變壓器絕緣故障分析及處理措施
發(fā)布時間：2023-02-28 08:42:54 瀏覽次數(shù)：3147次
目前應(yīng)用廣泛的電力變壓器是油浸變壓器和干式樹脂變壓器兩種，電力變壓器的絕緣即是變壓器絕緣材料組成的絕緣系統(tǒng)，它是變壓器正常工作和運(yùn)行的基本條件，變壓器的使用壽命是由絕緣材料(即油紙或樹脂等)的壽命所決定的。實踐證明，大多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統(tǒng)的損壞而造成。據(jù)統(tǒng)計，因各種類型的絕緣故障形成的事故約占全部變壓器事故的85%以上。對正常運(yùn)行及注意進(jìn)行維修管理的變壓器，其絕緣材料具有很長的使用壽命。因此，保護(hù)變壓器的正常運(yùn)行和加強(qiáng)對絕緣系統(tǒng)的合理維護(hù)，很大程度上可以保證變壓器具有相對較長的使用壽命，而預(yù)防性和預(yù)知性維護(hù)是提高變壓器使用壽命和提高供電可靠性的關(guān)鍵。油浸變壓器中，主要的絕緣材料是絕緣油及固體絕緣材料絕緣紙、紙板和木塊等c所謂變壓器絕緣的老化，就是這些材料受環(huán)境因素的影響發(fā)生分解，降低或喪失了絕緣強(qiáng)度。固體紙絕緣是油浸變壓器絕緣的主要部分之一，包括：絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、絕緣卷、絕緣綁扎帶等，其主要成分是纖維素，化學(xué)表達(dá)式為(C6H10O6)n，式中n為聚合度。一般新紙的聚合度為1300左右，當(dāng)下降至250左右，其機(jī)械強(qiáng)度已下降了一半以上，ji度老化致使壽命終止的聚合度為150～200。絕緣紙老化后，其聚合度和抗張強(qiáng)度將逐漸降低，并生成水、CO、CO2，其次還有糠醛(呋喃甲醛)。這些老化產(chǎn)物大都對電氣設(shè)備有害，會使絕緣紙的擊穿電壓和體積電阻率降低、介損增大、抗拉強(qiáng)度下降，甚致腐蝕設(shè)備中的金屬材料。固體絕緣具有不可逆轉(zhuǎn)的老化特性，其機(jī)械和電氣強(qiáng)度的老化降低都是不能恢復(fù)的。變壓器的壽命主要取決于絕緣材料的壽命，因此油浸變壓器固體絕緣材料，應(yīng)既具有良好的電絕緣性能和機(jī)械特性，而且長年累月的運(yùn)行后，其性能下降較慢，即老化特性好。絕緣紙纖維材料是油浸變壓器中主要的絕緣組件材料，紙纖維是植物的基本固體組織成分，組成物質(zhì)分子的原子中有帶正電的原子核和圍繞原子核運(yùn)行的帶負(fù)電的電子，與金屬導(dǎo)體不同的是絕緣材料中幾乎沒有自由電子，絕緣體中ji小的電導(dǎo)電流主要來自離子電導(dǎo)。纖維素由碳、氫和氧組成，這樣由于纖維素分子結(jié)構(gòu)中存在氫氧根，便存在形成水的潛在可能，使紙纖維有含水的特性。此外，這些氫氧根可認(rèn)為是被各種ji性分子(如酸和水)包圍著的中心，它們以氫鍵相結(jié)合，使得纖維易受破壞：同時纖維中往往含有一定比例(約7%左右)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)中包括一定量的水分，因纖維呈膠體性質(zhì)，使這些水分尚不能除去。這樣也就影響了紙纖維的性能。ji性的纖維不但易于吸潮(水分使強(qiáng)ji性介質(zhì))，而且當(dāng)紙纖維吸水時，使氫氧根之間的相互作用力變?nèi)?