【分析】电力变压器绝缘故障分析及处理措施

电力变压器视界 2021年8月24日浏览：1626

目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种，电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料(即油纸或树脂等)的寿命所决定的。

实践证明，大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。据统计，因各种类型的绝缘故障形成的事故约占全部变压器事故的85%以上。对正常运行及注意进行维修管理的变压器，其绝缘材料具有很长的使用寿命。因此，保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命，而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。

油浸变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料绝缘纸、纸板和木块等c所谓变压器绝缘的老化，就是这些材料受环境因素的影响发生分解，降低或丧失了绝缘强度。

一

固体纸绝缘故障

固体纸绝缘是油浸变压器绝缘的主要部分之一，包括：绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学表达式为(C6H10O6)n，式中n为聚合度。一般新纸的聚合度为1300左右，当下降至250左右，其机械强度已下降了一半以上，极度老化致使寿命终止的聚合度为150～200。绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度将逐渐降低，并生成水、CO、CO2，其次还有糠醛(呋喃甲醛)。这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降，甚致腐蚀设备中的金属材料。固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。变压器的寿命主要取决于绝缘材料的寿命，因此油浸变压器固体绝缘材料，应既具有良好的电绝缘性能和机械特性，而且长年累月的运行后，其性能下降较慢，即老化特性好。

1、纸纤维材料的性能。

绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子，与金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子，绝缘体中极小的电导电流主要来自离子电导。纤维素由碳、氢和氧组成，这样由于纤维素分子结构中存在氢氧根，便存在形成水的潜在可能，使纸纤维有含水的特性。此外，这些氢氧根可认为是被各种极性分子(如酸和水)包围着的中心，它们以氢键相结合，使得纤维易受破坏：同时纤维中往往含有一定比例(约7%左右)的杂质，这些杂质中包括一定量的水分，因纤维呈胶体性质，使这些水分尚不能完全除去。这样也就影响了纸纤维的性能。

极性的纤维不但易于吸潮(水分使强极性介质)，而且当纸纤维吸水时，使氢氧根之间的相互作用力变弱，在纤维结构不稳定的条件下机械强度急剧变坏，因此，纸绝缘部件一般要经过干燥或真空子燥处理和浸油或绝缘漆后才能使用，浸漆的目的是使纤维保持润湿.保证其有较高的绝缘和化学稳定性及具有较高的机械强度。同时，纸被漆密封后，可减少纸对水分的吸收，阻止材料氧化，还町填充空隙，以减小可能影响绝缘性能、造成局部放电和电击穿的气泡。但也有的认为浸漆后再浸油，可能有些漆会慢慢溶人油内，影响油的性能，对这类油漆的应用应充分子以注意。

当然，不同成分纤维材料的性质及相同成分纤维材料的不同品质，其影响大小及性能也不同，如棉花中纤维成分最高，大麻中纤维最结实，某些进口绝缘纸板由于其处理加工好，使性能明显优于国产某些材质的纸板等。变压器大多绝缘材料都是用各种型式的纸(如纸带、纸板、纸的压力成型件等)作绝缘的。因此在变压器制造和检修中选择好纤原料的绝缘纸材料是非常重要的。纤维纸的特殊优点是实用性强、价格低、使用加工方便，在温度不高时成型和处理简单灵活，且重量轻，强度适中，易吸收浸渍材料(如绝缘漆、变压器油等)。

2、纸绝缘材料的机械强度。

油浸变压器选择纸绝缘材料最重要的因素除纸的纤维成分、密度、渗透性和均匀性以外，还包括机械强度的要求，包括耐张强度、冲压强度、撕裂强度和坚韧性：

① 耐张强度：要求纸纤维受到拉伸负荷时，具有能耐受而不被拉断的最大应力

② 冲压强度：要求纸纤维具有耐受压力而不被折断的能力的量度。

③ 撕裂强度：要求纸纤维发生撕裂所需的力符合相应标准。

④ 坚韧性：是纸折叠或纸板弯曲时的强度能满足相应要求。

判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度，或利用高效液相色谱分析技测量油中糠醛含量，以便于分析变压器内部存在故障时，是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度。对纸纤维绝缘材料在运行及维护中，应注意控制变压器额定负荷，要求运行环境空气流通、散热条件好，防止变压器温升超标和箱体缺油。还要防止油质污染、劣化等造成纤维的加速老化，而损害变压器的绝缘性能、使用寿命和安全运行。

