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(lèi)：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(kāi) 關(guān)絕緣事故。主要是指由于切換開(kāi)關(guān)油室內(nèi)油的絕緣強(qiáng)度嚴(yán)重下降， 在切換分接時(shí)不能滅弧，引起有載分接開(kāi)關(guān)燒毀。另外還有無(wú)勵(lì)磁分 接開(kāi)關(guān)和有載分接開(kāi)關(guān)裸露的導(dǎo)體之間放電，引起相間、相對(duì)地或級(jí) 間短路的事故。鐵心絕緣事故。一是指鐵心的硅鋼片對(duì)地絕緣損壞，引起鐵心多點(diǎn)接地。另一是指鐵心的框架連接點(diǎn)間的絕緣損壞 ,產(chǎn)生環(huán) 流引起局部過(guò)熱故

2、障。上述 4 類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度 分為作用電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)作用場(chǎng)強(qiáng)）和耐受電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)耐受場(chǎng) 強(qiáng)）。作用場(chǎng)強(qiáng)又可分為雷電沖擊作用場(chǎng)強(qiáng)、操作沖擊作用場(chǎng)強(qiáng)和工 頻作用場(chǎng)強(qiáng)。這三種類(lèi)型作用場(chǎng)強(qiáng)絕緣成分不同，各自的耐受場(chǎng)強(qiáng)也 不同。但其共同點(diǎn)是當(dāng)作用場(chǎng)強(qiáng)大于耐受場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生絕緣事 故。按作用場(chǎng)強(qiáng)和耐受場(chǎng)強(qiáng)的抗衡關(guān)系可分為 3種形勢(shì)：作用場(chǎng)強(qiáng) 過(guò)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(shí)出現(xiàn)作用場(chǎng)強(qiáng)高于變壓器本身的正常耐受場(chǎng)強(qiáng)，引起雷 擊損壞的絕緣事故

3、。此類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)過(guò)高加上耐受場(chǎng)強(qiáng)下降。例如變器在操 作時(shí)絕緣損壞，解體檢查發(fā)現(xiàn)絕緣有受潮現(xiàn)象。對(duì)油紙絕緣中的水 分，操作沖擊比雷電沖擊敏感，所以此類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)下降。例如變壓器正常運(yùn)行中 耐受場(chǎng)強(qiáng)下降，導(dǎo)致在正常工作電壓下突然發(fā)生絕緣事故。這類(lèi)絕緣 事故頻繁出現(xiàn)，占總的繞組絕緣事故的比率已超過(guò) 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(chēng)作突發(fā)式 事故，其特點(diǎn)是按現(xiàn)行的預(yù)防性規(guī)程進(jìn)行的預(yù)防性試驗(yàn)合格，其他在 線的監(jiān)測(cè)也未發(fā)現(xiàn)事故的預(yù)兆。但在正常運(yùn)行

4、條件下，變壓器內(nèi)部突 發(fā)絕緣擊穿事故，繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘。由于故障能量有大有小，或繼 電保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間有快有慢，因此變壓器損壞的嚴(yán)重程度大不相同。另一種稱(chēng)作垂危式故障。這種事故的特點(diǎn)是預(yù)防性試驗(yàn)的絕緣性能 試驗(yàn)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(rèn)與 在絕緣部分存在放電有關(guān)。于是停電進(jìn)行測(cè)量局部放電量的試驗(yàn)。試 驗(yàn)結(jié)果表明放電狀況異常，甚至在試驗(yàn)中就發(fā)生貫穿性擊穿。將局放 試驗(yàn)和其他試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(diǎn)。1.4 正常工作電壓下的絕緣事故實(shí)例國(guó)內(nèi)外變壓器都存在各種絕緣事故。在此列舉 10個(gè)有結(jié)論的代表 性事例：沿絕緣紙板

5、樹(shù)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?fù)螚l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(dǎo)線間的油角放電，引起 匝絕緣事故；沿銅排導(dǎo)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(gòu)都曾經(jīng)發(fā) 生過(guò)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(shí)的絕緣實(shí)際耐受強(qiáng)度 變壓器的

6、絕緣配合使用慣用法。絕緣耐受場(chǎng)強(qiáng)與其實(shí)際承受場(chǎng)強(qiáng) 的比值稱(chēng)為配合系數(shù)，或簡(jiǎn)稱(chēng)裕度。變壓器在正常狀態(tài)下絕緣的設(shè)計(jì) 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(shí) 卻再無(wú)裕度可言。舉例說(shuō)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(yīng)試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)，在正常運(yùn)行條件下，工作電壓僅為 127kV。但是有 多臺(tái)變壓器正是在127kV電壓下發(fā)生沿圍屏

