探討220kV變壓器的內部故障分析及處理

張國云

（特變電工股份有限公司新疆變壓器廠，新疆 昌吉 831100）

變壓器在電力系統中負責輸送電能、轉換能量，關系到電網運行的可靠性，應當是預防嚴重事故的主要預防對象，所以應當強化對變壓器使用管控的力度，盡量降低故障率。而變壓器制造商是把控設備質量的第一階段，在保障加工效率的同時，應當關注出廠試驗環節，借此查漏補缺，及時發現故障缺陷，并將相應部件進行更換處理。下文就是以220kV等級的變壓器為例，進行相關的內部故障分析。

1 變壓器故障類型

對于220kV等級的變壓器故障研究，應當是保障設計、生產、試驗及使用質量的前提，通常是選擇建設相應樹狀模型的形式加以研究，把各種故障分出層級。目前比較常見的故障主要有下述幾種。

1.1 鐵芯故障

對于變壓器來說，其能否正常使用和繞組、鐵芯品質有莫大關系，是傳遞與交換能量的重要位置。根據實踐經驗表明，磁路內的故障始終在高發狀態下，即在鐵芯與鐵軛等位置，主要表現是局部過熱以及懸浮放電。其中，前者一般是由于鐵芯過度接地、磁飽和局部短路等原因造成；后者則是由于接地不充分與接地片熔斷導致的。

1.2 引線故障

變壓器內部結構中引線相對脆弱，但是極為關鍵的組件，是內外連接的介質，其接頭是焊接制造。在引線外側進行絕緣包扎處理，防止引線出現接觸與短路方面的異常，因此絕緣效果與焊接質量都可能影響引線狀態。在出廠試驗中如果發現引線故障，應當考慮短路、斷路與接觸方面的原因。其中，引線短路是致命的，假設沒有通過出廠試驗及時排除故障，就會在產品后期使用中演變成繞組短路，造成質量事故進一步加劇中，后果可能是災難性的，更有甚者會直接造成變壓器停運。

1.3 分接開關

變壓器上的分接開關需要長期被高溫條件與絕熱油干擾，造成觸頭外表面出現氧化現象，提高其中的接觸電阻，導致接觸不良。如果發生此種故障，容易發生局部高溫，進一步損害接觸面的完整性。而在分接開關位置，可能會出現多種故障，較為典型的有觸頭燒損與尺寸受損等。

1.4 絕緣故障

變壓器的絕緣體系中，主要故障表現有油流帶電、擊穿和圍屏放電。而絕緣故障中還包括介損超標與絕緣損傷。在變壓器產品發生絕緣異常后，雖然能在短期內保持穩態，但局部放電、輕微高溫等情況依舊會存在。假設故障沒有處理，會加劇絕緣損傷的程度，由此導致絕緣件碳化與局部繞組短路等問題。

1.5 套管故障

產品內部繞組和油箱外側連接的引線，套管是其較為重要的保護部件，極易被外界條件干擾，比如，污染、自然降雨等，導致瓷釉開裂、絕緣老化等后果，是變壓器內部結構中出現故障概率較高的部分。比如，位移、放電、炸裂等。

1.6 繞組故障

繞組故障是指發生在線圈與縱絕緣處的異常，主要可分為斷線、高溫、匝間短路等幾項。該種內部故障的危害性大，誘發原因較多，如本身結構與絕緣異常等。其中短路、擊穿是出現概率相對大的故障，威脅程度也更大，會波及絕緣層與引線、鐵芯等。

2 220kV變壓器的故障原因

結合實踐經驗與有關主題的文獻資料，對于變壓器可能發生停運的情況，出廠試驗人員應當重點從經常出現故障部件入手，比如，線圈、中性點設備、油枕、冷卻系統、鐵芯與套管等。結合2010～2020年的統計220kV等級的變壓器缺陷數據顯示，此類設備運轉中，多次出現故障問題的位置一般集中在套管與分接開關、儲油柜、冷卻器上。按照引發故障類型的危險性，變壓器產品能否順利出廠以及平穩運行，大多數是由鐵芯與繞組決定的。

