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電力變壓器的絕緣事故分析與防范
1.絕緣事故概況
  大型電力變壓器的安全穩(wěn)定運行日益受到各界的關(guān)注，尤其越來越多的大容量變壓器進網(wǎng)運行，一量造成變壓器故障，將影響正常生產(chǎn)和人民的正常生活，而且大型變壓器的停運和修復(fù)將帶來很大的經(jīng)濟損失，在這種情況下掌握變壓器絕緣受哪些因素影響，會造成變壓器損壞，對變壓器安全穩(wěn)定運行有一定的好處，使變壓器長期在受控狀態(tài)下運行，避免造成變壓器損壞，對變壓器安全可靠運行具有一定現(xiàn)實意義。
1.1變壓器的絕緣事故的分類
變壓器的絕緣事故一般分為以下4類：
1.1.1繞組絕緣事故：指主絕緣、匝絕緣、段間絕緣、引線絕緣以及端絕緣等放電、燒損，引起的絕緣事故。
1.1.2套管絕緣事故。指套管內(nèi)部絕緣放電引起絕緣損壞，甚至瓷套爆炸。還包括套管外絕緣的沿面放電和空氣間隙的擊穿。
1.1.3分接開關(guān)絕緣事故。主要是指由于切換開關(guān)油室內(nèi)油的絕緣強度嚴重下降，在切換分接時不能滅弧，引起有載分接開關(guān)燒毀。另外還有無勵磁分接開關(guān)和有載分接開關(guān)裸露的導(dǎo)體之間放電，引起相間、相對地或級間短路的事故。
1.1.4鐵心絕緣事故。指鐵心的硅鋼片對地絕緣損壞,引起鐵心多點接地。另指鐵心的框架連接點間的絕緣損壞，產(chǎn)生環(huán)流引起局部過熱故障。
上述4類事故中，繞組絕緣事故的危害最大。
1.2變壓器絕緣事故根本原因
為分析變壓器絕緣事故的根本原因，把作用在絕緣上的電場強度，分為作用電場強度（簡稱作用場強）和耐受電場強度（簡稱耐受場強）。作用場又可分為雷電沖擊作用場強，操作沖擊作用場強和工頻作用場強。對這三種類型作用場強不同的絕緣成分有各自的耐受場強。但其共同點是作用場強大于耐受場強，便要出絕緣事故。按作用場強和耐受場強的抗衡關(guān)系可分為3種形勢：
1.2.1作用場強過高。如110kV和220kV降壓變壓器的第三繞組（10kV或35kV繞組）在雷擊時出現(xiàn)作用場強高于變壓器本身的正常耐受場強，引起雷擊損壞的絕緣事故。這種原因的事故每年都有發(fā)生。占總的繞組絕緣事故比率約為百分之幾。
1.2.2作用場強過高加上耐受場強下降。如有的變壓器在操作時絕緣損壞，解體檢查發(fā)現(xiàn)，絕緣有受潮現(xiàn)象。雷電沖擊對油紙絕緣中的水分不如操作沖擊敏感。所以這種原因的事故不多，占總的繞組絕緣事故的比率約為千分之幾。
1.2.3耐受場強下降。如變壓器正常運行中耐受場強下降，在正常工作電壓下突然發(fā)生絕緣事故。這類絕緣事故頻繁出現(xiàn)，占總的繞組絕緣事故的比率已超過90%。
1.3正常運行的變壓器出現(xiàn)絕緣事故的兩種方式
  正常運行的變壓器出現(xiàn)絕緣事故有兩種方式，一種叫突發(fā)式事故。這種事故的特點是：按現(xiàn)行的預(yù)防性規(guī)程進行的預(yù)防性試驗合格，其他在線的監(jiān)測也未發(fā)現(xiàn)事故的預(yù)兆。但在正常運行條件下，變壓器內(nèi)部突發(fā)絕緣擊穿事故，繼電保護動作跳閘。由于故障能量有大有小，或繼電保護動作的時間有快有慢，變壓器損壞的嚴重程度大不相同。
  另一種叫垂危式故障。這種事故的特點是：預(yù)防性試驗的絕緣性能試驗合格，但從油中溶解氣體的色譜分析發(fā)現(xiàn)乙炔（C2H2）。經(jīng)分析確認與在絕緣部分存在放電有關(guān)。于是停電進行測量局部放電量的試驗以下（簡稱局放試驗）。試驗結(jié)果表明放電狀況異常，甚至在試驗中就發(fā)生貫穿性擊穿。實踐表明將局放試驗和其他試驗結(jié)果進行綜合分析，可以作出正確診斷，解體后可以找到絕緣發(fā)生不可逆損壞的故障點。
