變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故

1、變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故變壓器的絕緣事故一般分為以下 4類：繞組絕緣事故。指主絕 緣、匝絕緣、段間絕緣、引線絕緣以及端絕緣等放電、燒損引起的絕 緣事故。套管絕緣事故。指套管內(nèi)部絕緣放電引起絕緣損壞，甚至 瓷套爆炸。還包括套管外絕緣的沿面放電和空氣間隙擊穿。分接開 關絕緣事故。主要是指由于切換開關油室內(nèi)油的絕緣強度嚴重下降， 在切換分接時不能滅弧，引起有載分接開關燒毀。另外還有無勵磁分 接開關和有載分接開關裸露的導體之間放電，引起相間、相對地或級 間短路的事故。鐵心絕緣事故。一是指鐵心的硅鋼片對地絕緣損壞，引起鐵心多點接地。另一是指鐵心的框架連接點間的絕緣損壞 ,產(chǎn)生環(huán) 流引起局部過熱故

2、障。上述 4 類事故中，繞組絕緣事故的危害最大。1.2 變壓器絕緣事故的根本原因 為分析變壓器絕緣事故的根本原因，把作用在絕緣上的電場強度 分為作用電場強度（簡稱作用場強）和耐受電場強度（簡稱耐受場 強）。作用場強又可分為雷電沖擊作用場強、操作沖擊作用場強和工 頻作用場強。這三種類型作用場強絕緣成分不同，各自的耐受場強也 不同。但其共同點是當作用場強大于耐受場強時，就會發(fā)生絕緣事 故。按作用場強和耐受場強的抗衡關系可分為 3種形勢：作用場強 過高。例如110kV和220kV降壓變壓器的第三繞組（10kV或35kV繞 組）在雷擊時出現(xiàn)作用場強高于變壓器本身的正常耐受場強，引起雷 擊損壞的絕緣事故

3、。此類事故每年都有發(fā)生，約占總的繞組絕緣事故 比率的百分之幾。作用場強過高加上耐受場強下降。例如變器在操 作時絕緣損壞，解體檢查發(fā)現(xiàn)絕緣有受潮現(xiàn)象。對油紙絕緣中的水 分，操作沖擊比雷電沖擊敏感，所以此類事故不多，約占總的繞組絕 緣事故的比率的千分之幾。耐受場強下降。例如變壓器正常運行中 耐受場強下降，導致在正常工作電壓下突然發(fā)生絕緣事故。這類絕緣 事故頻繁出現(xiàn)，占總的繞組絕緣事故的比率已超過 90%。1.3 正常工作電壓下絕緣事故的方式正常工作電壓下出現(xiàn)的絕緣事故有 2種方式：一種稱作突發(fā)式 事故，其特點是按現(xiàn)行的預防性規(guī)程進行的預防性試驗合格，其他在 線的監(jiān)測也未發(fā)現(xiàn)事故的預兆。但在正常運行

4、條件下，變壓器內(nèi)部突 發(fā)絕緣擊穿事故，繼電保護動作跳閘。由于故障能量有大有小，或繼 電保護動作的時間有快有慢，因此變壓器損壞的嚴重程度大不相同。另一種稱作垂危式故障。這種事故的特點是預防性試驗的絕緣性能 試驗合格，但從油中溶解氣體的色譜分析中發(fā)現(xiàn)乙炔。經(jīng)分析確認與 在絕緣部分存在放電有關。于是停電進行測量局部放電量的試驗。試 驗結(jié)果表明放電狀況異常，甚至在試驗中就發(fā)生貫穿性擊穿。將局放 試驗和其他試驗結(jié)果進行綜合分析，可以作出正確診斷，解體后可以 找到絕緣發(fā)生不可逆損壞的故障點。1.4 正常工作電壓下的絕緣事故實例國內(nèi)外變壓器都存在各種絕緣事故。在此列舉 10個有結(jié)論的代表 性事例：沿絕緣紙板

5、樹枝狀放電，引起的主絕緣事故；沿角環(huán)夾層放 電，引起的主絕緣事故；沿撐條爬電，引起的縱絕緣事故；沿墊 塊表面爬電，弓I起段間絕緣事故；墊塊與導線間的油角放電，引起 匝絕緣事故；沿銅排導線支架爬電，弓I起的相間短路事故；匝絕 緣直接擊穿，引起匝絕緣或段間絕緣事故；繞組出線紙包絕緣擊 穿，引起出線絕緣事故；分接引線紙包絕緣擊穿，引起分接引線絕 緣事故；套管的下瓷套沿面放電，引起瓷套崩裂事故。僅就以上列舉的事例可以看出，變壓器的每種絕緣結(jié)構都曾經(jīng)發(fā) 生過絕緣事故，而且其中大多數(shù)是在正常工作電壓下發(fā)生。2正常工作電壓下的絕緣事故的原因分析2.1 正常工作電壓下發(fā)生絕緣事故時的絕緣實際耐受強度 變壓器的

