變壓器局部放電故障的分析

翟欄江

【摘 要】局部放電主要是變壓器在高電壓的作用下，其內(nèi)部絕緣發(fā)生的放電。這種放電只存在于絕緣的局部位置，不會(huì)立即形成整個(gè)絕緣貫通性擊穿或閃絡(luò)，所以稱為局部放電。局部放電很微弱，靠人的直官感覺(jué)，如眼觀耳聽(tīng)是不容易發(fā)現(xiàn)的，只有靈敏度很高的檢測(cè)儀器和先進(jìn)的檢驗(yàn)手段才能將其檢測(cè)出來(lái)。

【關(guān)鍵詞】變壓器；局部放電；故障；分析

變壓器局部放電是指發(fā)生在兩點(diǎn)電極之間但并未貫穿電極的放電，它是由于設(shè)備絕緣內(nèi)部存在弱點(diǎn)或生產(chǎn)過(guò)程中造成的缺陷，在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下發(fā)生重復(fù)擊穿和熄滅的現(xiàn)象。它表現(xiàn)為絕緣內(nèi)氣體的擊穿、小范圍內(nèi)固體或液體介質(zhì)的局部擊穿或金屬表面的邊緣及尖角部位場(chǎng)強(qiáng)集中引起局部擊穿放電等。若電器設(shè)備的絕緣在運(yùn)行電壓下不斷出現(xiàn)局部放電，這些微弱的放電將產(chǎn)生累積效應(yīng)會(huì)使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致整個(gè)絕緣擊穿。

1.局部放電的產(chǎn)生原因

變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在氣泡（氣隙）、油隙和絕緣弱點(diǎn)是不可避免的。這些氣泡（氣隙）、油隙和絕緣弱點(diǎn)通常是在變壓器制造過(guò)程中形成的。如油浸式變壓器，在其制造過(guò)程中，由于浸漆、干燥和真空處理不徹底，在產(chǎn)品所用的電木筒內(nèi)、絕緣紙板內(nèi)、絕緣紙層間不可避免地會(huì)形成一些空腔。當(dāng)絕緣油不能完全浸入空腔時(shí)，空腔內(nèi)就會(huì)存在氣泡（氣隙）。又如絕緣油本身質(zhì)量有問(wèn)題或絕緣油處理不好等，那么注入變壓器中的絕緣油內(nèi)部也會(huì)存在一些氣泡。由于氣體的介電系數(shù)比油、紙等絕緣材科的介電系數(shù)小，所以，氣隙承受的電場(chǎng)強(qiáng)度比油、紙絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度高。當(dāng)外施電壓達(dá)到某一定值時(shí)，這些氣隙就會(huì)首先發(fā)生局部放電。另外，油紙絕緣內(nèi)的油膜，油隔板絕緣結(jié)構(gòu)中的油隙，特別是“楔形”油隙，金屬部件、導(dǎo)線等處的尖角、毛刺，電場(chǎng)集中、場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高的局部區(qū)域等也都容易產(chǎn)生局部放電。

2.局部放電的危害

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的局部放電，尤其是放電量較大的油紙絕緣表面產(chǎn)生的局部放電，將對(duì)變壓器的絕緣造成破壞。其破壞情況有兩種，一是放電質(zhì)點(diǎn)對(duì)絕緣的直接轟擊，造成局部絕緣的損壞，并逐步擴(kuò)大，直至使整個(gè)絕緣擊穿；二是局部放電產(chǎn)生的熱量、臭氧和氧化氮等活性氣體的電化學(xué)作用，造成局部絕緣腐蝕老化，介質(zhì)損耗增大，電導(dǎo)增加，最后導(dǎo)致絕緣熱擊穿。

局部放電對(duì)絕緣的危害程度，一方面取決于局部放電的強(qiáng)度，如放電量大小、放電能量大小、放電次數(shù)等，另一方面取決于絕緣的耐放電性能和局部放電作用下對(duì)絕緣的破壞機(jī)理。所以，局部放電對(duì)絕緣的危害，最終將導(dǎo)致變壓器的絕緣壽命降低，并直接影響變壓器在長(zhǎng)期工作電壓作用下的安全可靠運(yùn)行。

3.局部放電故障的表現(xiàn)形式

電力變壓器主要采用油-紙屏障絕緣，這種絕緣由電工紙層和絕緣油交錯(cuò)組成。由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣很不均勻。當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高，工藝不良或外界原因等因素造成內(nèi)部缺陷時(shí)，在變壓器內(nèi)必然會(huì)產(chǎn)生局部放電，并逐漸發(fā)展，最后造成變壓器損壞。

電力變壓器局部放電主要表現(xiàn)形式：

（1）繞組中部油-紙屏障絕緣中油通道擊穿。

（2）繞組端部油通道擊穿。

（3）絕緣導(dǎo)線的引線絕緣、搭接絕緣、相間絕緣與油的間隙擊穿。

（4）線圈間（匝間、層間）縱絕緣油通道擊穿。

（5）絕緣紙板圍屏等的樹(shù)枝放電。

（6）其他固體絕緣的爬電。

（7）絕緣中滲入的其他金屬異物放電。

（8）固體絕緣材料的電老化。

1）局部放電引起絕緣材料分子結(jié)構(gòu)的破壞。

2）放電點(diǎn)熱效應(yīng)引起絕緣的熱裂解，增大了介質(zhì)的電導(dǎo)和損耗，并產(chǎn)生惡性循環(huán)，加速老化過(guò)程。

3）放電過(guò)程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分子生成硝酸腐蝕絕緣體，導(dǎo)致絕緣性能劣化。

