變壓器放電故障分析

摘要：放電故障對變壓器構成一定的威脅，影響變壓器的正常運行。本文通過分析放電故障對變壓器絕緣的影響，重點闡述放電故障的類型與特征，為確保變壓器安全運行提供參考依據。

關鍵詞：變壓器 放電故障

1 放電故障對變壓器的影響

通常情況下，變壓器的絕緣性會受到放電故障的破壞，放電故障破壞變壓器的絕緣性主要表現在以下兩方面：一方面絕緣受到放電質點的直接轟擊，使局部絕緣面積逐步擴大，最終擊穿絕緣；另一方面變壓器在放電過程中，產生大量的熱、臭氧、氧化氮等氣體，這些氣體會腐蝕絕緣材質，導致介質損耗不斷增大，最后出現熱擊穿。

1.1 下列情況下，會造成變壓器內部出現局部放電。①繞組中部油-紙屏障中油道擊穿。②繞組端部油通道擊穿。③緊靠著絕緣導線和電工紙的油間隙擊穿。④線圈間縱絕緣油通道擊穿。⑤絕緣紙圍屏等的樹枝放電。⑥其他固體絕緣的爬電。⑦金屬異物滲入絕緣中放電。

1.2 放電故障的主要形式是絕緣材料電老化。①變壓器的局部放電會破壞絕緣材料中的化學鍵。②在熱效應的作用下，加速了絕緣的化學反應，使得介質的電導和損耗在一定程度上增加，絕緣的老化過程加快。③在水的作用下，放電時產生的臭氧、氮氧化物會生成硝酸、亞硝酸，并與絕緣材料發生化學反應，在一定程度上腐蝕了絕緣體，最終惡化了絕緣能力。④放電時產生的高能輻射在一定程度上使得絕緣材料變得脆化。⑤絕緣體在放電產生的高壓氣體的作用下出現開裂。

1.3 液體浸漬絕緣的電老化。在固體或油內的小氣泡中容易出現局部的放電。然而，在放電過程產生的熱量使油分解，進而產生氣體，產生的氣體又被油吸收一部分，如果放電時產生的氣體比較劇烈，在一定程度上會促使放電。在固體絕緣體上因沉積了放電生成的X-蠟，抑制了散熱，使得放電增強，引發過熱現象，最終影響其絕緣性能。

2 放電故障的類型與特征

2.1 變壓器進行局部的放電情況。①新變壓器投運前進行局部放電試驗，檢查變壓器出廠后，在運輸、安裝過程中是否發生絕緣損傷。②通過局部放電試驗對大修或改造后的變壓器進行測試，確認修理后的絕緣情況。③在運行中對疑似絕緣故障的變壓器進行定性檢查。

2.2 局部放電故障。絕緣體的內部出現氣隙、油膜，以及在導體的邊沿部位，在電壓的作用下容易形成貫穿性的放電，即為局部放電故障。局部放電出現在變壓器的內部，并且在開始時放電能量比較低。情況相對比較復雜，分類標準不同，其放電故障的類別也存在差異。根據絕緣介質進行劃分為：氣泡局部放電和油中局部放電；按照絕緣部位可分為：固體絕緣中空穴、電極尖端、油角間隙等處的局部放電。

2.2.1 局部放電的成因。①在交流電壓的作用下，因氣體介電常數比較小，并且氣體的耐壓強度遠遠低于油和紙絕緣材料，油中的氣泡或者固態的絕緣材料內部的空穴或空腔，要承受較高的場強，在氣隙中出現放電現象。②外界環境引發局部放電。例如油中出現氣泡、雜質和水等，或者外界溫度下降導致油中析出氣泡，造成放電。③絕緣體本身質量存有缺陷。例如因處理不到位，在絕緣體上出現尖角、毛刺、漆瘤等，在較大電場強度的作用下，引發放電。④金屬零部件之間或者導體之間，因接觸不良，導致局部不斷發展，進而形成惡性循環式的放電，最終擊穿，甚至損壞設備。

2.2.2 放電氣體的特征。放電時因放電產生的能量不同，因此放電產生的氣體也不同。例如放電能量密度小于10-9C時，氫氣和甲烷構成放電氣體，其中氫氣約占80%-90%；當放電能量密度介于10-8-10-7C之間時，放電氣體中出現乙炔，其比例不到2%，同時氫氣含量有所下降，這是局部放電與其他放電的區別所在。

2.2.3 隨著科技的不斷發展，變壓器診斷故障也有了長足的發展。人們逐漸意識到，影響變壓器絕緣材料故障的主要因素是局部放電，局部放電是造成事故的根本原因。為了確保變壓器安全平穩地運行，需要對放電故障進行檢查，通常采用電測法、超聲測法以及化學測法對局部放電進行測量。