2.正常運行的變壓器絕緣事故的原因分析
2.1發(fā)生絕緣事故原因分析
2.1.1制造缺陷。絕緣事故的制造缺陷說，又分“尖角毛刺”說、“金屬異物”說，“顆粒含量”說。以及“絕緣缺陷”說等。所有這些說法，集中到一點是對放電機理有共識，即認為先發(fā)生局部放電，然后在正常工作電壓下引起絕緣擊穿事故。早先的老舊變壓器，確實有過上述種種原因引起正常工作電壓下的絕緣事故，而且事實證明，對放電機理的分析是符合實際的。但就大型電力變壓器而言，這類變壓器已運行20多年，有問題早應(yīng)暴露。如果至今尚未暴露，可以證明實際上已不再存在這類缺陷。上世紀80年代起，220kV及以上電壓等級的變壓器都進行了局放試驗。經(jīng)驗表明，局放試驗對發(fā)現(xiàn)上述種種缺陷是特別有效的。因此對于出廠時局放試驗合格的變壓器，尤其是安裝或檢修后還進行過局放試驗的變壓器，不可能再有在正常工作電壓下就足以引起絕緣事故的制造缺陷。這正是局放試驗的魔力所在。
2.1.2絕緣老化。我曾經(jīng)歷幾臺變壓器，由于油道堵塞，匝絕緣局部過熱，引起在正常工作電壓下的匝絕緣事故。實際上這是過熱事故。油中氣體色譜分析（簡稱DGA）對這類事故是能鑒定的。
  我國的大型電力變壓器都是全密封結(jié)構(gòu)，運行年代不長，不少長年輕載。因此一般不存在絕緣老化的問題。如果由于絕緣老化引起絕緣事故，將有明顯的老化象征。對因絕緣事故解體檢修的多臺變壓器，曾針對老化程度進行檢查，都沒有從老化現(xiàn)象中找到事故證據(jù)。絕緣老化現(xiàn)象是具體和明顯的，有證據(jù)才能成立，否則應(yīng)排除其可能性。
2.1.3油流帶電。對于強油循環(huán)的大型電力變壓器，在油泵開動的情況下，測量繞組的電位和泄放電流時。繞組電位高的可達幾千伏，泄放電流大的超過微安級。說明油流和固體絕緣摩擦要產(chǎn)生靜電是必然的，只是量有多少而已。這叫油流起電。但油流起電不等于“油流帶電”。（通常所說的油流帶電，實際指的是油流起電后引起油中放電。以下改稱油流放電）。油流放電時在油中產(chǎn)生間歇性的電火花，局部放電測量儀可以收到信號，甚至耳朵可以聽到聲響。持續(xù)的油流放電將引起油中出現(xiàn)C2H2。此時應(yīng)視為一種故障。需要說明的是由油流帶電發(fā)展到油流放電是有條件的。一方面是要有足夠的電量，另一方面是要形成放電的通道。例如變壓器在工廠的專門試驗中，從未發(fā)現(xiàn)過油流放電，因為內(nèi)部是干凈的。個別變壓器在運行中發(fā)生過油流放電，少開冷卻器或?qū)��?nèi)部清理后就不再放電了。由于油流放電一般發(fā)生在繞組下部，該處電位較低，而且一旦發(fā)生放電，易于發(fā)覺和處理。所以至今雖有多起油流放電的事例，但并沒有引起過絕緣事故。如果認為某次工作電壓下突發(fā)的絕緣事故是油流帶電引起的，可以對事故變壓器（事故后油未流失）或同類型變壓進行試驗驗證。如果事前未發(fā)現(xiàn)油流放電現(xiàn)象，事后又未經(jīng)試驗驗證，就判定事故原因，是缺乏根據(jù)的。
2.1.4廣義受潮。廣義受潮說認為運行中變壓器內(nèi)部的水分是運動的，不停地遷移和集積，在高電場區(qū)域集積一定水分之后，便在正常工作電壓迸發(fā)絕緣事故。
2.2水分對油絕緣的危害性