4）放電過(guò)程的高能輻射，使絕緣材料變脆。

5）放電時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體引起絕緣體開(kāi)裂，并形成新的放電點(diǎn)。

4.變壓器局部放電的典型結(jié)構(gòu)探討

4.1引線

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中，引線布置很多。引線與引線之間的電場(chǎng)分布極不均勻。相同條件下，兩根引線相互垂直比平行布置的最大電場(chǎng)強(qiáng)度高出10%左右，高壓繞組首端引出線對(duì)箱壁以及對(duì)其外部的調(diào)壓繞組，也是電場(chǎng)集中易產(chǎn)生局部放電的區(qū)域。

4.2端部絕緣構(gòu)造

超高壓電力變壓器端部絕緣結(jié)構(gòu)中通常在繞組端部加裝防靜電環(huán)，但防靜電環(huán)與線圈端部間形成的楔形油隙為電場(chǎng)集中區(qū)域。

4.3變壓器內(nèi)部金屬凸突面

如油箱內(nèi)壁的焊接縫及附著在其上的焊渣，引線焊接時(shí)留下的尖角毛刺，鐵心片剪切時(shí)形成的毛刺等。均會(huì)造成電場(chǎng)集中，使場(chǎng)強(qiáng)成倍增加。

4.4雜質(zhì)

在變壓器復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中，油所承受的電場(chǎng)較高，而油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)最低，這決定了變壓器絕緣中最薄弱部分是油隙。而油中若含有的雜質(zhì)，如金屬和非金屬顆粒、含水量、含氣量等，會(huì)使油中電場(chǎng)發(fā)生畸變。

5.變壓器局部放電故障的檢測(cè)

5.1局部放電的檢測(cè)意義

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了變壓器工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和操作沖擊試驗(yàn)等絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目。但是，這些絕緣試驗(yàn)與變壓器長(zhǎng)期工作電壓對(duì)變壓器的作用之間并沒(méi)有固定的內(nèi)在聯(lián)系，長(zhǎng)期工作電壓對(duì)變壓器的影響較各種過(guò)電壓對(duì)變壓器的影響更為嚴(yán)重和重要。所以，局部放電檢測(cè)是考查變壓器在長(zhǎng)期工作電壓作用下能否安全可靠運(yùn)行的重要測(cè)試手段。

5.2局部放電的檢測(cè)目的

（1）驗(yàn)證在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓和時(shí)間內(nèi)變壓器的局部放電量是否符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求。

（2）當(dāng)變壓器局部放電量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件規(guī)定時(shí)，通過(guò)對(duì)局部放電產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和定位，然后加以排除。

（3）測(cè)量變壓器的起始和終止放電電壓，即施加電壓上升時(shí)最初出現(xiàn)局部放電的最低放電電壓和施加電壓下降時(shí)最后消失局部放電的最高放電電壓。

5.3局部放電的檢測(cè)方法

變壓器局部放電的檢測(cè)方法可分為電氣法和非電氣法兩大類。電氣法中有脈沖電流法、介質(zhì)損耗法和電磁輻射法。非電氣法中有聲波法、測(cè)光法、測(cè)熱法和物理化學(xué)法。

（1）電氣法。利用示波儀或無(wú)線電干擾儀，查找放電的特征波形或無(wú)線電干擾程度。

（2）超聲波測(cè)法。檢測(cè)放電中出現(xiàn)的聲波，并把聲波變換為電信號(hào)，錄在磁帶上進(jìn)行分析，利用電信號(hào)和聲信號(hào)的傳遞時(shí)間差異，可求得探測(cè)點(diǎn)到放電點(diǎn)的距離。

（3）化學(xué)測(cè)法。檢測(cè)油中各種溶解氣體的含量及增減變化規(guī)律。該測(cè)試法可發(fā)現(xiàn)油中的組成、比例以及數(shù)量的變化，從而判定有無(wú)局部放電（或局部過(guò)熱）。

電氣法的靈敏度較非電氣法高，所以，一般多采用電氣法。在電氣法中采用最多的是脈沖電流法。在非電氣法中，常采用聲波（超聲波）法，尤其是聲波法多用來(lái)對(duì)局部放電源進(jìn)行定位。

此外，近年來(lái)還研制出局部放電在線檢測(cè)儀，能在變壓器運(yùn)行中進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)局部放電。

6.控制局部放電的措施

（1）變壓器設(shè)計(jì)時(shí)要控制各部分場(chǎng)強(qiáng)在允許的范圍內(nèi)，特別要注意對(duì)高壓引線頭和引線電場(chǎng)強(qiáng)度的控制。

（2）變壓器在制造過(guò)程中特別要注意器身中各部件的清潔度，決不允許帶入任何金屬異物。

（3）裝配前對(duì)焊接件、金屬件要徹底清理加工過(guò)程中所殘留的異物、雜物。注意在總裝過(guò)程中所產(chǎn)生的金屬異物的收集與清理。

（4）絕緣材料的使用要有選擇，禁用環(huán)氧玻璃布板和其相似介電系數(shù)的材料，避免使用在真空處理時(shí)無(wú)法排出氣體的絕緣材料。

（5）變壓器真空注油時(shí)應(yīng)保證真空度達(dá)到工藝要求，抽真空和靜放時(shí)間要足夠長(zhǎng)，確保變壓器所有部件被油浸透。

7.結(jié)束語(yǔ)

為防止局部放電的發(fā)生，制造商應(yīng)對(duì)變壓器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；精心加工，提高材料純凈度，嚴(yán)格處理各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。運(yùn)行單位應(yīng)加強(qiáng)變壓器維護(hù)、監(jiān)測(cè)等工作，以有效地防止變壓器局部放電的發(fā)生。

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