工廠變電站主變壓器維護措施探討與分析

張 偉

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

工廠變電站主變壓器維護措施探討與分析

張 偉

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

電力主變壓器是電力配送網絡中的關鍵設備，也是導致電力系統事故最多的設備之一，變電站主變壓器的運行狀態直接影響供電安全水平。日常運行中為了降低主變壓器對供電系統的影響，應當對主變壓器采取系統的維護措施。通過對貴冶1#變電站3#主變壓器內部故障的分析，找出故障發生的原因，并形成有針對性的維護措施，確保了主變壓器的穩定運行。

主變壓器；故障分析；絕緣下降；絕緣紙強度；預防措施；保養措施

1 引言

電力變壓器是變電站的核心設備，也是工廠供電的“心臟”，在工廠供電中有著至關重要的作用。而變壓器絕緣的下降對電力變壓器的壽命又起著決定性的作用，絕緣強度的下降甚至會引起運行中電力變壓器的癱瘓。某工廠目前擁有8臺110kV電力變壓器，擔負著全廠所有設備的用電需求。其中， 1#變電站擁有2臺容量為50000kVA電力變壓器和2臺容量為31500kVA的電力變壓器，總容量163000kVA，擔負工廠一系統的安全供電；而2#變電站擁有4臺容量為40000kVA的電力變壓器，總容量為160000kVA，擔負著工廠二系統的安全供電。某日，1#變電站的3#主變發生了故障。

2 故障經過及分析

3#主變運行中突發故障，差動保護動作，高低側開關跳閘，2s后，3#主變本體重瓦斯保護動作，再過6s后，3#主變本體輕瓦斯報警。對3#主變做好安全措施后，檢修人員對其進行了檢查，發現本體瓦斯繼電器內部液面下降，有大量氣體存在。隨后檢修人員妥善收集了3#主變瓦斯繼電器內部的氣體并對3#主變本體做了常規電氣試驗，對比各項試驗結果均正常，變壓器油耐壓試驗也正常。

2.1 保護裝置分析

3#主變差動保護跳閘，并伴隨重瓦斯保護動作，基本可以判斷主變內部有放電故障，從保護裝置數據（保護裝置數據見表1）分析，高壓側A相電流達927A，是正常電流的4～5倍，基本判斷可能為A相匝間短路。

表1 差動和高后備保護裝置動作數值

從保護動作順序分析，先差動保護動作、再重瓦斯保護動作、最后才輕瓦斯報警，說明這個故障是內部絕緣瞬間被擊穿所發生的。

2.2 3#主變運行及檢修情況分析

1#變電站的3#主變是保定某變壓器廠生產的，容量50000kVA，110kV變6kV，1997年12月份投運至今，運行情況良好，從未因主變內部故障而跳閘，近兩年來，3#主變所帶負荷均未超35000kVA，負載率不超過70%，均在主變運行規程之內。

調取3#主變近段時間的運行數據（電流、電壓、功率、油溫等），均未發現異常，同時查看了班組設備點檢記錄，各項參數正常。檢修正常。

通過查看檢修記錄我們可以發現，3#主變從投入運行至今，每兩年都進行過至少一次常規檢修和試驗，并在2003年、2009年和2011年各進行過一次吊罩大修。均未發現任何與本次故障有關問題（2009年吊罩大修發現有載調壓開關觸頭輕微碳化，遂與2011年吊罩更換）。由此得出判斷：從變壓器投運至今，變壓器各項外部和電氣參數正常，未發現重大隱患或故障。

2.3 變壓器內部絕緣分析

電力變壓器內部的絕緣由變壓器油、纏繞在繞組上的絕緣紙、絕緣膠木、絕緣墊層、絕緣緊固夾件、鐵芯硅鋼片之間的絕緣涂層等共同構成。絕緣紙包裹纏繞在各繞組以及引出線的相間與匝間（如圖1所示）與變壓器內部的其他絕緣構件和繞組共同浸在絕緣的變壓器油中，這樣不僅提高了變壓器內部的絕緣水平，在變壓器運行時，內部變壓器油的流動也為變壓器內部的散熱起到了重要的作用。變壓器的內部故障尤其是短路故障主要是由于變壓器內部絕緣材料的耐壓水平下降引起的。

