其能否正常使用和繞組、鐵芯品質有莫大關系，是傳遞與交換能量的重要位置。根據(jù)實踐經(jīng)驗表明，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致的。

1.2 引線故障

變壓器內(nèi)部結構中引線相對脆弱，但是極為關鍵的組件，是內(nèi)外連接的介質，其接頭是焊接制造。在引線外側進行絕緣包扎處理，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量都可能影響引線狀態(tài)。在出廠試驗中如果發(fā)現(xiàn)引線故障，應當考慮短路、斷路與接觸方面的原因。其中，引線短路是致命的，假設沒有通過出廠試驗及時排除故障，就會在產(chǎn)品后期使用中演變成繞組短路，造成質量事故進一步加劇中，后果可能是災難性的，更有甚者會直接造成變壓器停運。

1.3 分接開關

變壓器上的分接開關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，導致接觸不良。如果發(fā)生此種故障，容易發(fā)生局部高溫，進一步損害接觸面的完整性。而在分接開關位置，可能會出現(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存在。假設故障沒有處理，會加劇絕緣損傷的程度，由此導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)部繞組和油箱外側連接的引線，套管是其較為重要的保護部件，極易被外界條件干擾，比如，污染、自然降雨等，導致瓷釉開裂、絕緣老化等后果，是變壓器內(nèi)部結構中出現(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。該種內(nèi)部故障的危害性大，誘發(fā)原因較多，如本身結構與絕緣異常等。其中短路、擊穿是出現(xiàn)概率相對大的故障，威脅程度也更大，會波及絕緣層與引線、鐵芯等。

2 220kV變壓器的故障原因

結合實踐經(jīng)驗與有關主題的文獻資料，對于變壓器可能發(fā)生停運的情況，出廠試驗人員應當重點從經(jīng)常出現(xiàn)故障部件入手，比如，線圈、中性點設備、油枕、冷卻系統(tǒng)、鐵芯與套管等。結合2010～2020年的統(tǒng)計220kV等級的變壓器缺陷數(shù)據(jù)顯示，此類設備運轉中，多次出現(xiàn)故障問題的位置一般集中在套管與分接開關、儲油柜、冷卻器上。按照引發(fā)故障類型的危險性，變壓器產(chǎn)品能否順利出廠以及平穩(wěn)運行，大多數(shù)是由鐵芯與繞組決定的。

3 220kV變壓器內(nèi)部故障出廠試驗與處理

3.1 沖擊試驗擊穿

3.1.1 試驗介紹

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

3.1.2 吊罩分析

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

表1 本體油色譜試驗結果

在細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)，在拆解圍屏做進一步檢查，中壓線圈位置的圍屏出現(xiàn)向線圈內(nèi)側爬電的情況，中壓線圈對應圍屏的首層出現(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。技術員繼續(xù)拆解中，也在局部線圈上出現(xiàn)放電點，和首層爬電表現(xiàn)的終點相對應。根據(jù)以上試驗與檢查結果能夠確定，該次沖擊異常放電的故障，鐵芯是起始點，順著線圈與圍屏爬電。

3.1.3 分析結果

主要放電路徑是由鐵芯到中壓繞組，而且高壓繞組對應端圈下方，也有樹狀放電痕跡。出現(xiàn)此種內(nèi)部故障現(xiàn)象的主要原因應當為：變壓器閃絡是電場強度決定，在輸送電壓與閃絡電壓相同的情況下，放電通常是由陽極逐漸向陰極推進。繞組連通負極性電壓，而接地鐵芯可看成陽極，因為半導體層形成褶皺，局部電場相對偏高，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狀態(tài)，因此，在流注“成長”中，通道路徑中會產(chǎn)生電壓降，令相應端部場強減弱。假設場強在電離臨界場強下，流注不會繼續(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，如果場強達到一定程度，流注便會保持發(fā)展狀態(tài)，最后造成貫穿故障。