，在纖維結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的條件下機(jī)械強(qiáng)度急劇變壞，因此，紙絕緣部件一般要經(jīng)過干燥或真空子燥處理和浸油或絕緣漆后才能使用，浸漆的目的是使纖維保持潤濕.保證其有較高的絕緣和化學(xué)穩(wěn)定性及具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。同時，紙被漆密封后，可減少紙對水分的吸收，阻止材料氧化，還町填充空隙，以減小可能影響絕緣性能、造成局部放電和電擊穿的氣泡。但也有的認(rèn)為浸漆后再浸油，可能有些漆會慢慢溶人油內(nèi)，影響油的性能，對這類油漆的應(yīng)用應(yīng)充分子以注意。當(dāng)然，不同成分纖維材料的性質(zhì)及相同成分纖維材料的不同品質(zhì)，其影響大小及性能也不同，如棉花中纖維成分高，大麻中纖維結(jié)實，某些進(jìn)口絕緣紙板由于其處理加工好，使性能明顯優(yōu)于國產(chǎn)某些材質(zhì)的紙板等。變壓器大多絕緣材料都是用各種型式的紙(如紙帶、紙板、紙的壓力成型件等)作絕緣的。因此在變壓器制造和檢修中選擇好纖原料的絕緣紙材料是非常重要的。纖維紙的特殊優(yōu)點(diǎn)是實用性強(qiáng)、價格低、使用加工方便，在溫度不高時成型和處理簡單靈活，且重量輕，強(qiáng)度適中，易吸收浸漬材料(如絕緣漆、變壓器油等)。油浸變壓器選擇紙絕緣材料重要的因素除紙的纖維成分、密度、滲透性和均勻性以外，還包括機(jī)械強(qiáng)度的要求，包括耐張強(qiáng)度、沖壓強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和堅韌性： ① 耐張強(qiáng)度：要求紙纖維受到拉伸負(fù)荷時，具有能耐受而不被拉斷的上限大應(yīng)力
② 沖壓強(qiáng)度：要求紙纖維具有耐受壓力而不被折斷的能力的量度。
③ 撕裂強(qiáng)度：要求紙纖維發(fā)生撕裂所需的力符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
④ 堅韌性：是紙折疊或紙板彎曲時的強(qiáng)度能滿足相應(yīng)要求。
判斷固體絕緣性能可以設(shè)法取樣測量紙或紙板的聚合度，或利用液相色譜分析技測量油中糠醛含量，以便于分析變壓器內(nèi)部存在故障時，是否涉及固體絕緣或是否存在引起線圈絕緣局部老化的低溫過熱，或判斷固體絕緣的老化程度。對紙纖維絕緣材料在運(yùn)行及維護(hù)中，應(yīng)注意控制變壓器額定負(fù)荷，要求運(yùn)行環(huán)境空氣流通、散熱條件好，防止變壓器溫升超標(biāo)和箱體缺油。還要防止油質(zhì)污染、劣化等造成纖維的加速老化，而損害變壓器的絕緣性能、使用壽命和安全運(yùn)行。當(dāng)過度受熱使水分從纖維材料中脫離，更會加速纖維材料脆化。由于紙材脆化剝落，在機(jī)械振動、電動應(yīng)力、操作波等沖擊力的影響下可能產(chǎn)生絕緣故障而形成電氣事故。
纖維材料的機(jī)械強(qiáng)度隨受熱時間的延長而下降，當(dāng)變壓器發(fā)熱造成絕緣材料水分再次排出時，絕緣電阻的數(shù)值可能會變高，但其機(jī)械強(qiáng)度將會大大下降，絕緣紙材將不能抵御短路電流或沖擊負(fù)荷等機(jī)械力的影響。纖維材料在脆化后收縮，使夾緊力降低，可能造成收縮移動，使變壓器繞組在電磁振動或沖擊電壓下移位摩擦而損傷絕緣。
