關(guān)于電力變壓器的故障因素與風(fēng)險分析

【摘要】電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在電力輸送系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的作用，它是電網(wǎng)中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，因此其運行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的安全與可靠性。在實際的輸電網(wǎng)建設(shè)過程中，既要選擇使用質(zhì)量可靠、技術(shù)過關(guān)的變壓器，還要隨時監(jiān)控與評估電力變壓器的運行狀態(tài)，以便能及時發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行維護檢修，確保電力變壓器的穩(wěn)定運行。本文系統(tǒng)的分析了電力變壓器的危險性，包括人身傷害和設(shè)備故障等，并運用了魚骨圖分析法詳細(xì)分析了油浸式電力變壓器的火災(zāi)爆炸危險性，為變壓器的風(fēng)險管理和控制提供參考。

【關(guān)鍵詞】電力變壓器；事故隱患；風(fēng)險

1.引言

電力輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)化、安全化運行以及經(jīng)濟效益都取決于變壓器的可靠性、穩(wěn)定性地運行，在工業(yè)生產(chǎn)、民用生活中，若電力變壓器出現(xiàn)事故，將直接危及正常的生產(chǎn)及民用生活，嚴(yán)重者可能引發(fā)重大安全事故或使供電企業(yè)蒙受重大經(jīng)濟損失。另一方面，在變壓器的運行過程中，或在變壓器養(yǎng)護、檢修環(huán)節(jié)可能發(fā)生人身傷亡事故，因此，系統(tǒng)的辨識與分析變壓器的危險性，對安全生產(chǎn)具有重要意義。

2.電力變壓器風(fēng)險分析

2.1 觸電危害

電力變壓器電壓等級較高，目前普遍采用的高壓變壓器電壓等級一般為66kV、110kV、220kV、550kV等，如此高的電壓，工作人員在運行及檢修過程中可能發(fā)生觸電危險，比如運行檢修過程中違章作業(yè)，未按規(guī)定辦理工作票或操作票或未按工作票或操作票進(jìn)行操作，未按規(guī)定進(jìn)行接地便開始工作等。

2.2 火災(zāi)爆炸

變壓器是基于電磁感應(yīng)原理，將交流電能轉(zhuǎn)化為各種電流、電壓參數(shù)的另一種電能設(shè)備。變壓器采用有機可燃物質(zhì)（如木材、布、紙和棉紗等）制作支架與絕緣襯墊，并涂有大量絕緣油。用料比例根據(jù)變壓器工作能力而定，比如1000千瓦的變壓器需要1t的絕緣油、40kg的紙料和0.012m3的木材。當(dāng)變壓器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，或內(nèi)部短路，在高溫或電弧的影響下，其內(nèi)部的有機可燃物會分解燃燒，產(chǎn)生大量煙氣，致使變壓器因內(nèi)部壓力快速增大使外殼爆裂，噴出的絕緣油助長了火勢，導(dǎo)致大面積停電事故，給日常生產(chǎn)和生活帶來了諸多不便。采用魚骨圖對運行中的變壓器發(fā)生火災(zāi)和爆炸的原因進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 油浸電力變壓器火災(zāi)爆炸魚骨分析圖

2.2.1 絕緣損壞

①線圈絕緣老化。變壓器長期超負(fù)荷運轉(zhuǎn)會使線圈發(fā)熱，加速絕緣老化，導(dǎo)致內(nèi)部短路（主要是相間短路、匝間短路、對地短路），進(jìn)而使變壓器外殼爆裂，引發(fā)大面積停電事故。②油質(zhì)不佳，油量過少。絕緣油在儲運或運行維護時，因儲運或維護措施做得不到位，使油中混入雜質(zhì)或水分，影響了油的絕緣性能。如果油體絕緣性能下降至一定范圍，就會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部短路。③鐵芯絕緣老化損壞。硅鋼片之間的絕緣材料因使用時間過長而逐漸老化，或夾緊鐵芯的螺栓套管損壞，鐵芯產(chǎn)生很大的渦流使線圈發(fā)熱，使變壓器內(nèi)部溫度急劇升高，進(jìn)而加速絕緣材料的老化程度。④檢修不當(dāng)，破壞絕緣。檢修吊芯的過程中，因操作不當(dāng)，損壞了線圈的瓷套管和絕緣體。在這種情況下如果變壓器繼續(xù)運行，輕則閃絡(luò)，重則短路。

