变压器故障诊断方法研究

贾武军，李 英，李 强

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000）

变压器是电力系统及其自动化中最重要的电气自动化主设备之一。随着时间的推移和电网系统的发展，超大容量、规模较大的电网系统的建设，变压器在整个电网系统中扮演着搬运工的角色，促进发电和用户之间的能量转移。随着循环流化床汽轮发电机组的并网发电、泛在电力物联网高压输电线路的建设以及区域电网系统之间的紧密连接，规模较大的电力变压器的重要性和地位也日益凸显。因此，进一步提高电力变压器的损坏稳定性、可靠性和机体的协调能力具有重要意义，可以保证整个电力系统的绝对安全和稳定运行。

变压器按用途可以分为配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、箱式变电器试验变压器、转角变压器、大电流变压器及励磁变压器等。

1 电力变压器运行中常见故障

电力变压器的异常工作类型及故障原因分析一般有以下几种：①电力变压器在生产、出厂时的产品质量控制不好。②选型不合理造成非晶合金变压器加速老化。电力变压器的平均使用寿命约为18 a，远低于通用标准电力变压器的正常使用寿命（35～40 a）。③线路连接设置不当造成的信号干扰，线路连接干扰是电力变压器运行异常的一方面。此外，因天气原因造成的运行异常也很常见。④运行严重超载。电源变压器长期在远高于正常电压和电流的有功功率下工作，会缩短电源变压器的使用寿命，加速电源变压器电路元件的老化。⑤电力变压器尚无半年度运行维护及信息管理计划。⑥电力变压器周围环境的影响。

1.1 绕组故障

绕组故障指电力变压器定子绕组及电缆绝缘运行异常。一方面，电力变压器电缆绝缘老化，电力变压器内部定子绕组受潮，定子绕组工作不正常，或者是系统的短路，导致绕组出现机械损伤，冲击电流导致绕组出现机械损伤等。绕组故障又可以分为匝间短路故障，相间短路及股间短路故障这3 种类型。

1.1.1 匝间短路故障

发生匝间短路故障的因素有多种。初级线圈本来能够制造的时候却没有误操作，造成电缆匝间绝缘严重损坏；电线所连接的电缆绝缘不充分，不能承受长期电压电流或具体工作过程中短期电压电流的强烈冲击，从而致使电缆绝缘老化，严重损坏；局部的高温也会导致绝缘老化，并且加快绝缘老化的速度；电动力作用也会导致绝缘破损，甚至出现短路；长期过载运行会导致绝缘老化变脆；电压电流的作用也会让绝缘的性能逐渐降低。电力变压器匝间短路故障引起主变烧毁如图1 所示。

图1 电力变压器匝间短路故障引起主变烧毁图

1.1.2 相间短路故障

相间短路是指在电力变压器中，两相初级线圈上的端子会接触到端子，很短的时间后自然会引起短路。如果分接开关不移位，也会造成短路故障。

1.1.3 股间短路故障

股间短路故障主要出现在多根导线连接缠绕的定子绕组，股间短路故障出现的原因主要有：一方面是导线连接存在质量问题，具体绕制过程中电缆绝缘损坏，夹线位置或松紧不当，压桩具体过程中压坏导线连接，绝缘介质损坏等。

1.2 铁芯故障

借助对变压器铁芯故障原因的分析和排查，造成铁芯故障的主要原因有：元件内的铁夹松动或损坏，铁芯接地不良或者夹件被烧坏，铁芯片间叠装不良，铁芯安装不正，等等。电力变压器铁芯故障如图2 所示。铁芯故障主要可以分为铁芯多点接地故障和铁芯过热故障这两种类型。

图2 电力变压器铁芯故障图

1.2.1 铁芯多点接地故障

变压器要想能够正常接地就必须只有一个点接地，如果出现多点接地，就容易导致接地故障而出现铁芯的故障。铁芯多点接地的类型主要有铁芯的部件由于某些其他的原因接触到夹件肢板后，形成多点接地；铁辘螺杆和铁扼叠片相碰；垫脚铁辘处叠片相碰；金属粉末进入油箱，导致下铁扼与垫脚或箱底接通；温度计座套和上夹件等部件相碰；下夹件与铁扼阶梯间的木垫块受潮；油箱中落入其他导体；定位销；等等。

1.2.2 铁芯过热故障

变压器铁芯过热故障的原因主要有绕组短路、过载运行、接地异常、局部短路、部件接地和电压过高等等，另外油箱油质较差、油量较少、循环不畅也会引起铁芯过热故障。变压器如果出容易出现铁芯过热故障，可以在检测时对油中溶解气体的组分进行分析，如果其中含有甲烷等气体，则说明变压器存在局部过热故障。

1.2.3 分接开关故障

变压器分接开关故障分为有载和无载2 种类型。电力变压器空载继电保护装置工作不正常。上抽头连接电缆绝缘不好，造成短路故障，继电器触点接触不良，造成电池半空放电等异常操作。变压器分接开关故障如图3 所示。

图3 变压器分接开关故障图

变压器有载继电保护装置的异常涵盖雨水等的持续进入造成电缆绝缘电位下降，短路电流、电压、电流的物理损坏造成高压电流的异常动作，滚轮卡死导致短路，油室封闭不佳导致本体渗漏。