3 220kV變壓器內部故障出廠試驗與處理

3.1 沖擊試驗擊穿

3.1.1 試驗介紹

某220kV主變在經過絕緣及直流電阻、絕緣對地電阻等一系列的低壓試驗與優化試驗，確認產生的試驗結果信息滿足生產制造技術要求。并在第二日根據工序開展操作沖擊試驗，其中的高壓A相的相應試驗中，50%沖擊與100%沖擊條件下產生的波形經過對比，存在諸多不重合的問題。根據相關技術參數，沖擊波形的Td需超過200us，而T0應大于1000us。而沖擊試驗實際的結果卻與之有明顯差距，Td僅有120.5us，T0是289.9us。在此次試驗后，技術人員初步認為全電壓波形的沖擊中，出現對地放電故障，并且在其他兩相也通過沖擊試驗。對于該種情況，即刻暫停出廠試驗，確認故障原因。

3.1.2 吊罩分析

在吊罩分析中，先安排低電壓試驗，具體有支流電阻、三側繞組的對地絕緣電阻、變比，所得試驗結果顯示一切正常。在A相套管的電容與介損試驗中，所得結果和試驗前幾乎相同。在某月2日與3日取油進行色譜研究，結果都有問題，相關數據內容見表1。結合試驗結果與實際表現來講，變壓器機身在第三次的全電壓沖擊試驗中，其內部應當出現A相線圈對地的故障。

表1 本體油色譜試驗結果

在細致查看主器的外觀后，沒有發現任何問題。在烘干裝置的器身拔掉上鐵軛，取出上壓板以及公共端圈后發現，鐵芯最外面尖角有放電后的表現，相應公共端圈以及中壓線圈部分的外圍屏位置，由鐵芯到線圈有爬電的表現，在拆解圍屏做進一步檢查，中壓線圈位置的圍屏出現向線圈內側爬電的情況，中壓線圈對應圍屏的首層出現由上至下延伸的爬電情況，其余圍屏則留有輕微污染的情況。技術員繼續拆解中，也在局部線圈上出現放電點，和首層爬電表現的終點相對應。根據以上試驗與檢查結果能夠確定，該次沖擊異常放電的故障，鐵芯是起始點，順著線圈與圍屏爬電。

3.1.3 分析結果

主要放電路徑是由鐵芯到中壓繞組，而且高壓繞組對應端圈下方，也有樹狀放電痕跡。出現此種內部故障現象的主要原因應當為：變壓器閃絡是電場強度決定，在輸送電壓與閃絡電壓相同的情況下，放電通常是由陽極逐漸向陰極推進。繞組連通負極性電壓，而接地鐵芯可看成陽極，因為半導體層形成褶皺，局部電場相對偏高，形成電離，由此產生正流注。流注演化中，放電路徑并非處于超導狀態，因此，在流注“成長”中，通道路徑中會產生電壓降，令相應端部場強減弱。假設場強在電離臨界場強下，流注不會繼續發展，這種現象猶如高壓繞組端圈發生放電的情況，如果場強達到一定程度，流注便會保持發展狀態，最后造成貫穿故障。

根據試驗現象與檢查情況分析可知，高壓在實施出廠沖擊試驗中，低壓與中壓均會出現感應電勢。在鐵芯外圍區域的半導體帶形成褶皺后，再加上場強的影響就會引起放電，而放電留下樹狀的痕跡，能有效說明放電的運行軌道。因為三個線圈在進行沖擊試驗中都通過電壓，而放電一般更傾向于場強相對更大的部分，絕緣性能相對偏差的位置出現擊穿放電。在導線放電點位于終壓外角環的邊緣區域，保護效力比較弱，令其成為絕緣體系中的薄弱點，所以在該位置出現擊穿，這種現象和爬電發展過程比較符合。由此能夠確認的是，由鐵芯向中壓線圈導線發生放電，就是出廠試驗中內部故障的分析結果。究其根本，半導體帶的處理出現問題，包扎不緊實，導致場強出現畸變，引發放電故障。

總之，通過普通低壓試驗以及油化試驗，可以在出廠中找到大多數問題，如果是個別工藝不良的情況，很難有效反饋。而利用沖擊耐壓試驗可以有效評估變壓器本身耐沖擊電壓的水平，及時找出潛在故障，避免在后期投入使用后發生輸送電造成質量事故。

3.2 局部放電試驗

3.2.1 試驗介紹

某個200kV變壓器根據技術協議標準，組織局部放電的試驗活動，在試驗電壓達到一定標準后，局部放電量的保證值分別要達到：高壓與高壓均不能超過100pC。

某月15日在溫升試驗完成后，等到有溫度下降至環境溫度，才能開展局部放電測試，所得結果和之前的試驗相同。技術員利用測試確認局部放電的起始位置處于高壓首端，基于此進一步查看套管部件，把相應油枕頂端螺栓擰開的同時，逸出少量氣體，經過檢查后發現其他兩相高壓套管出現同樣的現象。待放氣結束后，繼續檢查中壓套管，未出現類似的情況，而為保障內部氣體能夠完全逸出進行靜置處理。