圖1 繞組端部包裹著的絕緣紙

我們進一步對3#主變變壓器油及瓦斯繼電器中的氣體做了氣相色譜分析［1］，發現各項指標超標較多（化驗報告如表2所示）。

表2 3#主變故障后的變壓器油色譜分析報告（左）和瓦斯繼電器內氣體色譜分析報告（右）

根據三比值分析法［2］得出的結論為3#主變內部發生了低能放電或電弧放電故障。

接下來對3#主變吊罩解體檢查后，確定是A相調壓線圈匝間短路，并有明顯的放電點，同時因電動力作用A相調壓線圈上下部均有扭曲變形的現象。如圖2所示。

圖2 圈內所示為絕緣故障擊穿放電點和繞組扭曲變形

根據3#主變運行及檢修狀況、保護動作情況、試驗數據以及吊罩檢查等綜合分析：引起3#主變差動保護跳閘的直接原因是A相調壓線圈匝間短路。通過數據分析，我們試圖還原故障發生的機理和保護裝置動作的大概情況：

首先，變壓器內部絕緣下降到臨界值后由于某種原因，內部絕緣被擊穿，變壓器內部產生瞬間的放電現象和電氣機械沖擊，繞組受到瞬間的機械沖擊力而發生扭曲變形，變壓器內部的絕緣油受到電弧放電而分解并產生大量的氣體，差動保護第一時間檢測到電氣量的故障，因此首先動作。同時因為電弧放電產生大量的熱量導致內部的變壓器油急速膨脹，變壓器內部壓力劇增。重瓦斯繼電器感應到油流達到設定值后隨即動作。之后由于重力和浮力等因素，內部產生的氣體聚集在瓦斯繼電器內，導致瓦斯繼電器內部油面下降，這時輕瓦斯動作。通過吊罩解體檢查，我們發現其實繞組受到沖擊后只是變形和扭曲，并沒有直接熔融在一起，因此當兩側開關斷開后，隨著油流的變化，繞組間的絕緣得到部分恢復，因此我們事后對3#主變所做的各項常規電氣試驗都顯示正常也就不奇怪了。

3 變壓器絕緣下降的原因分析和檢查方法

變壓器絕緣耐壓水平降低的主要因素是內部絕緣紙的耐壓水平下降［3］。從形成原因來看絕緣紙耐壓水平下降的原因有三種，一是溫度因素導致絕緣紙分解加速形成的耐壓水平下降；二是機械力的沖擊導致絕緣紙的纖維度破壞進而產生裂痕或氣隙形成的絕緣耐壓水平下降；三是水分包括變壓器油中的水分被絕緣紙吸收促進了絕緣紙的分解加速了絕緣水平下降。

當然，絕緣紙的絕緣下降并不是以上單個因素的作用而引起的，在變壓器的運行過程中，絕緣紙往往受到多個因素的綜合作用。比如：絕緣紙長期受熱發生緩慢的裂解反應，失去了部分機械性能，而在機械應力和電氣沖擊震動的作用下，絕緣紙開裂或產生氣隙，甚至由于電氣沖擊作用，整個繞組發生位置偏移導致絕緣間距縮小等最終引起絕緣下降，縮短變壓器的使用壽命，嚴重甚至直接導致變壓器的報廢。

3.1 定期對變壓器油進行氣相色譜分析

變壓器油的氣相色譜分析也是監控變壓器絕緣下降的一種有效手段。對發現變壓器內部的某些潛伏性故障及其發展程度的早期診斷非常靈敏而有效。定期對運行中的變壓器油進行氣相色譜分析并做好相關記錄，形成資料文件并依此對變壓器內部絕緣下降的劣化程度及時做出判斷。

變壓器在正常運行狀態下，由于油和固體絕緣會逐漸老化、變質，并分解出極少量的氣體。當變壓器內部發生過熱性故障、放電性故障或內部絕緣受潮時，這些氣體的含量會逐漸增加。油色譜分析的原理是在特定溫度下，有某一種氣體的產氣率會出現最大值；隨著溫度的升高，產氣率最大的氣體依次為CH4、C2H6、C2H4、C2H2。由此根據不同氣體產氣率的升高，我們即可判斷變壓器運行中的內部狀況。對應這些故障所增加含量的氣體成分見表3。