2.2.2 導(dǎo)線接觸不良

線圈內(nèi)部的接頭、線圈之間的連接點和引至高、低的瓷套管的接點及分接開關(guān)上各接點接觸不良，就會導(dǎo)致局部發(fā)熱，加速絕緣老化，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)斷路或短路現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的高溫電弧會快速分解絕緣油，使其失去絕緣功能，隨之產(chǎn)生的大量煙氣會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部壓力劇增，當(dāng)壓力升高到上限值后便會使變壓器外殼突然爆裂，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。據(jù)調(diào)查，導(dǎo)線接觸不良主要包括三種情況：一分接開關(guān)接點損壞，二螺栓松脫，三焊接質(zhì)量差。

2.2.3 接地不良

接地的油浸電力變壓器當(dāng)三相負(fù)載失衡時，零線就會通電流。如果零線電流和接地點接觸電阻都比較大，就會急劇抬高接地點的溫度，當(dāng)溫升超上限制就會造成有機可燃物燃燒。

2.2.4 過電壓、過電流

油浸電力變壓器主要通過架空線通電流，如遇雷雨天氣，線路被雷擊中后產(chǎn)生過電壓的侵襲，輕則變壓器的絕緣材料被擊穿，重則導(dǎo)致變壓器直接被燒毀引發(fā)火災(zāi)。鑒于此，變壓器管理人員應(yīng)該事先采取防雷措施。另外變壓器在操作過電壓及諧振過電壓下也可能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故。

當(dāng)變壓器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)致使內(nèi)部短路，強大的短路電流通過變壓器，如果保護系統(tǒng)失靈或整定值過大，變壓器就可能被燒毀。此類事故屬于變壓器運轉(zhuǎn)中的常見故障之一。基于供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，管理部門應(yīng)該為變壓器安裝短路保護。

2.2.5 外部火源

變壓器在外部火源，如檢修時的電、氣焊火花，變壓器周圍設(shè)備及建構(gòu)筑火災(zāi)波及變壓器等，均可能導(dǎo)致變壓器火災(zāi)爆炸事故。

2.3 電磁輻射

電力變壓器運行過程中，會產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射一旦超標(biāo)，就會對周圍環(huán)境造成電磁輻射污染，會嚴(yán)重影響人體機能，如導(dǎo)致人體植物神經(jīng)功能紊亂，血壓、血相失調(diào)，嚴(yán)重時還會損傷人眼。變壓器所產(chǎn)生的磁輻射，在空氣中的衰減率非常大，與微波爐運行時放射出的輻射量相差無幾；國際上規(guī)定變壓器距離居民樓應(yīng)有0.9米的距離，而供電局在安裝時，保證變壓器距離居民樓2米以上。

2.4 噪聲危害

變壓器運行時會產(chǎn)生中低頻噪聲污染，如電磁噪聲以及通過冷卻風(fēng)機、通風(fēng)風(fēng)機形成的空氣動力噪聲。國產(chǎn)變壓器的噪聲值通常設(shè)定為60～75分貝，室內(nèi)變電站對變壓器性能指標(biāo)要求較為嚴(yán)格，變壓器噪聲值通常設(shè)定在65分貝以內(nèi)。

2.5 其它危害

電力變壓器故障造成設(shè)備損壞或停運。電力變壓器在運行過程中通常發(fā)生的故障包括：密封不良、絕緣故障、分接開關(guān)故障、繞組故障、引線故障、套管故障或鐵芯故障等。這些故障若不能及時被排除，將導(dǎo)致設(shè)備損壞或停運，甚至導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸事故。

