变压器不良工况分析及应对措施研究

南方电网德宏供电局 李文杰 杨建伟 田大伟 谢尚东 何顺全

前言

在电力系统中电力变压器一直是最核心的元器件，发挥着重要的作用，其良好运行状态一方面有利于变电站的安全运行，另一方面还能有效促进其自身经济寿命的良好发展。通常情况下，电力变压器的安全稳定运行天数是变电站运维水平衡量的重要参考指标，其安全稳定运行的天数越久，相应的电能质量也就越好[1]。现如今，电力对人们的日常生活影响越来越深，同时伴随带来的就是人们对电能质量的要求不断提升。将输送稳定高质量的电能作为长期坚持的奋斗目标，这就要求对电力变压器进行定期的全面细致的维护与检修，确保其能长期稳定安全运行。

当降压变电站中低压侧发生不良工况，变压器会在短路电流的冲击下跳闸。相比于正常情况下，此时流经中压和低压绕组的电流是其好几倍之多，导致在其绕组附近出现极大的交变磁场。因此，短路冲击对变压器绕组具有严重影响，生产工艺不达标的变压器在短路冲击下极易损坏。除此之外，变压器内部绕组绝缘的变化，还会受到因短路电流产生的绕组所受安培力的影响[2]。一旦因受短路冲击导致了变压器的绕组塌陷，其维修将会花费巨大。因此，除选择使用质量优良的变压器外，还应定期严格进行变压器的维护与检修工作，在维护与检修的过程中细致认真确保其运行状态的安全稳定。

通常情况下，除了短路电流的冲击这一导致变压器不良工况的主要原因外，其他一些如过负荷、过电压、过励磁等也会同样使电网遭受不良冲击。在这些众多因素中大部分都是受电网中的一次电气设备的影响，但其产生的原因、影响位置与影响效果各不相同。因此，进行分析变压器的不良工况时，必须追溯到源头进行准确深入的了解分析并采取有效的解决措施[3]。

1 变压器外部短路产生原因及影响

一般情况下，根据电力变压器本体对电压器故障进行划分，可分为内部故障和外部故障[4]。前者主要是指变压器绕组间、单项匝间短路以及变压器绕组与壳体间的短路等方面的故障，而外部故障通常包括变压器油箱套管闪络渗漏油、引出线接头发热等外部因素。

为考虑用户进行简单理解分析，有时也按故障回路的不同进行分类，可分为变压器的电路故障、磁路故障和油路故障三个方面。其中变压器的进出口短路就属于电路故障一类。相关数据资料显示，近10年来在宁夏吴忠电网的110kV～220kV 变压器发生的电路故障，可划分为三类：由电力线路单相接地、相间短路造成的；由电力变压器间隔中的电流互感器极性接线错误造成的；因电力变压器出线套管绝缘不合格导致变压器绝缘闪络造成的。

一般对110kV 变电站变压器来说，变压器进出口短路故障是其跳闸的最常见缘由。近年来，变压器近区还有出口短路故障的发生日益增多，通过大量的模拟实验、现场考察与故障分析最终发现，这是由于季节原因田间小动物活动频繁、一些小动物钻进开关柜内造成相间短路引起跳闸。其中，进出口短路故障对电力变压器的危害通常体现在两方面：

降低变压器内部绕组机械性能。变压器内部绕组在其受到短路电流冲击时，无法承受短路电流所带来的巨大冲击，造成变压器内部不同程度的损坏，比较常见的情况有绕组鼓包、扭曲甚至整体位移等。如甘肃张掖市某台正常投入使用的变压器，在遭受了某次低压侧短路电流冲击后并未出现问题，但当投入运行不久后经历又一次短路电流冲击后，其中压、低压绕组发生大面积坍塌，并且造成了变压器整体无法修复的严重后果。