3、纸纤维材料的劣化。

主要包括三个方面：

① 纤维脆裂。

当过度受热使水分从纤维材料中脱离，更会加速纤维材料脆化。由于纸材脆化剥落，在机械振动、电动应力、操作波等冲击力的影响下可能产生绝缘故障而形成电气事故。

② 纤维材料机械强度下降。

纤维材料的机械强度随受热时间的延长而下降，当变压器发热造成绝缘材料水分再次排出时，绝缘电阻的数值可能会变高，但其机械强度将会大大下降，绝缘纸材将不能抵御短路电流或冲击负荷等机械力的影响。

③ 纤维材料本身的收缩。

纤维材料在脆化后收缩，使夹紧力降低，可能造成收缩移动，使变压器绕组在电磁振动或冲击电压下移位摩擦而损伤绝缘。

二

液体油绝缘故障

液体绝缘的油浸变压器是1887年由美国科学家汤姆逊发明的，1892年被美国通用电气公司等推广应用于电力变压器，这里所指的液体绝缘即是变压器油绝缘。

油浸变压器的特点：

①大大提高了电气绝缘强度，缩短了绝缘距离，减小了设备的体积;

②大大提高了变压器的有效热传递和散热效果，提高了导线中允许的电流密度，减轻了设备重量，它是将运行变压器器身的热量通过变压器油的热循环，传递到变压器外壳和散热器进行散热，从而提高了有效的冷却降温水平;

③由于油浸密封而降低了变压器内部某些零部件和组件的氧化程度，延长了使用寿命。

1、变压器油的性能。

运行中的变压器油除必须具有稳定优良的绝缘性能和导热性能。

其中绝缘强度tg8、粘度、凝点和酸价等是绝缘油的主要性质指标。

从石油中提炼制取的绝缘油是各种烃、树脂、酸和其他杂质的混合物，其性质不都是稳定的，在温度、电场及光合作用等影响下会不断地氧化。正常情况下绝缘油的氧化过程进行得很缓慢，如果维护得当甚至使用20年还可保持应有的质量而不老化，但混入油中的金属、杂质、气体等会加速氧化的发展，使油质变坏，颜色变深，透明度浑浊，所含水分、酸价、灰分增加等，使油的性质劣化。

2、变压器油劣化的原因。

变压器油质变坏，按轻重程度可分为污染和劣化两个阶段。

污染是油中混入水分和杂质，这些不是油氧化的产物，污染油的绝缘性能会变坏，击穿电场强度降低，介质损失角增大。

劣化是油氧化后的结果，当然这种氧化并不仅指纯净油中烃类的氧化，而是存在于油中杂质将加速氧化过程，特别是铜、铁、铝金属粉屑等。

氧来源于变压器内的空气，即使在全密封的变压器内部仍有容积为0.25%左右的氧存在，氧的溶解度较高，因此在油中溶解的气体中占有较高的比率。

变压器油氧化时，作为催化剂的水分及加速剂的热量，使变压器油生成油泥，其影响主要表现在：在电场的作用下沉淀物粒子大;杂质沉淀集中在电场最强的区域，对变压器的绝缘形成导电的“桥”;沉淀物并不均匀而是形成分离的细长条，同时可能按电力线方向排列，这样无疑妨碍了散热，加速了绝缘材料老化，并导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。

3、变压器油劣化的过程。

油在劣化过程中主要阶段的生成物有过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥。

早期劣化阶段。油中生成的过氧化物与绝缘纤维材料反应生成氧化纤维素，使绝缘纤维机械强度变差，造成脆化和绝缘收缩。生成的酸类是一种粘液状的脂肪酸，尽管腐蚀性没有矿物酸那么强，但其增长速率及对有机绝缘材料的影响是很大的。

后期劣化阶段。是生成油泥，当酸侵蚀铜、铁、绝缘漆等材料时，反应生成油泥，是一种粘稠而类似沥青的聚合型导电物质，它能适度溶解于油中，在电场的作用下生成速度很快，粘附在绝缘材料或变压器箱壳边缘，沉积在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐电强度下降。

油的氧化过程是由两个主要反应条件构成的，其一是变压器中酸价过高，油呈酸性。其二是溶于油中的氧化物转变成不溶于油的化合物，从而逐步使变压器油质劣化。

4、变压器油质分析、判断及维护处理。

① 绝缘油变质。

包括它的物理和化学性能都发生变化，从而使其电性能变坏。通过测试绝缘油的酸值、界面张力、汕泥析出、水溶性酸值等项目，可判断是否属于该类缺陷，，对绝缘油进行再生处理，可能消除油变质的产物，但处理过程中也可能去掉了天然抗氧剂。