在同月17日，針對B相與C相實施測試，根據常規局部放電分析的回路與加壓流程，適當延長測試的時間，測得結果顯示這兩相的局部放電量都未達到100pC，即兩相都達標。對變壓裝置上下部進行抽油化驗，和此產品前期油化試驗的數據對比，結果也無問題。試驗完成后，開展一系列的處理工作，依次為放油、抽真空、注油與熱油循環。25日繼續開展A相的局部放電測試，條件分別是：1.5E（12分鐘、20pC）；1.7E（10秒、500pC）；1.5E（8分鐘、20pC），其中局部放電達到300pC共有兩次，在短短數秒內熄滅，而1.7E及8分鐘后，局部放電出現200pC的情況，而且放電量不斷提高，在此后4分鐘的時間，就上升至4400pC。此時，把試驗電壓下調至0.95E（4200pC），局部放電的初始電壓是0.95E，而熄滅電壓是0.75E。在該條件下，通過超聲無損定位，僅有高壓側箱壁與蓋子位置未獲取信號。

27日組織A相的復試，試驗結果表示，在局部放電量達到14000pC的情況下實施超聲定位，實際結果依舊是高壓側未取得信號，而在中壓側能獲取反饋信號。試驗定位中，局部放電量處于500～1500pC區間，波形密度從低到高。假設變壓器長軸是X，短軸是Y，選擇逼近方式確認局部放電的初始位置。相應立體坐標范圍分別是：X為2800～3100mm；Y為0～300mm；Z為1900～2180mm。在29日開展色譜試驗，結果顯示變壓器油內的C2H2含量：上部是2.8μL/L；下部是2.1μL/L。通過相應計算輔助超聲定位，獲得信息幾乎和超聲定位結果一致。基于此，設定局部放電條件是1.5E，開展連續2h的試驗。A相高壓側的放電量處于230～12600pC之間；中壓側則處于640～5300pC區間內。

3.2.2 試驗結果

出廠試驗中，變壓器局部放電故障明顯，在試驗不斷增多中，局部放電量總體呈現上升的趨勢，這意味著該變壓器主要絕緣性能在持續惡化中。另外，起始放電和熄滅時的電壓有明顯差別，這證明造成局部放電量故障的誘因不止有套管內氣體含量高，還可能有固體絕緣方面的問題。由于局部放電量故障和出口部分的電壓沒有關聯，但和匝電壓存在聯系，據此大致能判斷套管、均壓球連接以及高壓的引線對接地體物理距離等和該項內部故障現象沒有聯系。最終斷定，此變壓器出現局部放電故障應當位于線圈主絕緣。以超聲定位情況來講，此變壓器異常放電的位置應當是A相線圈上端。考慮到該放電量的故障比較明顯，同時局部放電測試中，油內出現C2H2，應當選擇解體或是吊罩檢查。

3.2.3 解體檢查

結合數次局部放電測試以及超聲定位，最終選擇解體檢查的方法。技術員通過吊罩檢查沒有找到明顯問題，把A相的線圈外側圍板拆掉，查看相應圍板與撐條，絕緣件處未留下放電痕跡。隨后拆開上壓板以及高壓出線處，通過細致觀察同樣未在此區域發現放電表現。技術員繼續拆掉上鐵軛以及上部絕緣，查看相應低壓側的情況，而在高壓與調壓線圈間的位置出現放電現象。將上部的角環拆掉后，調壓靜電環同樣發現放電跡象。待拆掉調壓線圈，查看其內部的情況，也沒有放電的表現。把B相和C相對應調壓線圈中靜電環與角環拆掉，同樣未留下放電的情況。根據試驗檢測與解體檢查的結果，將三相的靜電環內包扎帶全部更換。同時，把A相調壓線的全部角環與外側圍板均換新。根據變壓器的訂單技術標準，重新進行出廠試驗。

4 結語

總之，變壓器故障的誘發原因較多，實踐處理效果還需繼續提升。在對其內部故障進行探究中，制造商環節有著較大的基礎性作用，其通過加強對變壓器生產制造環節的管控，嚴密把握加工原料、工藝程序，并配以出廠試驗檢查、處理，保障所有流入市場產品均有較好的運行性能，擁有長期穩定工作的基礎。另外，正式投運以前，相關技術員需要再度檢查設備，確認絕緣套管沒有損傷以及無漏油的情況，在通過絕緣與短路等試驗后才能投運。