6、絕緣配合使用慣用法。絕緣耐受場強與其實際承受場強 的比值稱為配合系數(shù)，或簡稱裕度。變壓器在正常狀態(tài)下絕緣的設計 裕度是足夠大的，例如匝絕緣在工作電壓下的裕度大于 10，但事故時 卻再無裕度可言。舉例說明如下：（1）220kV變壓器使用1.95mm匝絕緣，正常狀態(tài)下的平均工頻擊 穿電壓為60kV,正常工作電壓下加在匝絕緣上的電壓小于 4kV。但在 正常工作電壓下卻頻繁發(fā)生匝絕緣擊穿事故。（2）220kV變壓器，感 應試驗電壓為395kV,雷電沖擊波為950kV,都能在留有潛在裕度的條 件下順利通過試驗，在正常運行條件下，工作電壓僅為 127kV。但是有 多臺變壓器正是在127kV電壓下發(fā)生沿圍屏

7、樹枝狀爬電，發(fā)展成貫穿 性擊穿后形成主絕緣事故。（3）某調(diào)壓變壓器在額定分接運行，調(diào)壓繞組有電壓卻無電流， 溫度較低。在正常工作電壓下調(diào)壓繞組發(fā)生事故，事故點的油道（墊 塊厚度）為8mm導線的匝絕緣為1.95mm正常情況下工頻1min平均 擊穿電壓大于85kV，事故時墊塊兩側(cè)的電壓為 5560V,沿墊塊爬電， 引起調(diào)壓繞組發(fā)生級間絕緣事故。類似例子不勝枚舉，總之變壓器在正常工作電壓下發(fā)生絕緣事 故，并非設計裕度不足，而是因為絕緣的耐受強度異乎尋常的降低。 這在分析絕緣事故時，必須首先予以關注。2.2 正常工作電壓下絕緣事故原因的幾種說法（1）制造缺陷說。絕緣事故的制造缺陷說，又分“尖角手刺”

8、說、“金屬異物”說、“顆粒含量”說以及“絕緣缺陷”說等。所有 這些說法集中到一點是對放電機理有共識，即認為先發(fā)生局部放電， 然后在正常工作電壓下引起絕緣擊穿事故。早先的老舊變壓器，確實 有過上述種種原因引起正常工作電壓下的絕緣事故。但就大型電力變 壓器而言，這類變壓器已運行 20 多年，有問題早應暴露。如果至今尚 未暴露，說明實際上已不再存在這類缺陷。 20世紀 80年代起， 220kV 及以上電壓等級的變壓器都進行了局放試驗。經(jīng)驗表明，局放試驗對 發(fā)現(xiàn)上述種種缺陷是特別有效的。因此對于出廠時局放試驗合格的變 壓器，尤其是安裝或檢修后還進行過局放試驗的變壓器，一般不會存 在正常工作電壓下引起絕

9、緣事故的制造缺陷。（2）絕緣老化說。我國曾經(jīng)有幾臺變壓器，由于油道堵塞，匝絕 緣局部過熱，引起在正常工作電壓下的匝絕緣事故。實際上這是局部 過熱事故。油中氣體色譜分析對這類事故是能鑒定的。值得注意的事實是我國的大型電力變壓器都是全密封結(jié)構，運行 年代不長，部分長年輕載，因此一般不存在絕緣老化的問題。如果由 于絕緣老化引起絕緣事故，應有明顯的老化象征。對因絕緣事故解體 檢修的多臺變壓器，曾針對老化程度進行檢查，都沒有從老化現(xiàn)象中 找到事故證據(jù)。絕緣老化現(xiàn)象是具體和明顯的，有證據(jù)才能成立，否 則應排除其可能性。（3）油流帶電說。對于強油循環(huán)的大型電力變壓器，在油泵開動 的情況下測量繞組的電位和泄放