表3 不同絕緣故障氣體成分的變化

根據色譜分析進行變壓器內部故障診斷時，應包括：

（1）分析氣體產生的原因及變化。

（2）判斷有無故障及故障類型。如過熱、電弧放電、火花放電和局部放電等。

（3）判斷故障的狀況。如熱點溫度、故障回路嚴重程度及發展趨勢等。

（4）提出相應的處理措施。如能否繼續進行，以及運行期間的技術安全措施和監視手段，或是否需要吊心檢修等。若需加強監視，則應縮短下次試驗的周期。

這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升至絕緣油表面，并進入氣體繼電器。經驗表明，油中氣體的各種成分含量的多少和故障的性質及程度直接有關。因此在設備運行過程中，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量，并及時做出分析對了解變壓器的內部運行情況和內部絕緣下降有著顯著的成效。

The waiter did not understand. “What do you mean?” he asked.

3.2 測定絕緣紙抗張強度和聚合度

測定絕緣紙的抗張強度和聚合度是估算其絕緣老化程度最直接的方法。絕緣紙在各溫度下分別老化14天的絕緣強度如表4所示。而在153℃下分別老化3、7、14和21天，結果如表5所示。

表4 絕緣紙在不同溫度下老化14天后抗拉強度對比

表5 絕緣紙在不同溫度下老化14天后抗拉強度對比

絕緣紙的抗張強度隨溫度的升高和時間的延長而降低， 通過測定絕緣紙的抗張強度可估算它的老化程度。絕緣紙中飽和纖維分子的數目就是絕緣紙的聚合度。測量聚合度也是確定變壓器老化程度的一種方法。但是這兩種方法的取樣需要將主變停電吊芯，并且變壓器內部絕緣紙都在關鍵部位，取樣難度非常大，并且要有原始測試資料進行對比，在我們平常的維護中很難實現。

3.3 測定變壓器油的糠醛濃度反應變壓器的絕緣下降。

在變壓器運行過程中， 絕緣紙纖維素降解除了產生CO和CO2外， 還產生具有呋喃結構的物質［4］，主要有糠醛、5-羥甲基-2-糠醛、5-甲基-2-糠醛、2-乙酰基呋喃、糠酸和糠醇6種，如圖 3 所示。因此利用高效色譜測定絕緣油中的糠醛濃度來判斷絕緣紙的絕緣老化程度是一種最普遍也最可行的方法。

圖3 絕緣紙中纖維素降解產生的六種糠醛物質

利用測定變壓器油中糠醛含量的方法判斷變壓器使用壽命有很多優點：

（1）取樣方便，不需要停電，用油量少，一般只需要十幾毫升。

（2）變壓器可以照常運行，對供電和運行無影響。

（4）糠醛為高沸點液態物質，不易逸散損失，檢測結果能真實準確反映實際情況。

（5）針對性強，變壓器油的老化不產生糠醛。

（6）測量的重復性和進度都比較高。

因此對變壓器油中的糠醛濃度進行檢測并與之前的檢測數據對比，可以及時了解和掌握變壓器內部紙質絕緣下降程度。在《電力設備預防性試驗規程》中對糠醛含量的檢測做了相應的規范［5］。如表6所列。

表6 變壓器油中糠醛含量指標

4 預防變壓器絕緣老化的維護和保養措施

根據以上分析，為了預防變壓器絕緣的下降，在平常的運行維護中，應做好以下措施：

（1）變電站運行人員應當根據變壓器運行負荷情況和溫升情況，科學合理的分配站內各變壓器的負載［6］，盡可能保持各變壓器負載均勻，不超過容量的80%。同時對各變壓器的高負荷運行和夏季高溫運行制定切實有效的降溫措施，如加裝外接散熱風機等。

（2）運行中應當盡量減少對變壓器的電氣沖擊以降低內部絕緣受到機械應力作用。電氣沖擊一般發生在變壓器所在的供電系統，因此變壓器所在供電系統的安全穩定直接影響變壓器是否受到電氣沖擊。所以在工廠供電或電力系統供電中，要嚴格規范系統用電安全，降低電力系統大電流沖擊對變壓器的影響。

（3）運行管理中密切監視變壓器的負荷情況，在后臺監控系統中設定變壓器過負荷報警和高負荷預警信號，當變壓器高負荷預警信號啟動后，應檢查變壓器散熱風機已正常投入運行。