3.電力變壓器故障及原因分析

3.1 繞組故障

①假設(shè)線圈上銅導(dǎo)線表面有棱、刺，曲率半徑較小，那么處于工作狀態(tài)的變壓器頻頻受到電磁干擾時，尤其是當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路，或電磁干擾合閘操作過程，使導(dǎo)線上產(chǎn)生的毛刺損壞絕緣，造成線圈匝間短路。②如果變壓器線圈因接頭焊接質(zhì)量差而影響線圈導(dǎo)電質(zhì)量，線圈引出線與套管導(dǎo)電桿連接處存在缺陷，變壓器在工作狀態(tài)下往往因接頭溫度過高而出現(xiàn)局部絕緣劣化的現(xiàn)象；當(dāng)接頭被熔斷，繞組就會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。③如果線圈的絕緣體內(nèi)有水滲入，或未按要求將絕緣體充分干燥，當(dāng)變壓器工作時就容易出現(xiàn)匝間短路的問題。④處于工作狀態(tài)下的變壓器，其外部發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時，電動力與機械力的雙重作用會使變壓器繞組發(fā)生嚴(yán)重的形變。比如繞組匝間短路、鼓包或形變；繞組軸向和徑向尺寸的變動；變壓器位置移動等。就現(xiàn)階段變壓器運行故障來分析，繞組變形無疑是破壞變壓器正常運行裝填的主要故障隱患之一。⑤繞組薄弱處的絕緣在瞬變過程中，如受雷電沖擊、對地弧光放電、沖擊合閘時，可能會破損或被擊穿。⑥變壓器如果長時間負(fù)載運行，內(nèi)部會因溫升過高而加速線圈絕緣老化，使繞組匝間短路；另外，在高溫環(huán)境中，變壓器內(nèi)部的絕緣油加速劣化，致使鐵芯、線圈等構(gòu)件和油箱底部出現(xiàn)油泥沉積，降低了變壓器散熱效率，進(jìn)而加劇變壓器內(nèi)部溫升速率，最終使變壓器內(nèi)部絕緣材料自燃或?qū)е伦儔浩魍鈿け选?/p>

3.2 鐵芯故障

變壓器繞組與鐵芯的作用是傳遞和交換電磁能量。要提高變壓器運行時的穩(wěn)定性，一方面要確保繞組質(zhì)量符合變壓器的使用要求，同時也要嚴(yán)把鐵芯質(zhì)量關(guān)。磁路中的故障就是變壓器的鐵芯、鐵軛及其夾件中發(fā)生的故障。磁路故障是變壓器運行過程中常見故障之一。具體來講，磁路故障大致涵蓋了以下三種情況：①鐵軛夾件之間的絕緣或鐵芯疊片之間的絕緣破損。此時會產(chǎn)生強大的循環(huán)渦流和很多熱量，損壞線圈及鐵芯的絕緣材料，并隨之加劇變壓器的鐵損。②制備變壓器鐵芯時，如果鐵軛或鐵芯疊片邊緣存在明顯的毛刺、鐵芯疊片小幅度彎折或疊片之間夾金屬物，那么變壓器運行時，這些質(zhì)量問題就會使變壓器鐵芯疊片的局部短路，由此形成的渦流會使鐵芯局部溫度驟然上升。③變壓器穩(wěn)定運行時必須保證變壓器鐵芯是一點接地。如果鐵芯多點接地，運行中的變壓器運行時可能出現(xiàn)局部過熱的問題，嚴(yán)重時可能使變壓器跳閘或直接損壞變壓器。

3.3 分接開關(guān)故障

①選擇開關(guān)合不到位、接觸不良，導(dǎo)致接觸過熱、放電燒損或斷軸。②切（下轉(zhuǎn)第27頁）（上接第25頁）換開關(guān)內(nèi)觸點接觸不良，絕緣材料機械強度無法滿足使用需求而破損。③切換開關(guān)油室密封性差導(dǎo)致大小油箱相互聯(lián)通，致使變壓器本體油箱內(nèi)的可燃?xì)怏w含量超標(biāo)導(dǎo)致工作人員作出誤判斷。④操作機構(gòu)內(nèi)低壓控制電器和配套元件制作質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，致使其在使用過程中出現(xiàn)分接開關(guān)拒動、連調(diào)、位置指示失準(zhǔn)等問題。

3.4 引線故障

變壓器內(nèi)部繞組出線與外部接線的中間元件是引線。引線接頭通常是焊接而成，如果焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，在變壓器運行階段就可能導(dǎo)致引線發(fā)生斷路、短路或接觸不良等故障。