7、樹(shù)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(yùn)行，調(diào)壓繞組有電壓卻無(wú)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(diǎn)的油道（墊 塊厚度）為8mm導(dǎo)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(shí)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(jí)間絕緣事故。類(lèi)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(shè)計(jì)裕度不足，而是因?yàn)榻^緣的耐受強(qiáng)度異乎尋常的降低。 這在分析絕緣事故時(shí)，必須首先予以關(guān)注。2.2 正常工作電壓下絕緣事故原因的幾種說(shuō)法（1）制造缺陷說(shuō)。絕緣事故的制造缺陷說(shuō)，又分“尖角手刺”

8、說(shuō)、“金屬異物”說(shuō)、“顆粒含量”說(shuō)以及“絕緣缺陷”說(shuō)等。所有 這些說(shuō)法集中到一點(diǎn)是對(duì)放電機(jī)理有共識(shí)，即認(rèn)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(shí) 有過(guò)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(lèi)變壓器已運(yùn)行 20 多年，有問(wèn)題早應(yīng)暴露。如果至今尚 未暴露，說(shuō)明實(shí)際上已不再存在這類(lèi)缺陷。 20世紀(jì) 80年代起， 220kV 及以上電壓等級(jí)的變壓器都進(jìn)行了局放試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)表明，局放試驗(yàn)對(duì) 發(fā)現(xiàn)上述種種缺陷是特別有效的。因此對(duì)于出廠時(shí)局放試驗(yàn)合格的變 壓器，尤其是安裝或檢修后還進(jìn)行過(guò)局放試驗(yàn)的變壓器，一般不會(huì)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(shuō)。我國(guó)曾經(jīng)有幾臺(tái)變壓器，由于油道堵塞，匝絕 緣局部過(guò)熱，引起在正常工作電壓下的匝絕緣事故。實(shí)際上這是局部 過(guò)熱事故。油中氣體色譜分析對(duì)這類(lèi)事故是能鑒定的。值得注意的事實(shí)是我國(guó)的大型電力變壓器都是全密封結(jié)構(gòu)，運(yùn)行 年代不長(zhǎng)，部分長(zhǎng)年輕載，因此一般不存在絕緣老化的問(wèn)題。如果由 于絕緣老化引起絕緣事故，應(yīng)有明顯的老化象征。對(duì)因絕緣事故解體 檢修的多臺(tái)變壓器，曾針對(duì)老化程度進(jìn)行檢查，都沒(méi)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(yīng)排除其可能性。（3）油流帶電說(shuō)。對(duì)于強(qiáng)油循環(huán)的大型電力變壓器，在油泵開(kāi)動(dòng) 的情況下測(cè)量繞組的電位和泄放

10、電流時(shí)，繞組電位高的可達(dá)幾千伏， 泄放電流大的超過(guò)微安級(jí)。說(shuō)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(chēng)作油流起電。但油流起電不等于“油流帶 電”（通常所說(shuō)的油流帶電，實(shí)際指的是油流起電后引起油中放電。 以下改稱(chēng)油流放電）。油流放電時(shí)在油中產(chǎn)生間歇性的電火花，局部 放電測(cè)量?jī)x可以收到信號(hào)，甚至耳朵可以聽(tīng)到聲響。持續(xù)的油流放電 將引起油中出現(xiàn)C2H2此時(shí)應(yīng)視為一種故障。需要說(shuō)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(gè)別變壓器在運(yùn)行中發(fā)生油流放電，少開(kāi)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(jué)和處理。所以至今 雖有多起油流放電的事例，但并沒(méi)有引起過(guò)絕緣事故。如果認(rèn)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(duì)事故變壓器 （事故后油未流失）或同類(lèi)型變壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證，則不宜判定事故原因。（4）快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO說(shuō)。VFTO說(shuō)認(rèn)為由于SF6的滅弧 性能特別強(qiáng)，在GIS中隔離開(kāi)關(guān)操作或?qū)Φ胤烹姇?huì)產(chǎn)生非常高頻率的 瞬變過(guò)電壓，這種過(guò)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(guò)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(shuō)法似乎合乎邏輯，但沒(méi)有回答以下實(shí)際問(wèn)題：大型

12、 電力變壓器都有專(zhuān)用的無(wú)間隙氧化鋅避雷器保護(hù)，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(cè)量是非常困難的，至今并未獲得真實(shí)的波形，而只是按 設(shè)想的數(shù)學(xué)模型取得計(jì)算結(jié)果。即使如此，所得結(jié)果仍認(rèn)為，VFTC引起匝絕緣事故的可能性不大。（5）廣義受潮說(shuō)。廣義受潮說(shuō)認(rèn)為運(yùn)行中變壓器內(nèi)部的水分是運(yùn) 動(dòng)的，不停地遷移和集積，在高電場(chǎng)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(rèn)為，應(yīng)該把注意力放在研究廣義受潮說(shuō)上，因此以下將著 重對(duì)此進(jìn)行討論。