根據(jù)試驗現(xiàn)象與檢查情況分析可知，高壓在實施出廠沖擊試驗中，低壓與中壓均會出現(xiàn)感應電勢。在鐵芯外圍區(qū)域的半導體帶形成褶皺后，再加上場強的影響就會引起放電，而放電留下樹狀的痕跡，能有效說明放電的運行軌道。因為三個線圈在進行沖擊試驗中都通過電壓，而放電一般更傾向于場強相對更大的部分，絕緣性能相對偏差的位置出現(xiàn)擊穿放電。在導線放電點位于終壓外角環(huán)的邊緣區(qū)域，保護效力比較弱，令其成為絕緣體系中的薄弱點，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。由此能夠確認的是，由鐵芯向中壓線圈導線發(fā)生放電，就是出廠試驗中內(nèi)部故障的分析結果。究其根本，半導體帶的處理出現(xiàn)問題，包扎不緊實，導致場強出現(xiàn)畸變，引發(fā)放電故障。

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

3.2 局部放電試驗

3.2.1 試驗介紹

某個200kV變壓器根據(jù)技術協(xié)議標準，組織局部放電的試驗活動，在試驗電壓達到一定標準后，局部放電量的保證值分別要達到：高壓與高壓均不能超過100pC。

某月15日在溫升試驗完成后，等到有溫度下降至環(huán)境溫度，才能開展局部放電測試，所得結果和之前的試驗相同。技術員利用測試確認局部放電的起始位置處于高壓首端，基于此進一步查看套管部件，把相應油枕頂端螺栓擰開的同時，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行靜置處理。

在同月17日，針對B相與C相實施測試，根據(jù)常規(guī)局部放電分析的回路與加壓流程，適當延長測試的時間，測得結果顯示這兩相的局部放電量都未達到100pC，即兩相都達標。對變壓裝置上下部進行抽油化驗，和此產(chǎn)品前期油化試驗的數(shù)據(jù)對比，結果也無問題。試驗完成后，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分鐘的時間，就上升至4400pC。此時，把試驗電壓下調至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，僅有高壓側箱壁與蓋子位置未獲取信號。

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

3.2.2 試驗結果

出廠試驗中，變壓器局部放電故障明顯，在試驗不斷增多中，局部放電量總體呈現(xiàn)上升的趨勢，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接地體物理距離等和該項內(nèi)部故障現(xiàn)象沒有聯(lián)系。最終斷定，此變壓器出現(xiàn)局部放電故障應當位于線圈主絕緣。以超聲定位情況來講，此變壓器異常放電的位置應當是A相線圈上端。考慮到該放電量的故障比較明顯，同時局部放電測試中，油內(nèi)出現(xiàn)C2H2，應當選擇解體或是吊罩檢查。

3.2.3 解體檢查

結合數(shù)次局部放電測試以及超聲定位，最終選擇解體檢查的方法。技術員通過吊罩檢查沒有找到明顯問題，把A相的線圈外側圍板拆掉，查看相應圍板與撐條，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，通過細致觀察同樣未在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)放電表現(xiàn)。技術員繼續(xù)拆掉上鐵軛以及上部絕緣，查看相應低壓側的情況，而在高壓與調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，調壓靜電環(huán)同樣發(fā)現(xiàn)放電跡象。待拆掉調壓線圈，查看其內(nèi)部的情況，也沒有放電的表現(xiàn)。把B相和C相對應調壓線圈中靜電環(huán)與角環(huán)拆掉，同樣未留下放電的情況。根據(jù)試驗檢測與解體檢查的結果，將三相的靜電環(huán)內(nèi)包扎帶全部更換。同時，把A相調壓線的全部角環(huán)與外側圍板均換新。根據(jù)變壓器的訂單技術標準，重新進行出廠試驗。

4 結語

總之，變壓器故障的誘發(fā)原因較多，實踐處理效果還需繼續(xù)提升。在對其內(nèi)部故障進行探究中，制造商環(huán)節(jié)有著較大的基礎性作用，其通過加強對變壓器生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的管控，嚴密把握加工原料、工藝程序，并配以出廠試驗檢查、處理，保障所有流入市場產(chǎn)品均有較好的運行性能，擁有長期穩(wěn)定工作的基礎。另外，正式投運以前，相關技術員需要再度檢查設備，確認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后才能投運。