3.5 套管故障

套管是變壓器內(nèi)繞組與油箱外聯(lián)結(jié)引線的重要保護裝置。因長期處于風(fēng)雨、污染、電場等惡劣的工作環(huán)境中，套管的瓷釉容易龜裂，絕緣油往往快速老化。因此，該部位也是故障多發(fā)區(qū)。電力變壓器通過套管連接外部的電網(wǎng)和設(shè)備，其故障形式主要表現(xiàn)在八個方面：①未按規(guī)定的步驟安裝，使套管損壞。②套管末屏接地不良或開斷。③套管內(nèi)電容屏絕緣存在缺陷致使套管局部放電。④套管導(dǎo)電桿與將軍帽螺紋型號規(guī)格不符、引線穿纜線焊接質(zhì)量差，致使管體過熱。⑤套管和繞組引線聯(lián)接固定銷脫落引起懸浮放電。⑥套管漏油，缺油后管體過熱。⑦套管密封性差致使其水分侵入，套管受潮。⑧套管磁套表面有油污沉積，造成套管的污閃。

3.6 絕緣故障

絕緣系統(tǒng)中的故障：變壓器和絕緣紙、板以及絕緣件構(gòu)成了變壓器油及絕緣系統(tǒng)。絕緣故障的表現(xiàn)主要有以下幾點：①油道小、絕緣材料薄的變壓器服務(wù)年限短，通常投運一段時間后就會出現(xiàn)故障。②如果變壓器相間絕緣的裕度不夠，就可能引起相間短路。相間短路故障有時可能由于在相間加入絕緣隔板從而打亂了相間電場強度分布，例如引起油間隙和隔板的電場強度過高而導(dǎo)致隔板的樹枝放電等。③變壓器內(nèi)部必須保持清潔，尤其是不能出現(xiàn)金屬雜質(zhì)。即使變壓器線圈表面或器身落有少量金屬雜質(zhì)，也會嚴(yán)重影響爬電距離，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器局部放電、沿面放電等問題，其不良影響的嚴(yán)重性顯而易見。④變壓器油道設(shè)計與油流速設(shè)計與其實際運行條件不符，致使變壓器特別是大型高壓變壓器在運行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的油流帶現(xiàn)象。⑤絕緣成型件，譬如由合成樹脂與絕緣紙壓制而成的絕緣件等，制作過程中受到導(dǎo)電質(zhì)的污染，致使電壓器運行時絕緣件不絕緣反而放電，進(jìn)而引發(fā)絕緣故障。⑥變壓器油箱的密封性差，致使水侵入變壓器內(nèi)部破壞絕緣件的絕緣效果，并且可能引起引線或線圈對油箱或?qū)﹁F芯元件擊穿，此外，線圈匝間絕緣所遭受的破壞作用最大。⑦變壓器絕緣油被污染后絕緣性能下降，進(jìn)而影響變壓器整體絕緣效果。這是當(dāng)前變壓器運行階段常見故障之一。⑧變壓器長期負(fù)載運行，絕緣油加速老化，油溫升高會加速水、油泥、酸等物質(zhì)的生成速率。

3.7 密封不良

變壓器密封不良主要接頭處理不好，如焊接質(zhì)量不良、螺栓亂扣以及法蘭不平等原因造成。其后果是漏油、漏氣，故障時不易發(fā)現(xiàn)，影響范圍大。故障模式有密封圈老化、瓷套脫落或破裂、箱體焊點裂紋、潛油泵處露氣等。

4.小結(jié)

電力變壓器在運輸、安裝、運行及檢修過程中可能發(fā)生人身傷亡或設(shè)備事故。對人身的傷害主要有：觸電危害、火災(zāi)爆炸危害、電磁輻射、噪聲危害等；設(shè)備方面的危害因素主要有：火災(zāi)爆炸以及繞組、鐵芯、分接開關(guān)、引線、套管、絕緣、密封不良等故障。因此，在對電力變壓器進(jìn)行操作、運輸、安裝及檢修過程中應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止這些危害的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]GB1094.1～5-1996電力變壓器[S].

[2]DL/T573-2010電力變壓器檢修導(dǎo)則[S].

[3]DL/T572-2010電力變壓器運行規(guī)程[S].

[4]GB/T10228-2008干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].

[5]中國華電集團公司.火力發(fā)電生產(chǎn)典型作業(yè)潛在風(fēng)險與預(yù)控措施[M].北京：中國電力出版社，2006.

[6]李晛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器安全風(fēng)險分析和評價研究[D].北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[7]張建軍.電力生產(chǎn)危險點分析及預(yù)控措施[M].黑龍江：黑龍江文化音像出版社，2004.