10、電流時，繞組電位高的可達幾千伏， 泄放電流大的超過微安級。說明油流和固體絕緣摩擦必然要產(chǎn)生靜 電，只是量的多少而已，稱作油流起電。但油流起電不等于“油流帶 電”（通常所說的油流帶電，實際指的是油流起電后引起油中放電。 以下改稱油流放電）。油流放電時在油中產(chǎn)生間歇性的電火花，局部 放電測量儀可以收到信號，甚至耳朵可以聽到聲響。持續(xù)的油流放電 將引起油中出現(xiàn)C2H2此時應視為一種故障。需要說明的是由油流起 電發(fā)展到油流放電是有條件的，一方面是要有足夠的電量，另一方面 是要形成放電的通道。個別變壓器在運行中發(fā)生油流放電，少開冷卻 器或?qū)?nèi)部靜電清理后就不再放電了。油流放電一般發(fā)生在繞組下 部，該處電

11、位較低，而且一旦發(fā)生放電，易于發(fā)覺和處理。所以至今 雖有多起油流放電的事例，但并沒有引起過絕緣事故。如果認為某次 工作電壓下突發(fā)的絕緣事故是油流放電引起的，可以對事故變壓器 （事故后油未流失）或同類型變壓進行試驗驗證。如果事前未發(fā)現(xiàn)油 流放電現(xiàn)象，事后又未經(jīng)試驗驗證，則不宜判定事故原因。（4）快速暫態(tài)過電壓（VFTO說。VFTO說認為由于SF6的滅弧 性能特別強，在GIS中隔離開關操作或?qū)Φ胤烹姇a(chǎn)生非常高頻率的 瞬變過電壓，這種過電壓脈沖傳輸?shù)阶儔浩髟呀^緣上引起共振，在局 部絕緣上出現(xiàn)過電壓，多次積累作用引起在正常工作電壓下發(fā)生匝絕 緣事故。這種說法似乎合乎邏輯，但沒有回答以下實際問題：大型

12、 電力變壓器都有專用的無間隙氧化鋅避雷器保護，而且變壓器的入口 電容是很大的。入波幾經(jīng)衰減之后，在變壓器繞組的絕緣上出現(xiàn)的VFTO畐值還有多高？油浸變壓器的油絕緣有顯著的伏秒特性。VFTO的能量是否足以引起油絕緣的不可逆損傷？VFTO勺測量是非常困難的，至今并未獲得真實的波形，而只是按 設想的數(shù)學模型取得計算結(jié)果。即使如此，所得結(jié)果仍認為，VFTC引起匝絕緣事故的可能性不大。（5）廣義受潮說。廣義受潮說認為運行中變壓器內(nèi)部的水分是運 動的，不停地遷移和集積，在高電場區(qū)域集積一定水分之后，便在正 常工作電壓下迸發(fā)絕緣事故。作者認為，應該把注意力放在研究廣義受潮說上，因此以下將著 重對此進行討論。

13、2.3 水分對油絕緣的危害性2.3.1 變壓器內(nèi)水分的動態(tài)特性 變壓器內(nèi)部的水分有兩種存在狀態(tài)，一種是受束縛的，一種是自 由的。溶解于油中的水分可以隨油流動而運動，稱之為自由水。物理 性吸附于固體絕緣和金屬表面的水分，可以溶解到油中成為自由水， 稱之為準自由水。紙絕緣中準自由水含量以百分率計，而油中自由水 以百萬分率計，準自由水的含量比自由水要大。例如，設紙絕緣與油 的比例為 1 比 10，當紙絕緣中準自由水為 0.5%時，油中自由水為 10mg/L,準自由水比自由水就要多 50倍。油中自由水的含量隨溫度的升高而增加，紙中準自由水的含量則 隨溫度的升高而下降。變壓器在運行中紙絕緣和油中的水分不

14、停地進 行交換。變壓器在運行中油在不停地循環(huán)，變壓器內(nèi)的電場和溫度場是不 均勻的。在高電場處和低溫處容易集積水分。因此隨著變壓器運行時 間的延伸，水分在絕緣上的分布越來越不均勻，以致形成水分的局部 集積。水分局部集積的程度首先與含水量有關，對于既定的含水量，則 取決于水分的吸引力和擴散力的較量。溫度對水分的集積有驅(qū)散作 用，而電場強度、紙纖維的極性對水分有顯著的吸引力。所以，對于 自由水和準自由水含量高的變壓器，水分可能在高電場區(qū)域局部集積 到足以引起絕緣事故的程度。特別指出，許多書本和文章引用的一組油紙絕緣中水分靜態(tài)平衡 曲線，是不符合運行中變壓器的實際狀況的。通常見到侵入變壓器內(nèi) 部的水分