液體絕緣的油浸變壓器是1887年由美國科學(xué)家湯姆遜發(fā)明的，1892年被美國通用電氣公司等推廣應(yīng)用于電力變壓器，這里所指的液體絕緣即是變壓器油絕緣。①大大提高了電氣絕緣強(qiáng)度，縮短了絕緣距離，減小了設(shè)備的體積;②大大提高了變壓器的熱傳遞和散熱效果，提高了導(dǎo)線中允許的電流密度，減輕了設(shè)備重量，它是將運(yùn)行變壓器器身的熱量通過變壓器油的熱循環(huán)，傳遞到變壓器外殼和散熱器進(jìn)行散熱，從而提高了冷卻降溫水平;③由于油浸密封而降低了變壓器內(nèi)部某些零部件和組件的氧化程度，延長了使用壽命。運(yùn)行中的變壓器油除必須具有穩(wěn)定優(yōu)良的絕緣性能和導(dǎo)熱性能 。
其中絕緣強(qiáng)度tg8、粘度、凝點(diǎn)和酸價等是絕緣油的主要性質(zhì)指標(biāo)。從石油中提煉制取的絕緣油是各種烴、樹脂、酸和其他雜質(zhì)的混合物，其性質(zhì)不都是穩(wěn)定的，在溫度、電場及光合作用等影響下會不斷地氧化。正常情況下絕緣油的氧化過程進(jìn)行得很緩慢，如果維護(hù)得當(dāng)甚至使用20年還可保持應(yīng)有的質(zhì)量而不老化，但混入油中的金屬、雜質(zhì)、氣體等會加速氧化的發(fā)展，使油質(zhì)變壞，顏色變深，透明度渾濁，所含水分、酸價、灰分增加等，使油的性質(zhì)劣化。
變壓器油質(zhì)變壞，按輕重程度可分為污染和劣化兩個階段。
污染是油中混入水分和雜質(zhì)，這些不是油氧化的產(chǎn)物，污染油的絕緣性能會變壞，擊穿電場強(qiáng)度降低，介質(zhì)損失角增大。
劣化是油氧化后的結(jié)果，當(dāng)然這種氧化并不僅指chun凈油中烴類的氧化，而是存在于油中雜質(zhì)將加速氧化過程，特別是銅、鐵、鋁金屬粉屑等。氧來源于變壓器內(nèi)的空氣，即使在全密封的變壓器內(nèi)部仍有容積為0.25%左右的氧存在，氧的溶解度較高，因此在油中溶解的氣體中占有較高的比率。變壓器油氧化時，作為催化劑的水分及加速劑的熱量，使變壓器油生成油泥，其影響主要表現(xiàn)在：在電場的作用下沉淀物粒子大;雜質(zhì)沉淀集中在電場強(qiáng)的區(qū)域，對變壓器的絕緣形成導(dǎo)電的“橋”;沉淀物并不均勻而是形成分離的細(xì)長條，同時可能按電力線方向排列，這樣無疑妨礙了散熱，加速了絕緣材料老化，并導(dǎo)致絕緣電阻降低和絕緣水平下降。
油在劣化過程中主要階段的生成物有過氧化物、酸類、醇類、酮類和油泥。
早期劣化階段。油中生成的過氧化物與絕緣纖維材料反應(yīng)生成氧化纖維素，使絕緣纖維機(jī)械強(qiáng)度變差，造成脆化和絕緣收縮。生成的酸類是一種粘液狀的脂肪酸，盡管腐蝕性沒有礦物酸那么強(qiáng)，但其增長速率及對有機(jī)絕緣材料的影響是很大的。
后期劣化階段。是生成油泥，當(dāng)酸侵蝕銅、鐵、絕緣漆等材料時，反應(yīng)生成油泥，是一種粘稠而類似瀝青的聚合型導(dǎo)電物質(zhì)，它能適度溶解于油中，在電場的作用下生成速度很快，粘附在絕緣材料或變壓器箱殼邊緣，沉積在油管及冷卻器散熱片等處，使變壓器工作溫度升高，耐電強(qiáng)度下降。
油的氧化過程是由兩個主要反應(yīng)條件構(gòu)成的，其一是變壓器中酸價過高，油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物轉(zhuǎn)變成不溶于油的化合物，從而逐步使變壓器油質(zhì)劣化。
4、變壓器油質(zhì)分析、判斷及維護(hù)處理。
包括它的物理和化學(xué)性能都發(fā)生變化，從而使其電性能變壞。通過測試絕緣油的酸值、界面張力、汕泥析出、水溶性酸值等項目，可判斷是否屬于該類缺陷，，對絕緣油進(jìn)行再生處理，可能消除油變質(zhì)的產(chǎn)物，但處理過程中也可能去掉了天然抗氧劑。