2.3 火花放電故障。對于火花放電現象的出現，只有滿足一定的條件才能發生，即變壓器放電能量密度超出10-6C。

2.3.1 懸浮電位造成火花放電。在運輸途中，高壓電力系統內部的金屬部件受損或結構不合理，因接觸不良致使系統運行時而斷開，根據自身的阻抗特點，設置在高、低壓電極之間的金屬部件進行分壓，在金屬元件上出現的對地電位構成懸浮電位。存在懸浮電位的物體四周強大的場強通常會燒壞其附近的固體介質，使其逐漸炭化。絕緣油在懸浮電位作用下會不斷分解出大量特征氣體，致使其色譜分析結果超出技術標準。通常在調壓繞組等電位較高的金屬部件上出現變壓器懸浮放電現象，套管均壓球和無載分接開關拔叉等電位懸浮，以及當有載分接開關極性轉換過程中的短暫電位懸浮。硅鋼片磁屏蔽和各種緊固用金屬螺栓等金屬部件處于地電位，放電現象容易發生在接地裝置松脫后的懸浮電位上。另外，在構成懸浮電位火花放電現象中，變壓器高壓套管端部接觸不良也是重要的根源。

2.3.2 油中雜質造成火花放電。除懸浮電位的因素，油中存在雜質也有可能使變壓器出現火花放電的問題。水、纖維質是構成雜質的兩個要素。在介電系數上，水的介電常數ε相當于變壓器的40倍。油中雜質受電場的影響逐漸極化，而后被吸附到最強的電極周圍，與電力線方向同向排列。雜質“小橋”在電極周圍已形成，如果兩極的間距大且雜質少，兩極間僅能形成圖1所示的“小橋”。就導電率與介電常數來分析，兩極之間形成的“小橋”均比變壓器油大。基于電磁場原理分析得知，油中的電場會受“小橋”的影響而發生畸變。油中纖維介電常數較大而使其場強逐漸增大，從這部分油中開始發生和發展放電，在強大電場的影響下，油質逐漸變得游離并分解出氣體，這種游離狀態會因氣體生成量的增加而變得更為明顯，進而持續發展，最終導致氣體通道中出現火花放電現象。由此可見，低電壓環境下也有可能產生火花放電現象。如果兩電極的距離合理單是雜質比較多，那么“小橋”可能聯通兩電極（參見圖2）。由于“小橋”具有良好的導電性能，因此會導致大電流通過“小橋”使其快速發熱，“小橋”內所含的水及其周圍的油在高熱環境下沸騰汽化，形成一架“氣泡橋”（即氣泡通道），最終導致結構出現火花放電現象。一般“小橋”的電導性較小，若纖維干燥不受潮，就不會過度擾動油的火花放電電壓；若纖維受潮，影響就比較大。因此，“小橋”的加熱過程直接關系到雜質能否引起變壓器油發生火花放電。在電壓沖擊的作用下（或者電場不均勻），雜質難以形成“小橋”，其作用僅限于畸變電場，在一定程度上外加電壓會影響其活化放電的過程。

2.3.3 火花放電的影響。通常情況下，火花放電現象主要是導致油色譜分析出現異常、增加局部放電量、輕瓦斯動作等現象，而短時間內絕緣不易被擊穿。因此火花放電現象很容易被發現，而且后續處理較為簡單，電力人員應該多關注其發展程度。

2.4 電弧放電故障。對于電弧放電來說，其放電能量是比較高的，繞組匝層間絕緣被擊穿是比較常見的現象。另外，在電弧放電中還涉及引線斷裂、對地閃絡、分接開關飛弧等故障。

2.4.1 電弧放電的影響。在變壓器電弧放電故障中，電弧放電能量密度比較大，放電氣體產生地比較急劇，常以電子崩的形式對電介質進行沖擊，進而造成絕緣紙穿孔，引發絕緣紙燒焦或炭化；電弧放電對金屬材料的影響是：高溫造成金屬材料變形或熔化，嚴重損傷變壓器，甚至引發爆炸等。通常情況下，電弧放電難以預測，而且發生電弧放電沒有任何明顯的征兆，電弧放電的發生具有突然性。

2.4.2 電弧放電的氣體特征。變壓器受到電弧放電的影響后，H2和C2H2等氣體在氣體繼電器中高達幾千uL/L，導致變壓器油發生炭化。C2H2、H2、C2H6以及CH4等氣體是油中特征氣體的主要成分。當電弧放電造成變壓器故障損傷固體絕緣材料時，CO和CO2等氣體也會出現在特征氣體中。通過對變壓器放電故障進行研究分析可知，變壓器的三種放電形式之間存在著區別與聯系：放電能級以及產生的放電氣體不同這是他們的區別；而局部放電通常發生在另外兩種放電的前面，是他們的前兆，而后者又是前者的延續。當放電造成變壓器內部出現故障時，且多數故障通常是多種類型相互作用的結果，導致變壓器故障處在不斷發展變化的狀態。因此，排除變壓器的故障時，要進行綜合分析，區別對待。

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