15、才認為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮的要領出 發(fā)，變壓器實際受潮形態(tài)可分為二類：（1）顯性受潮。顯性受潮是指通常所說的“變壓器受潮”。即看 到油箱底部或器身上有積水，并且能發(fā)現(xiàn)水分入侵的原因或途徑。顯性受潮進入變壓器的水量一般都比較多，如果直接沉淀在油箱 底部，暫時對絕緣并無危害。但當水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡 透，則必然導致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機理屬于熱擊穿， 即在局部絕緣中流過傳導電流，焦爾熱使紙絕緣炭化后發(fā)展成貫穿性 放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導體可能發(fā)生熔化。（2）隱性受潮。隱性受潮是指事故前并未發(fā)生水分入侵，只是原 有水分悄悄地在絕緣上局部集積。水分集積到足以

16、產(chǎn)生局部放電時， 先開始局部放電。局部放電產(chǎn)生氣體，使放電進一步發(fā)展。但氣體的 產(chǎn)生和擴散是一個動態(tài)過程。當產(chǎn)氣量大于擴散量，局部放電持續(xù)進 行，很快發(fā)展成貫穿性擊穿。如果產(chǎn)氣量小于擴散量，則局部放電暫 時停歇，待水分再次集積，或選擇其他途徑再次發(fā)生局部放電。其間 歇的時間因放電部位的狀況不同而差別很大，有的甚至可以停歇幾 年。沿紙板的枝狀放電是這種放電形態(tài)的典型。對于局部放電發(fā)展空 間有限的場合，例如匝間絕緣下部與墊塊間的油角中集積水分，一旦 發(fā)生局部放電，將很快導致匝絕緣或段間（餅間）絕緣擊穿，形成突 發(fā)性絕緣事故。前者使用適當?shù)脑诰€檢測技術，有可能發(fā)覺和防御突 發(fā)事故。但對于后者，必須采

17、取積極的防御措施，防止自由水的局部 集積。3 防御措施防止變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故，一是要限制自由水和 準自由水的含量，二是限制自由水的局部集積。從制造、安裝、檢修 和運行 4 個環(huán)節(jié)都應采取相應措施。3.1 制造措施（1）變壓器的內(nèi)絕緣結(jié)構設計時，力求工作場強均勻分布，而且 盡可能的低。例如，匝間工作場強不宜大于 2kV/mm。（2）變壓器真空干燥（最好采用煤油氣相干燥）后，固體絕緣中 的含水量應小于 0.5%，即達到基本上不含自由水的程度。（3）嚴格進行真空注油。注油時變壓器內(nèi)可能與油接觸的任何部 分吸附的水分都應被清除。注入油的含水量必須小于 10mg/L。3.2 安裝措施 變壓

18、器在安裝過程中，不可能不接觸大氣，因此絕緣體和金屬表 面都會吸附大氣中的水分。為了使變壓器內(nèi)部的水分恢復到出廠時的 水平，變壓器安裝后必須嚴格進行真空干燥和真空注油。要點如下：（1）用于抽真空的真空系統(tǒng)（包括真空泵、管道、閥門和表計） 的極限真空度必須小于 10Pa。（2）所有將與油接觸的絕緣體和金屬表面（包括片式散熱器）或 其他固體表面（例如下瓷套）均要在抽真空的范圍之內(nèi)。（3）在抽真空的過程中，應隨時檢查和處理滲漏。當真空度達到 實際可能的最高水平（對最高水平的最低要求不應小于133Pa）后，必須在真空泵繼續(xù)運行的條件下保持此真空度（簡稱動態(tài)保持）。（ 4）真空的動態(tài)保持時間應不少于水分滲

19、入時間。滲入時間是指 開始與大氣接觸到與大氣隔絕的全過程時間。此過程包括打開封板， 進行排油或排氮氣（或干燥空氣）時直接進入大氣的時間，還包括在 油箱內(nèi)封存大氣的時間。在此必須強調(diào)指出，器身在大氣中暴露后，不用抽真空的辦法清 除表面吸附水分，就注油或打入氮氣（或干燥空氣），不僅不能起到 清除水分的作用，反而會將表面水分往深層趕，為常溫下進行真空脫 水增加了困難。（ 5）在動態(tài)保持真空度的條件下，用真空濾油機注入合格的油。 油中含水量應小于 10mg/L。必須指出，如果注入油的含水量較高，利用熱油循環(huán)的辦法來降 低油中水分，其結(jié)果是大部分的水分被紙絕緣吸收，增加了紙絕緣的 含水量，這是自欺欺人的行為。3.3 檢修措施 當發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)的水分比剛投運時有明顯增多時，應看作特別重 要的狀態(tài)指標，必須作為狀態(tài)檢修的