變壓器故障分析及診斷方式

文/張瑞紅

電力變壓器作為連接供電系統各裝置的重要環節，其可靠性和持續性是電力生產和傳輸的關鍵。變壓器故障可能發生于跳閘導致的不可見供斷期，因此，良好的維護策略是避免電力系統故障至關重要的環節。本文通過診斷結果和實驗綜述了電力系統故障的潛在原因，并對不同類型的測試分析和監測手段進行研究。大量報告研究表明，套管失效是變壓器擊穿的主要原因之一，也是本文的關注重點。

損壞變壓器套管測試揭示了關于變壓器套管故障的幾個重要事實。套管作為變壓器易損壞部分，約44%的大型變壓器強制停運與套管和繞組有關。而國際大電網會議（CIGRΕ/ Conseil International des Grands Reseaux Εlectriques）數據顯示約 10%的變壓器故障由套管損壞引起。對變壓器故障進行分析，發現套管失效主要表現為套管、儲能電路、有載調壓變壓器(OLTC)、阻繞及鐵心故障。從物理學及電力學角度來看，套管式變壓器的薄弱部分，其初始擊穿過程難以檢測，常引起套管突然失效進而導致變壓器故障。

1 變壓器故障分析

依據變壓器維護流程對電力變壓器進行故障根源分析，電力變壓器故障可分為三種模式：電力故障、機械故障和熱力學故障。這些故障又可進一步分為內部故障（絕緣老化、線圈松動、過熱、受潮、絕緣油污染、局部放電等）及外部故障（系統轉換操作、系統過載、系統錯誤等）。絕大部分變壓器故障可以分為電弧放電、電暈放電、纖維過熱和絕緣油過熱四類，每類錯誤均對應多種成因。以絕緣油污染為例，通常是由于絕緣油降解、過載、熱力學壓力等因素作用于套管導致。

對變壓器和保護繼電器引起的跳閘案例進行分析，結果發現87%的變壓器跳閘現象是電力系統故障導致，這其中10%伴隨著保護繼電器誤操作，其余則是由于變壓器本身的故障。與此同時，我們發現變壓器的跳閘次數隨時間變化。

2 變壓器故障檢測

交流電系統是一個復雜的網絡，絕緣擊穿導致的電力變壓器故障增加了更換及維修成本。2000年初Pukel[3]提出了變壓器運行的三種測試操作，即：常規試驗、型式試驗和用于不同任務的特殊試驗。檢查變壓器狀況的常規診斷方法有化學法，電氣法，熱力學法，光學和機械法。含溶解氣體分析（DGA），擊穿電壓和糠醛分析組成的化學法是當前最流行和最重要的診斷方法。Mirzai等[5]基于Weibull分布統計研究了63/20 kV變壓器的可靠性，由此提出了五種變壓器故障分析方法，包括：定期測試、服務、保護操作、絕緣問題和其他（套管故障，開發，閃電等），這些對改進生產和項目運營至關重要。與此同時，Weibull分布也可用于分析模型的開發，并預測聚合絕緣材料的分解時間。

常采用以下手段研究變壓器故障成因：內部檢查和測試，包括物理測試、絕緣油測試和溶解氣體分析。目前，熱性能和電磁場（ΕMF）是確定電力變壓器故障根源的前沿方法，該方法基于AC / DC模塊和有限元方法（應用麥克斯韋方程和安培定律）實現。建模過程分為五個階段：繪圖（CAD軟件）、設置域和邊界（邊界條件）、網格化、求解和后處理。

電力變壓器預測性維護的早期故障檢測方法主要依據絕緣和局部放電檢查。近年來，經濟的發展促進了故障預測、設備維護技術的進步，預防性測試和故障診斷技術日趨成熟，提高了電力變壓器的可靠性?；谠\斷程序的在線檢測得到廣泛應用。相比離線測量，在線測量可靠性高，迭代-傳輸-分配系統可不間斷運行。