2.2.1變壓器內(nèi)水分的動態(tài)特性。變壓器內(nèi)部的水分有兩種存在狀態(tài)，一種是受束縛的，一種是自由的。溶解于油中的水分可以隨油流動而運動，稱之為自由水。物理性吸附于固體絕緣和金屬表面的水分，可以承隨溶解到油中成為自由水，稱之為準自由水。紙絕緣中準自由水含量以%計，而油中自由水以PPM計。準自由水的含量比自由水要大。例如，設(shè)紙絕緣與油的比例為1比10，當紙絕緣中準自由水為0.5%，油中自由水為10mg/L，準自由水比自由水就要多50倍。
  油中自由水的含量隨溫度的升高而增加，紙中準自由水的含量則隨溫度的升高而下降。變壓器在運行中紙絕緣和油中的水分不停地在進行交換。
  變壓器在運行中油在不停地循環(huán)，變壓器內(nèi)的電場和溫度場是不均勻的。在高電場處和低溫處容易集積水分。因此隨著變壓器運行時間的延伸，水分在絕緣上的分布越來越不均勻，以致形成水分的局部集積。
  水分局部集積的程度首先與含水量有關(guān)，對于既定的含水量，則取決于水分的吸引力和擴散力的較量。溫度對水分的集積有驅(qū)散作用，而電場強度、紙纖維的極性對水分有顯著的吸引力。所以，對于自由水和準自由水含量高的變壓器，水分可能在高電場區(qū)域局部集積到足以引起絕緣事故的程度。
2.2.2關(guān)于受潮的形態(tài)與放電的發(fā)展過程。通常在見到侵入變壓器內(nèi)部的水分才認為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮的要領(lǐng)出發(fā)，變壓器實際受潮形態(tài)，可分為兩類：
①顯性受潮：顯性受潮是指通常所說的“變壓器受潮”。即看到油箱底部或器身上有積水，并且發(fā)現(xiàn)水分入侵的原因或途徑。
  顯性受潮進入變壓器的水量一般都比較多，如果直接沉淀在油箱底部，暫時對絕緣并無危害；但當水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡透，則必然導(dǎo)致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機理屬于熱擊穿，即在局部絕緣中流過傳導(dǎo)電流，焦爾熱使紙絕緣炭化后發(fā)展成貫穿性放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導(dǎo)體可能發(fā)生熔化。這種事故的典型事例屢見不鮮，在分析變壓器的絕緣事故時很容易取得共識。這是一種“低級的受潮事故”，現(xiàn)在已經(jīng)越來越少。
②隱性受潮：“隱性受潮”是指事故前并未發(fā)生水分入侵，只是原有水分悄悄地在絕緣上局部集積。水分集積到足以產(chǎn)生局部放電時，先開始局部放電。局部放電產(chǎn)生氣體，使放電進一步發(fā)展。但氣體的產(chǎn)生和擴散是一個動態(tài)過程。當產(chǎn)氣量大于擴散量，局部放電持續(xù)進行，很快發(fā)展成貫穿性擊穿。如果產(chǎn)氣量小于擴散量，則局部放電暫時停歇，待水分再次集聚，或選擇其他途徑再次發(fā)生局部放電。其間歇的時間因放電部位的狀況不同而差別很大，有的甚至可以停歇幾年。沿紙板的枝狀放電是這種放電形態(tài)的典型。對于局部放電發(fā)展空間有限的場合，例如匝間絕緣下部與墊塊間的油角中集積水分，一旦發(fā)生局部放電，很快導(dǎo)致匝絕緣或段間（餅間）絕緣擊穿，形成突發(fā)性絕緣事故。前者使用適當?shù)木�檢測技術(shù)，有可能發(fā)覺和防御突發(fā)事故。但對于后者，必須采取積極的防御措施，防止自由水的局部集積。
3.防范措施