② 絕緣油進(jìn)水受潮，由于水是強(qiáng)ji性物質(zhì)。在電場的作用下易電離分解，而增加了絕緣油的電導(dǎo)電流，因此，微量的水分可使絕緣油介質(zhì)損耗顯著增加。通過測試絕緣油的微水，叮判斷是否屬于該類缺陷。對絕緣油進(jìn)行壓力式真空濾油，一般能消除水分。
例如在主變壓器安裝或吊芯時，附在絕緣件表面的昆蟲和安裝人員殘留的閂：漬等都有可能攜帶細(xì)菌，從而感染了絕緣油：或者絕緣油本身已感染微生物。主變壓器—·般運(yùn)行在40—80℃的環(huán)境下，非常有利于這些微生物的生長、繁殖。由于微生物及其排泄物中的礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)的絕緣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕緣油，從而使得絕緣油介損升高。這種缺陷采用現(xiàn)場循環(huán)處理的方法很難處理好，因為無論如何處理，始終有一部分微生物殘留在絕緣固體上。處理后，短期內(nèi)主變壓器絕緣會有所恢復(fù)，但由于主變壓器運(yùn)行環(huán)境非常有利于微生物的生長、繁殖，這些殘留微生物還會逐年生長繁殖，從而使某些主變壓器絕緣逐年下降;
④ 含有ji性物質(zhì)的醇酸樹脂絕緣漆溶解在油中。在電場的作用下，ji性物質(zhì)會發(fā)生偶ji松弛ji化，在交流ji化過程中要消耗能量，所以使油的介質(zhì)損耗上升。雖然絕緣漆在出廠前經(jīng)過固化處理，但仍可能存在處理不好的情況。主變壓器運(yùn)行一段時間后，處理不好的絕緣漆逐漸溶解在油中，使之絕緣性能逐漸下降。該類缺陷發(fā)生的時間與絕緣漆處理的程度有關(guān)，通過一兩次吸附處理可取得一定的效果。
這種污染情況并不改變油的基本性質(zhì)。對于水分可用干燥的辦法加以排除;對于雜質(zhì)可用過濾的辦法加以清除;油中的空氣可通過抽真空的辦法加以排除。
油的性質(zhì)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定;油的比重相同、凝固溫度相同、粘度相同、閃點(diǎn)相近;且混合后油的安定度也符合要求。對于混油后劣化的油，由于油質(zhì)已變，產(chǎn)生了酸性物質(zhì)和油泥，閩此需用油再生的化學(xué)方法將劣化產(chǎn)物分離出來，才能恢復(fù)其性質(zhì)。
干式變壓器(這里指環(huán)氧樹脂絕緣的變壓器) 主要使用在具有較高防火要求的場所。如高層建筑、機(jī)場、油庫等。
環(huán)氧樹指絕緣的變壓器根據(jù)制造工藝特點(diǎn)可分為環(huán)氧石英砂混合料真空澆注型、環(huán)氧無堿玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)真空壓差澆注型和無堿玻璃纖維繞包浸漬型三種。
這類變壓器是以石英砂為環(huán)氧樹脂的填充料，將經(jīng)絕緣漆浸漬處理繞包好的線圈，放人線圈澆注模內(nèi)，在真空條件下再用環(huán)氧樹脂與石英砂的混合料滴灌澆注。由于澆注工藝難以滿足質(zhì)量要求，如殘存的氣泡、混合料的局部不均勻及可能導(dǎo)致局部熱應(yīng)力開裂等，這樣絕緣的變壓器不宜用于濕熱環(huán)境和負(fù)荷變化較大的區(qū)域。