② 绝缘油进水受潮，由于水是强极性物质。

在电场的作用下易电离分解，而增加了绝缘油的电导电流，因此，微量的水分可使绝缘油介质损耗显著增加。通过测试绝缘油的微水，叮判断是否属于该类缺陷。对绝缘油进行压力式真空滤油，一般能消除水分。

③ 绝缘油感染微生物细菌。

例如在主变压器安装或吊芯时，附在绝缘件表面的昆虫和安装人员残留的闩：渍等都有可能携带细菌，从而感染了绝缘油：或者绝缘油本身已感染微生物。主变压器—·般运行在40—80℃的环境下，非常有利于这些微生物的生长、繁殖。由于微生物及其排泄物中的矿物质、蛋白质的绝缘性能远远低于绝缘油，从而使得绝缘油介损升高。这种缺陷采用现场循环处理的方法很难处理好，因为无论如何处理，始终有一部分微生物残留在绝缘固体上。处理后，短期内主变压器绝缘会有所恢复，但由于主变压器运行环境非常有利于微生物的生长、繁殖，这些残留微生物还会逐年生长繁殖，从而使某些主变压器绝缘逐年下降;

④ 含有极性物质的醇酸树脂绝缘漆溶解在油中。

在电场的作用下，极性物质会发生偶极松弛极化，在交流极化过程中要消耗能量，所以使油的介质损耗上升。虽然绝缘漆在出厂前经过固化处理，但仍可能存在处理不彻底的情况。主变压器运行一段时间后，处理不彻底的绝缘漆逐渐溶解在油中，使之绝缘性能逐渐下降。该类缺陷发生的时间与绝缘漆处理的彻底程度有关，通过一两次吸附处理可取得一定的效果。

⑤ 油中只混有水分和杂质。

这种污染情况并不改变油的基本性质。对于水分可用干燥的办法加以排除;对于杂质可用过滤的办法加以清除;油中的空气可通过抽真空的办法加以排除。

⑥ 两种及两种以上不同来源的绝缘汕混合使用。

油的性质应符合相关规定;油的比重相同、凝固温度相同、粘度相同、闪点相近;且混合后油的安定度也符合要求。对于混油后劣化的油，由于油质已变，产生了酸性物质和油泥，闽此需用油再生的化学方法将劣化产物分离出来，才能恢复其性质。

三

干式树脂变压器的绝缘与特性

干式变压器(这里指环氧树脂绝缘的变压器) 主要使用在具有较高防火要求的场所。如高层建筑、机场、油库等。

1、树脂绝缘的类型。

环氧树指绝缘的变压器根据制造工艺特点可分为环氧石英砂混合料真空浇注型、环氧无碱玻璃纤维补强真空压差浇注型和无碱玻璃纤维绕包浸渍型三种。

① 环氧石英砂混合料真空浇注绝缘。

这类变压器是以石英砂为环氧树脂的填充料，将经绝缘漆浸渍处理绕包好的线圈，放人线圈浇注模内，在真空条件下再用环氧树脂与石英砂的混合料滴灌浇注。由于浇注工艺难以满足质量要求，如残存的气泡、混合料的局部不均匀及可能导致局部热应力开裂等，这样绝缘的变压器不宜用于湿热环境和负荷变化较大的区域。

② 环氧无碱玻璃纤维补强真空压差浇注绝缘。

环氧无碱玻璃纤维补强是用无碱玻璃短纤维玻璃毡为绕组层间绝缘的外层绕包绝缘。其最外层的绝缘绕包厚度一般为1～3m的薄绝缘，经环氧树脂浇注料配比进行混合，并在高真空下除去气泡浇注，由于绕包绝缘的厚度较薄，当浸渍不良时易形成局部放电点，因此要求浇注料的混合要完全，真空除气泡要彻底，并掌握好浇注料的低粘度和浇注速度，以保证浇注过程中对线包浸渍的高质量。

③无碱玻璃纤维绕包浸渍绝缘。

无碱玻璃纤维绕包浸渍的变压器是在绕制变压器线圈的同时，完成线圈层间绝缘处理和线圈浸渍的，它不需要上述两种方式浸渍过程中的绕组成型模具，但要求树脂粘度小，在线圈绕制和浸渍的过程中树脂不应残留微小气泡。

2、树脂变压器的绝缘特点及维护。
树脂变压器的绝缘水平与油浸变压器相差并不显著，关键在于树脂变压器温升和局部放电这两项指标上。

① 树脂变压器的平均温升水平比油浸变压器高，因此，相应要求绝缘材料耐热的等级更高，但由于变压器的平均温升并不反映绕组中最热点部位的温度，当绝缘材料的耐热等级仅按平均温升选择，或选配不当，或树脂变压器长期过负荷运行，就会影响变压器的使用寿命。