13、2.3 水分對(duì)油絕緣的危害性2.3.1 變壓器內(nèi)水分的動(dòng)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(dòng)而運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)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(chēng)之為準(zhǔn)自由水。紙絕緣中準(zhǔn)自由水含量以百分率計(jì)，而油中自由水 以百萬(wàn)分率計(jì)，準(zhǔn)自由水的含量比自由水要大。例如，設(shè)紙絕緣與油 的比例為 1 比 10，當(dāng)紙絕緣中準(zhǔn)自由水為 0.5%時(shí)，油中自由水為 10mg/L,準(zhǔn)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(zhǔn)自由水的含量則 隨溫度的升高而下降。變壓器在運(yùn)行中紙絕緣和油中的水分不

14、停地進(jìn) 行交換。變壓器在運(yùn)行中油在不停地循環(huán)，變壓器內(nèi)的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)是不 均勻的。在高電場(chǎng)處和低溫處容易集積水分。因此隨著變壓器運(yùn)行時(shí) 間的延伸，水分在絕緣上的分布越來(lái)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(guān)，對(duì)于既定的含水量，則 取決于水分的吸引力和擴(kuò)散力的較量。溫度對(duì)水分的集積有驅(qū)散作 用，而電場(chǎng)強(qiáng)度、紙纖維的極性對(duì)水分有顯著的吸引力。所以，對(duì)于 自由水和準(zhǔn)自由水含量高的變壓器，水分可能在高電場(chǎng)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(shū)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(yùn)行中變壓器的實(shí)際狀況的。通常見(jiàn)到侵入變壓器內(nèi) 部的水分

15、才認(rèn)為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮的要領(lǐng)出 發(fā)，變壓器實(shí)際受潮形態(tài)可分為二類(lèi)：（1）顯性受潮。顯性受潮是指通常所說(shuō)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(jìn)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(shí)對(duì)絕緣并無(wú)危害。但當(dāng)水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡 透，則必然導(dǎo)致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機(jī)理屬于熱擊穿， 即在局部絕緣中流過(guò)傳導(dǎo)電流，焦?fàn)枱崾辜埥^緣炭化后發(fā)展成貫穿性 放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導(dǎo)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(shí)， 先開(kāi)始局部放電。局部放電產(chǎn)生氣體，使放電進(jìn)一步發(fā)展。但氣體的 產(chǎn)生和擴(kuò)散是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)產(chǎn)氣量大于擴(kuò)散量，局部放電持續(xù)進(jìn) 行，很快發(fā)展成貫穿性擊穿。如果產(chǎn)氣量小于擴(kuò)散量，則局部放電暫 時(shí)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(shí)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(duì)于局部放電發(fā)展空 間有限的場(chǎng)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(dǎo)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(dāng)?shù)脑诰€檢測(cè)技術(shù)，有可能發(fā)覺(jué)和防御突 發(fā)事故。但對(duì)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(zhǔn)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(yùn)行 4 個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)采取相應(yīng)措施。3.1 制造措施（1）變壓器的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，力求工作場(chǎng)強(qiáng)均勻分布，而且 盡可能的低。例如，匝間工作場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)小于 0.5%，即達(dá)到基本上不含自由水的程度。（3）嚴(yán)格進(jìn)行真空注油。注油時(shí)變壓器內(nèi)可能與油接觸的任何部 分吸附的水分都應(yīng)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(guò)程中，不可能不接觸大氣，因此絕緣體和金屬表 面都會(huì)吸附大氣中的水分。為了使變壓器內(nèi)部的水分恢復(fù)到出廠時(shí)的 水平，變壓器安裝后必須嚴(yán)格進(jìn)行真空干燥和真空注油。要點(diǎn)如下：（1）用于抽真空的真空系統(tǒng)（包括真空泵、管道、閥門(mén)和表計(jì)） 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(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)檢查和處理滲漏。當(dāng)真空度達(dá)到 實(shí)際可能的最高水平（對(duì)最高水平的最低要求不應(yīng)小于133Pa）后，必須在真空泵繼續(xù)運(yùn)行的條件下保持此真空度（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài)保持）。（ 4）真空的動(dòng)態(tài)保持時(shí)間應(yīng)不少于水分滲

19、入時(shí)間。滲入時(shí)間是指 開(kāi)始與大氣接觸到與大氣隔絕的全過(guò)程時(shí)間。此過(guò)程包括打開(kāi)封板， 進(jìn)行排油或排氮?dú)猓ɑ蚋稍锟諝猓r(shí)直接進(jìn)入大氣的時(shí)間，還包括在 油箱內(nèi)封存大氣的時(shí)間。在此必須強(qiáng)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?dú)猓ɑ蚋稍锟諝猓粌H不能起到 清除水分的作用，反而會(huì)將表面水分往深層趕，為常溫下進(jìn)行真空脫 水增加了困難。（ 5）在動(dòng)態(tài)保持真空度的條件下，用真空濾油機(jī)注入合格的油。 油中含水量應(yīng)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(lái)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(dāng)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)的水分比剛投運(yùn)時(shí)有明顯增多時(shí)，應(yīng)看作特別重 要的狀態(tài)指標(biāo)，必須作為狀態(tài)檢修的