1.2.4 油流带静电故障

强制油连续循环冷却的大型电力变压器的结构和工作原理类似。电力变压器中的油会借助油气分离器输送到转子绕组中的快速冷却油通道进行快速冷却，分离出静电带电颗粒后，在油和固体物质之间逐渐形成。另一方面，带负电的颗粒积聚在纸张和纸板上，正电荷主要在流油中进行聚集。如果某一处的电荷积累密度相对较大，并且超过了一定阀值之后，油与电缆绝缘固体金属表面之间会自然逐步形成静电感应或爬电电池放电，从而造成电缆绝缘固体金属表面的电气性能下降，最终引起绝缘故障。在进行油中气体组分的分析时，就可以检测氢气的变化。因为氢气含量的变化是油流带静电的表征。

2 电力变压器故障及处理措施

2.1 电力变压器损坏原因分析

借助对电力变压器损伤的调查结果和具体分析，一般情况能够将电力变压器的物理损伤概括为电缆绝缘基本结构的完全破坏、绝缘介质的破坏这2 个方面。具体有如下几种原因：绝缘老化、绝缘油劣化、过电压引起故障。

2.1.1 绝缘老化

绝缘材料都是拥有一定的使用期限的，在不同的变压器运行状态之下，其使用的年限也会发生变化。由于变压器在运行的过程中，如果出现过负载运行，就会降低绝缘材料的使用期限，导致绝缘材料在使用的过程中出现变脆、变黑、枯焦等老化现象，绝缘的老化就会导致变压器出现故障，如图4 所示。

图4 电力变压器绝缘老化图

2.1.2 绝缘油劣化

绝缘油的劣化主要是指变压器油在运行的过程中可能会和空气接触，或者由于其他绝缘材料的老化，导致绝缘油中融入水分或其他杂质，在温度较高时油会受到氧气的氧化，也会受到其他绝缘材料的腐蚀，同时会受到其中杂质的影响，降低绝缘油的品质，导致绝缘油质劣化。

2.1.3 过电压引起故障

电力变压器在运行的过程中可能会产生外部过电压和内部过电压，过电压的产生会导致绝缘材料受到损伤，从而让变压器产生过电压故障，如图5 所示。

图5 过电压引起故障图

2.2 电力变压器预防保护措施

2.2.1 过电流保护

在电力变压器运行过程中设置了配变短路保护和过载保护措施。这2 种措施是通过配变高压侧的熔断器和低压侧的漏电总保护器来完成的。为了能够让配变短路保护发挥作用，就必须要能够选择正确的熔断器的熔体以及低压过电流保护定值。另外还要正确选择高压侧熔丝，高压侧熔丝必须要能够在出现短路时被熔断，从而有效发挥配变短路保护和过载保护装置的作用。

2.2.2 装设避雷器保护

利用无间隙金属氧化物避雷器进行过电压的保护，防止变压器在遭受到雷击之后产生变压器内部和外部过电压，导致绝缘材料的损毁或者是击穿。首先该保护设施在选择的过程中一定要采用合格的产品，其次要对运行的设备进行定期的试验，最后要对电阻进行定期检测和更换，保障保护装置能够正常运行。电力变压器装设避雷器保护如图6 所示。

图6 电力变压器装设避雷器保护图

2.2.3 定期巡视

另外还需要对变压器的运行情况进行定期的巡视和检测，频率为1 次/月，对变压器进行巡视的内容主要包括：变压器的温度油位、绝缘材料、电力变压器过负荷、分接开关接触状况、线圈、匝间短路硅钢片绝缘和油温变温度计等。因为这些检测项目如果出现异常，就意味着电力变压器可能存在某些故障，需要进行维修。

2.2.4 日常维护

变压器的日常维护包括清除变压器下部积水和污物；冲洗冷却器；更换呼吸器内的硅胶；变压器外部清扫。为了检查电力变压器的正常运行，可以进行以下几个方面的检查：①检查油枕与充油套管内油面的高度，如果封闭部分的油量符合设计要求，则说明油量正常。②检查电力变压器底层油温是否达到热70%，通过检查底层油温是否达到设定的温度，可以判断变压器是否正常工作。③检查电源变压器的声音是否正常，通过听取电源变压器的声音，可以判断其是否存在异常噪音或故障。④检查口罩是否解锁，确保变压器的口罩已经解锁，以便进行必要的维护和检修。⑤检查导热硅胶的湿度是否达到饱和，确保导热硅胶没有吸湿到饱和状态，以保证其正常的导热性能。⑥检查防爆安全管上的玻璃膜是否完整且无油污，确保防爆安全管上的玻璃膜没有破损或油污，以保证其正常的安全性能。⑦检查中间气体继电器是否工作，通过检查中间气体继电器的工作状态，可以判断变压器是否存在故障。

3 结束语

电力变压器的基本结构具有不可预测性，故障原因分析和故障作用原理的多重性、不可预测性和模糊性，使得电缆绝缘故障诊断变得困难。电力变压器能否正常运行不仅取决于其结构设计、材料和工艺，还与产品生产中的操作程序和维护信息管理密切相关。