（4）變壓器少量過負荷超過15min后，宜采取倒閘操作等方式轉移或降低部分負荷。

針對變壓器運行壽命的有關條件，我們總結了一些建議：

（1）定期對變壓器的各種電氣保護裝置進行維護試驗，確保保護裝置的可靠運行。一般以一年為一個周期，根據工廠生產情況可以同步到工廠年修時進行。

（2）從變壓器投運開始，每一年對變壓器油進行耐壓試驗和糠醛濃度檢測（色譜分析），及時掌握變壓器內部絕緣下降的程度；條件允許時可以考慮加裝變壓器油色譜在線監測系統。

（3）嚴密監視，加強電力系統的設備巡檢力度，及時排除影響系統運行的各種安全隱患，保障電力系統安全穩定運行。

（4）變壓器的過負荷直接作用于散熱風機啟動；夏季高溫導致變壓器溫度過高時宜采取在變壓器周圍加裝外接散熱風機等措施加強對變壓器的降溫工作。

（5）吊芯過程中發現繞組有偏移等情況時要盡可能調整糾正，以免進一步偏移導致絕緣紙破裂和絕緣距離下降。吊芯時在條件允許的情況下可對變壓器內部繞組上的絕緣紙進行抗張強度和聚合度的檢測。內部絕緣紙和變壓器油免不了與空氣接觸吸收空氣中的水分等因子。因此吊芯檢查的天氣環境需要嚴格按照規程來執行。并且吊芯完成后要根據變壓器油的情況加強對變壓器油的濾油工作，以圖改善變壓器內部絕緣。

5 結語

電力變壓器內部故障的根本原因是長期運行中的高溫、高負荷以及復雜的運行環境等多因素導致的。在日常工作中，依據對變壓器的溫度、聲音、油位、絕緣測定以及其它現象對電力變壓器故障進行的判定，只能作為變壓器故障的初步判定。因為，變壓器的內部故障不是一種單一的直觀反映，其中涉及諸多復雜因素，甚至有時還會出現信以為真的假象。因此在判斷故障時，必須結合電氣試驗、油質分析、設備檢修、運行狀況等進行全面的綜合分析，對故障的原因、部位、部件或絕緣的損壞程度等做出準確判定，才能制定出合理的維護保養措施。嚴格執行變壓器運行管理規程，對延緩變壓器絕緣壽命下降有著至關重要的作用。

［1］麻亞玲， 董誼春， 騰達. 基于氣相色譜法的變壓器狀態判斷分析［J］.內蒙古電力技術， 2015， 33（4）：27-30.

［2］變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則 GB/T7252-2001.

［3］廖瑞金， 吳偉強， 張福州， 等. 復合胺類化合物對油紙系統中絕緣紙熱老化特性的影響［J］. 高電壓技術， 2015， 41（6）：1 891-1 897.

［4］蔡勝偉， 周翠娟， 陳江波， 等. 電力變壓器用天然酯-紙絕緣熱老化電氣性能研究［J］. 變壓器， 2015， 52（5）：52-56.

［5］電力設備預防性試驗規程 DL/T 596-1996.

［6］梁偉鋒. 變壓器的常見故障處理與維護措施之我見［J］. 江西建材，2014（8）：221-221.

Discussion and Analysis of Main Transformer Maintenance Measures in Transformer Substation

ZHANG Wei
（Guixi Smelter， Jiangxi Copper Corporation， Guixi 335424 Jiangxi， China）

The main transformer is the key equipment in power distribution network， also is one of the equipment which most easily to cause the power system accidents. The operating state of main transformerin substation directly affect the level of power supply security.In order to reduce the influence to the main transformer on the power supply system， the maintenance measures of the main transformer should be taken in the daily operation.Through the analysis of the internal fault of 3# main transformer in 1# substation， the cause of the fault is found out and targeted maintenance measures are formed to ensure the stable operation of the main transformer.

main transformer；fault analysis；insulation decline；insulation paper strength；preventive measures；maintenance measures

TM411.2

B

1009-3842（2016）05-0080-05

2016-03-23

張偉（1984-），男，安徽黃山人，主要從事變電站運行與設備維護工作。E-mail： 276960137@qq.com