改变电力变压器绝缘距离以及损害其固体绝缘。在故障发生之后会改变绝缘结构，极易引起变压器发生小范围的放电，并且当电网中的过电压作用在变压器上时，还将引起短路使变压器内部局部的绝缘被击穿的严重后果。除此之外，如果没有对内部已存在小面积的局部放电及时发现并引起重视，同时进行绝缘波纹纸的及时更换，那么这部分的面积将日益扩大，发展到最后即使不受不良工况的影响，变压器的内部也会因为波纹纸的破裂而发生局部放电。在部分高耗能工厂此种现象最为常见，由于变压器长时间的持续工作没有定期及时的进行细致的检修工作，并未察觉变压器内部的绝缘使用和受损的情况。检修工作通常包括观察绝缘波纹纸是否变色和绝缘油的色谱试验是否合格等，通过全面细致的检修工作能够在很大程度上降低变压器内部发生局部放电的概率。

2 变压器过负荷产生原因及影响

众所周知，在电力系统中所说的变压器负荷，往往使指随时间改变不断发生变化的变压器的电流大小[5]。一般来说，变压器过负荷往往发生在用电高峰期，超出变压器所能承受的最大范围，除此之外也可能是几台并列运行的变压器中，某一台发生故障或者需要临时检修，同样极易发生变压器过负荷。

总体而言，许多因素都会导致变压器的绝缘老化，例如变压器绝缘油中的微水含量、氧化剂超标或其有色谱试验不合格，还有绝缘油和绕组过热等许多方面。在这些影响因素中，绕组和绝缘油温度、绝缘油中微水含量、氧化剂种类和含量与变压器绝缘老化的程度均为正相关，这些影响因素越高其绝缘老化的程度就将越严重。变压器的运行状态受其绝缘的老化程度的直接影响，变压器的绝缘老化将会增加变压器的负载损耗，减少其经济寿命等。

变压器过励磁，指的是当变压器在电压上升或频率降低时，引起的工作磁通密度加大时铁芯磁通达到饱和的情况。下列情况均会引起变压器过励磁：电网因故解列后，部分电网因甩负荷过电压，变压器分接头连接不当，铁磁谐振过电压，发电机频率未达额定值，长线路末端带空载变压器等一系列情况；变压器过励磁时，不但会使铁损增加，另一方面还会导致漏磁通迅速增加。此时，漏磁通引起的涡流损耗也随之相应增加，一旦超过其能承受的范围造成温升过高时，就会导致严重的变压器绝缘损坏。

3 变压器侵入波产生原因及影响

在变压器实际运行过程中，除了必须承受的工作电压外，还会时常受到雷电等外界因素所带来的冲击过电压的影响[6]。对变电站来说其雷电危害主要归纳为两个方面：一方面是站内直击雷带来的危害，即因雷电直击到变电站导致的站内设备损坏；另一种是雷电侵入波危害，即雷击到输电线路或杆塔上、避雷线上等位置时，不会直接造成设备的损害，但其产生的雷电波造成雷电过电压从而间接的造成设备绝缘方面的损害。

相关数据显示，尽管我国是雷电多发地区，但总体而言，只要是采取了正确的避雷措施，例如安装避雷针、避雷线和接地装置等，其站内因受到雷电直击而造成严重损害的概率极低，因雷击对变压器造成损害的原因中受雷电波影响的占绝大部分。雷电侵入波会使变压器绕组内部产生复杂的电磁振荡过程，并且产生相对较高的过电压。一般来说，变压器绕组的主、纵绝缘均采用油纸复合绝缘结构。其冲击耐受强度直接影响到变压器的使用寿命。相关数据资料显示，绕组绝缘的失效是导致相应的变压器绝缘失效的最主要的原因。

变压器油本质是一种石油的分馏产物，成分为包含烷烃、芳香烃等碳氢化合物的混合物，其最主要的作用之一便是绝缘，在一定程度上能极大提高变压器的绝缘性能并防止其受潮。变压器通常采用油-纸复合绝缘结构，纤维素是绝缘纸的主要成分，属于线型高分子化合物。其每个链接中含三个羟基化学基团，长链间由氢键相链接。站在化学分子的角度，因氢键的特性使得纤维素的强度和弹性较好，因此其具备良好的机械性能。然而，由于电或热故障导致部分化学键的断裂使变压器油劣化，随之产生水分和低分子烃类气体等极性产物，将会在很大程度上提升绝缘材料的介电常数和极化损耗程度，这两项指标的大小是其绝缘性能的直接反映。近年来，世界各国均不断重视对变压器油纸绝缘性能的研究，其中取得了较为显著研究成果的为击穿强度、热老化和介电性能等方面。