② 環(huán)氧無堿玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)真空壓差澆注絕緣。環(huán)氧無堿玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)是用無堿玻璃短纖維玻璃氈為繞組層間絕緣的外層繞包絕緣。其外層的絕緣繞包厚度一般為1～3m的薄絕緣，經(jīng)環(huán)氧樹脂澆注料配比進(jìn)行混合，并在高真空下除去氣泡澆注，由于繞包絕緣的厚度較薄，當(dāng)浸漬不良時易形成局部放電點(diǎn)，因此要求澆注料的混合，真空除氣泡，并掌握好澆注料的低粘度和澆注速度，以保證澆注過程中對線包浸漬的高質(zhì)量。
無堿玻璃纖維繞包浸漬的變壓器是在繞制變壓器線圈的同時，完成線圈層間絕緣處理和線圈浸漬的，它不需要上述兩種方式浸漬過程中的繞組成型模具，但要求樹脂粘度小，在線圈繞制和浸漬的過程中樹脂不應(yīng)殘留微小氣泡。
2、樹脂變壓器的絕緣特點(diǎn)及維護(hù)。
樹脂變壓器的絕緣水平與油浸變壓器相差并不顯著，關(guān)鍵在于樹脂變壓器溫升和局部放電這兩項指標(biāo)上。
① 樹脂變壓器的平均溫升水平比油浸變壓器高，因此，相應(yīng)要求絕緣材料耐熱的等級更高，但由于變壓器的平均溫升并不反映繞組中熱點(diǎn)部位的溫度，當(dāng)絕緣材料的耐熱等級僅按平均溫升選擇，或選配不當(dāng)，或樹脂變壓器長期過負(fù)荷運(yùn)行，就會影響變壓器的使用壽命。由于變壓器測量的溫升往往不能反映變壓器熱點(diǎn)部位的溫度，因此，有條件時能在變壓器gao負(fù)荷運(yùn)行下，用紅外測溫儀檢查樹脂變壓器的熱點(diǎn)部位，并有針對性地調(diào)整風(fēng)扇冷卻設(shè)備的方向和角度，控制變壓器局部溫升，保證變壓器的安全運(yùn)行。
② 樹脂變壓器局部放電量的大小與變壓器的電場分布、樹脂混合均勻度及是否殘存氣泡或樹脂開裂等因素有關(guān)，局部放電量的大小影響樹脂變壓器的性能、質(zhì)量及使用壽命。因此，對樹脂變壓器進(jìn)行局部放電量的測量、驗收，是對其工藝、質(zhì)量的綜合考核，在對樹脂變壓器交接驗收及大修后應(yīng)進(jìn)行局部放電的測量試驗，并根據(jù)局部放電是否變化，來評價其質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。
隨著干式變壓器越來越廣泛的應(yīng)用，在選擇變壓器的同時，應(yīng)對其工藝結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計、絕緣配置了解清楚，選擇生產(chǎn)工藝及質(zhì)量保證體系完善、生產(chǎn)管理嚴(yán)格，技術(shù)性能可靠的產(chǎn)品，確保變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量和耐熱壽命，才能提高變壓器的安全運(yùn)行和供電可靠性。
影響變壓器絕緣性能的主要因素有：溫度、濕度、油保護(hù)方式和過電壓影響等。
電力變壓器為油、紙絕緣，在不同溫度下油、紙中含水量有著不同的平衡關(guān)系曲線。一般情況下，溫度升高，紙內(nèi)水分要向泊中析出;反之，則紙要吸收油中水分。因此，當(dāng)溫度較高時，變壓器內(nèi)絕緣油的微水含量較大;反之，微水含量就小。
溫度不同時，使纖維素解環(huán)、斷鏈并伴隨氣體產(chǎn)生的程度有所不同。在一定溫度下，CO和CO?的產(chǎn)生速度恒定，即油中CO和CO?氣體含量隨時間呈線性關(guān)系。在溫度不斷升高時，CO和CO?的產(chǎn)生速率往往呈指數(shù)規(guī)律增大。因此，油中CO和CO?的含量與絕緣紙熱老化有著直接的關(guān)系，并可將含量變化作為密封變壓器中紙層有無異常的判據(jù)之一。