  防止變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故，一是要限止自由水和準自由水的含量，二是限止自由水的局部集積。從制造、安裝、檢修和運行4個環(huán)節(jié)都應(yīng)采取相應(yīng)措施。
3.1制造措施
  設(shè)計變壓器的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，力求工作場強均勻分布，而且盡可能的低。例如，匝間工作場強不宜大于2kV/mm。
變壓器真空干燥（最好采用煤油氣相干燥）后，固體絕緣中的含水量應(yīng)小于0.5%，亦即達到基本上不含自由水的程度。
  嚴格進行真空涇油。注油時變壓器內(nèi)可能與油接觸的任何部分吸附的水分都應(yīng)被清除。注入油的含水量必須小于10mg/L。請注意10mg/L意味著每m3油帶進10g自由水。
3.2安裝措施
  變壓器在安裝過程中，不可能不接觸大氣，因此絕緣體和金屬表面都會吸附大氣中的水分，為了使變壓器內(nèi)部的水分恢復(fù)到出廠時的水平，變壓器安裝后必須嚴格進行真空干燥和真空注油。要點如下：
·用于抽真空的真空系統(tǒng)（包括真空泵、管道、閥門和表計）的極限真空度必須小于10Pa。
·所有將與油接觸的絕緣體和金屬表面（包括片式散熱器）或其他固體表面（例如下瓷套）均要在抽真空的范圍之內(nèi)。
·在抽真空的過程中，應(yīng)隨時檢查和處理滲漏。當真空度達到實際可能的最高水平（對對最高水平的最低要求不應(yīng)小于133Pa）后，必須在真空泵繼續(xù)運行的條件下保持此真空度。（簡稱動態(tài)保持）
·真空的動態(tài)保持時間應(yīng)不少于水分滲入時間。滲入時間是指開始與大氣接觸到與大氣隔絕的全過程時間。這過程包括打開封板，進行排油或排氮氣（或干燥空氣）時直接進入大氣的時間，還包括在油箱內(nèi)封存大氣的時間。
器身在大氣中暴露后，不用抽真空的辦法清除表面吸附水分，而就注油或打入氮氣（或干燥空氣），不僅不能起到清除水分的作用，而且是將表面水分往深層趕，為常溫下進行真空脫水增加了困難。
在動態(tài)保持真空度的條件下，用真空濾油機注入合格的油。油中含水量應(yīng)小于10mg/L。如果注入油的含水量較高，利用熱油循環(huán)的辦法來降低油中水分，其結(jié)果是大部分的水分被紙絕吸收，增加了紙絕緣的含水量。
3.3檢修措施
  當發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)的水分比剛投運時有明顯增多時，應(yīng)看作特別重要的狀態(tài)指標，必須作為狀態(tài)檢修的主要目的。檢修時用真空干燥和真空注油的辦法來清除水分，其要點與安裝時的相同。但由于新變壓器只是表面吸附水分，而運行中變壓器的水分可能滲透到深層。因此真空的動態(tài)保持時間應(yīng)不少于水分的滲出時間。水分滲出時間是指絕緣深層的水分滲透到表面所需的時間。由于變壓器運作年代越久，不僅水分的含量越多，而且向內(nèi)滲透越深，因此水分滲透出時間也就越長。具體到某一臺變壓器水分的滲出時間為多長，事先是不好確定的。只能一是依靠真空干燥過程中真空度的變化過程來判斷，二是依靠真空注油后的絕緣性能試驗結(jié)果來分析。例如，真空度遲遲達不到極限值，說明水分在緩慢滲出。又如真空注油后的繞組絕緣電阻和bgδ還不如檢修以前，說明真空干燥的時間未超過水分的滲出時間，需要重新真空干燥和真空注油。
3.4運行維護措施
  運行中的變壓器（包括電容型油紙絕緣套管）應(yīng)保持嚴密的封閉，避免大氣中的水分和氣體滲透入內(nèi)。不論是油—氣滲漏或氣—氣滲漏，都有一個互相滲透的過程。應(yīng)把滲漏問題看作是影響絕緣安全性的重要因素。