由于变压器测量的温升往往不能反映变压器最热点部位的温度，因此，有条件时最好能在变压器最大负荷运行下，用红外测温仪检查树脂变压器的最热点部位，并有针对性地调整风扇冷却设备的方向和角度，控制变压器局部温升，保证变压器的安全运行。

② 树脂变压器局部放电量的大小与变压器的电场分布、树脂混合均匀度及是否残存气泡或树脂开裂等因素有关，局部放电量的大小影响树脂变压器的性能、质量及使用寿命。因此，对树脂变压器进行局部放电量的测量、验收，是对其工艺、质量的综合考核，在对树脂变压器交接验收及大修后应进行局部放电的测量试验，并根据局部放电是否变化，来评价其质量和性能的稳定性。

随着干式变压器越来越广泛的应用，在选择变压器的同时，应对其工艺结构、绝缘设计、绝缘配置了解清楚，选择生产工艺及质量保证体系完善、生产管理严格，技术性能可靠的产品，确保变压器的产品质量和耐热寿命，才能提高变压器的安全运行和供电可靠性。

四

影响变压器绝缘故障的主要因素

影响变压器绝缘性能的主要因素有：温度、湿度、油保护方式和过电压影响等。

1、温度的影响。

电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量有着不同的平衡关系曲线。一般情况下，温度升高，纸内水分要向泊中析出;反之，则纸要吸收油中水分。因此，当温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量较大;反之，微水含量就小。

温度不同时，使纤维素解环、断链并伴随气体产生的程度有所不同。在一定温度下，CO和CO₂的产生速度恒定，即油中CO和CO₂气体含量随时间呈线性关系。在温度不断升高时，CO和CO₂的产生速率往往呈指数规律增大。因此，油中CO和CO₂的含量与绝缘纸热老化有着直接的关系，并可将含量变化作为密封变压器中纸层有无异常的判据之一。

变压器的寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化又取决于运行的温度。如油浸变压器在额定负载下，绕组平均温升为65℃，最热点温升为78℃，若平均环境温度为20C，则最热点温度为98℃;在这个温度下，变压器可运行20—30年，若变压器超载运行，温度升高，促使寿命缩短。

国际电工委员会(1EC)认为A级绝缘的变压器在80～140C温度范围内，温度每增加6℃，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加一倍，这就是6℃法则，说明对热的限制已比过去认可的8℃法则更为严格。

2、湿度的影响。

水分的存在将加速纸纤维素降解。因此，CO和CO₂的产生与纤维素材料的含水量也有关。当湿度一定时，含水量越高，分解出的CO₂越多。反之，含水量越低，分解出的CO就越多。

绝缘油中的微量水分是影响绝缘特性的重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，介质损耗因数tg8增大，促进绝缘油老化，绝缘性能劣化。而设备受潮，不仅导致电力设备的运行可靠性和寿命降低，更可能导致设备损坏甚至危及人身安全。

3、油保护方式的影响。

变压器油中氧的作用会加速绝缘分解反应，而含氧量与油保护方式有关。另外，池保护方式不同，使CO和CO₂在油中解和扩散状况不同。如CO的溶解小，使开放式变压器CO易扩散至油面空间，因此，开放式变压器一般情况CO的体积分数不大于300x10-6。密封式变压器，由于油面与空气绝缘，使CO和CO₂不易挥发，所以其含量较高。

4、过电压的影响。

①暂态过电压的影响。

三相变压器正常运行产生的相、地间电压是相间电压的58%，但发生单相故障时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加30%，对中性点不接地系统将增加73%，因而可能损伤绝缘。

② 雷电过电压的影响。

雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘(匝问、并间、绝缘)上电压分布很不均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。

③ 操作过电压的影响。

由于操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似线性，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，约与这两个绕组间的匝数成正比，从而容易造成主绝缘或相间绝缘的劣化和损坏。

5、短路电动力的影响。

出口短路时的电动力可能会使变压器绕组变形、引线移位，从而改变了原有的绝缘距离，使绝缘发热，加速老化或受到损伤造成放电、拉弧及短路故障。

综上所述，掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，直接影响到变压器的安全运行、使用寿命和供电可靠性，电力变压器是电力系统中重要而关键的主设备，作为变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化合理的运行管理，才能保证电力变压器的使用效率、寿命和供电可靠性。