變壓器的壽命取決于絕緣的老化程度，而絕緣的老化又取決于運(yùn)行的溫度。如油浸變壓器在額定負(fù)載下，繞組平均溫升為65℃，熱點(diǎn)溫升為78℃，若平均環(huán)境溫度為20C，則熱點(diǎn)溫度為98℃;在這個溫度下，變壓器可運(yùn)行20—30年，若變壓器超載運(yùn)行，溫度升高，促使壽命縮短。
國際電工委員會(1EC)認(rèn)為A級絕緣的變壓器在80～140C溫度范圍內(nèi)，溫度每增加6℃，變壓器絕緣壽命降低的速度就會增加一倍，這就是6℃法則，說明對熱的限制已比過去認(rèn)可的8℃法則更為嚴(yán)格。
水分的存在將加速紙纖維素降解。因此，CO和CO?的產(chǎn)生與纖維素材料的含水量也有關(guān)。當(dāng)濕度一定時，含水量越高，分解出的CO?越多。反之，含水量越低，分解出的CO就越多。
絕緣油中的微量水分是影響絕緣特性的重要因素之一。絕緣油中微量水分的存在，對絕緣介質(zhì)的電氣性能與理化性能都有大的危害，水分可導(dǎo)致絕緣油的火花放電電壓降低，介質(zhì)損耗因數(shù)tg8增大，促進(jìn)絕緣油老化，絕緣性能劣化。而設(shè)備受潮，不僅導(dǎo)致電力設(shè)備的運(yùn)行可靠性和壽命降低，更可能導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至危及人身安全。
變壓器油中氧的作用會加速絕緣分解反應(yīng)，而含氧量與油保護(hù)方式有關(guān)。另外，池保護(hù)方式不同，使CO和CO?在油中解和擴(kuò)散狀況不同。如CO的溶解小，使開放式變壓器CO易擴(kuò)散至油面空間，因此，開放式變壓器一般情況CO的體積分?jǐn)?shù)不大于300x10-6。密封式變壓器，由于油面與空氣絕緣，使CO和CO?不易揮發(fā)，所以其含量較高。
三相變壓器正常運(yùn)行產(chǎn)生的相、地間電壓是相間電壓的58%，但發(fā)生單相故障時主絕緣的電壓對中性點(diǎn)接地系統(tǒng)將增加30%，對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)將增加73%，因而可能損傷絕緣。
雷電過電壓由于波頭陡，引起縱絕緣(匝問、并間、絕緣)上電壓分布很不均勻，可能在絕緣上留下放電痕跡，從而使固體絕緣受到破壞。
由于操作過電壓的波頭相當(dāng)平緩，所以電壓分布近似線性，操作過電壓波由一個繞組轉(zhuǎn)移到另一個繞組上時，約與這兩個繞組間的匝數(shù)成正比，從而容易造成主絕緣或相間絕緣的劣化和損壞。
出口短路時的電動力可能會使變壓器繞組變形、引線移位，從而改變了原有的絕緣距離，使絕緣發(fā)熱，加速老化或受到損傷造成放電、拉弧及短路故障。
綜上所述，掌握電力變壓器的絕緣性能及合理的運(yùn)行維護(hù)，直接影響到變壓器的安全運(yùn)行、使用壽命和供電可靠性，電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要而關(guān)鍵的主設(shè)備，作為變壓器的運(yùn)行維護(hù)人員和管理者必須了解和掌握電力變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、材料性能、工藝質(zhì)量、維護(hù)方法及科學(xué)的診斷技術(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化合理的運(yùn)行管理，才能保證電力變壓器的使用效率、壽命和供電可靠性。
