電力變壓器固體絕緣故障的診斷方法

引言
　　為了使設備的外形尺寸保持在可以接受的水平，現代變壓器的設計采用了更為緊湊的絕緣方式，在運行中其內部各組件間的絕緣所需承受的熱和電應力水平顯著升高。110kV及以上等級的大型電力變壓器主要采用油紙絕緣結構，主要的絕緣材料是絕緣油和絕緣紙、紙板。

　　當變壓器內部故障涉及固體絕緣時，無論故障的性質如何，通常認為是相當嚴重的。因為一旦固體材料的絕緣性能受到破壞，很可能進一步發展成主絕緣或縱絕緣的擊穿事故。所以纖維材料劣化引起的影響在故障診斷中格外受到重視。而且，如能確定變壓器發生異常或故障時是否涉及固體絕緣，也就初步確定了故障的部位，對設備檢修工作很有幫助。

　　本文通過研究在故障涉及固體絕緣時，其它特征氣體組分與CO、CO2間的伴生增長情況，提出了一種動態分析變壓器絕緣故障的方法。并著手建立故障氣體的增長模式，為預測故障的發展提供了新的判據。

　　1、判斷固體絕緣故障的常規方法

　　CO、CO2是纖維材料的老化產物，一般在非故障情況下也有大量積累，往往很難判斷經分析所得的CO、CO2含量是因纖維材料正常老化產生的，還是故障的分解產物。

　　月崗淑郎［1］研究了使用變壓器單位紙重分解并溶于油中的碳的氧化物總量，即（CO+CO2）mL／g（紙）來診斷固體絕緣故障。但是，已投運的變壓器的絕緣結構、選用材料和油紙比例隨電壓等級、容量、型號及生產工藝的不同而差別很大，不可能逐一計算每臺變壓器中絕緣紙的合計質量，該方法因實際操作困難，難以應用；并且，考慮全部紙重在分析整體老化時是比較合理的，如故障點僅涉及固體絕緣很小的一部分時，使用這種方法也很難比單獨考慮CO、CO2含量更有效。

　　IEC599［2］推薦以CO/CO2的比值作為判據，來確定故障與固體絕緣間的關系。認為CO/CO2＞0.33或＜0.09時表示可能有纖維絕緣分解故障，在實踐中這種方法也有相當大的局限性［3］。本文對59例過熱性故障和69例放電性故障進行了統計。結果表明，應用CO/CO2比例的方法正判率僅為49.2%，這種方法對懸浮放電故障的識別正確率較高，可達74.5%；但對圍屏放電的正判率僅為23.1%.

　　2、固體絕緣故障的動態分析方法

　　新的預防性試驗規程規定，運行中330kV及以上等級變壓器每隔3個月進行一次油中溶解氣體分析，但目前很多電業局為保證這些重要設備的安全，有的已將該時間間隔縮短為1個月。也有部分電業局已開展了油色譜在線監測的嘗試，這為實現故障的連續追蹤，提供了良好的技術基礎。

　　電力變壓器內部涉及固體絕緣的故障包括：圍屏放電、匝間短路、過負荷或冷卻不良引起的繞組過熱、絕緣浸漬不良等引起的局部放電等。無論是電性故障或過熱故障，當故障點涉及固體絕緣時，在故障點釋放能量的作用下，油紙絕緣將發生裂解，釋放出CO和CO2.但它們的產生不是孤立的，必然因絕緣油的分解產生各種低分子烴和氫氣，并能通過分析各特征氣體與CO和CO2間的伴生增長情況，來判斷故障原因。

　　判斷故障的各特征氣體與CO和CO2含量間是否是伴隨增長的，需要一個定量的標準。本文通過對變壓器連續色譜監測的結果進行相關性分析，來獲得對這一標準的統計性描述。這樣可以克服溶解氣體累積效應的影響，消除測量的隨機誤差干擾。

　　本文采用Pearson積矩相關來衡量變量間的關聯程度，被測變量序列對（xi，yi），i＝1，…，相關系數γ的顯著性選擇兩種檢驗水平：以α＝1%作為變量是否顯著相關的標準，而以α＝5%作為變量間是否具有相關性的標準。即：當相關系數γ＞γ0.01時，認為變量間是顯著相關的；γ＜γ0.05時，二者沒有明確的關聯。γ0.01、γ0.05的取值與抽樣個數N有關，可通過查相關系數檢驗表獲得。

　　由于CO為纖維素劣化的中間產物，更能反映故障的發展過程，故通過對故障的主要特征氣體與CO的連續監測值進行相關性分析可進一步判斷故障是否涉及固體絕緣。當通過其它分析方法確定設備內部存在放電性故障時，可以CO與H2的相關程度作為判斷電性故障是否與固體絕緣有關的標準；而過熱性故障則以CO與CH4的相關性作為判斷標準。通過對59例過熱性故障和69例放電性故障實例的分析。

　　這種方法在一定程度上可以反映故障的嚴重程度，在過熱性故障的情況下，如果CO不僅與CH4有較強的相關性，還與C2H4相關，表明故障點的溫度較高；而在發生放電性故障時，如果CO與H2和C2H2都有較強的相關性，說明故障的性質可能是火花放電或電弧放電。

　　3　故障的發展趨勢

　　確認故障類型后，如能進一步了解故障的發展趨勢，將有助于維修計劃的合理安排。而產氣速率作為判斷充油設備中產氣性故障危害程度的重要參數，對分析故障性質和發展程度（包括故障源的功率、溫度和面積等）都很有價值［4］。

　　通過回歸分析，可將這3種典型模式歸納為：

　　（a）正二次型：總烴隨時間的變化規律大致為Ci＝a.t2＋b.t＋c（a＞0），即產氣速率γ=a.t+b不斷增大，與時間成正比。這常與突發性故障相對應，故障功率及所涉及的面積不斷變大，這種故障增長模式往往非常危險。

　　（b）負二次型：總烴和產氣速率的變化規律與（a）相同，只是a＜0.即總烴Ci增高到一定程度后，在該值附近波動而不再發生顯著變化。多與逐漸減弱的或暫時性的故障形式相對應，如在系統短路情況下的繞組過熱及系統過電壓情況下發生的局部放電等。

　　（c）一次型：即線性增長模型，是一種與穩定存在的故障點相對應的產氣形式。總烴的變化規律為Ci＝k.t＋j，產氣速率為固定的常數k，通常只有當故障產氣率k或總烴Ci大于注意值時才認為故障嚴重。

　　本文對59例過熱性故障和69例放電性故障變壓器總烴含量的增長模式與故障嚴重程度的對應關系進行了統計，結果如表2所示。

　　4、實例分析

　　故障產氣的增長模型為正二次型，在較短的時間里產氣速率呈明顯的增長趨勢，是一種發展迅速的故障，反映出故障功率及故障所涉及的面積在不斷變大。

　　1985年3月14日進行吊芯檢查發現，高壓線圈與低壓線圈間圍屏有7層存在不同程度的燒傷、穿孔、爬電等明顯的樹枝狀放電痕跡，屬圍屏放電故障，與分析結果相符。

　　5、結　論

　　a.電力變壓器油中溶解氣體的產生總有其內在的原因，根據故障的主要特征氣體與CO的伴生增長情況，即可判斷故障點是否涉及固體絕緣。這種方法基本上不受累積效應的影響，不存在注意值的限制，可以隨時分析溶解氣體的變化規律，及時發現可能存在的潛伏性故障。

　　b.對運行中的電力變壓器，其故障的產氣過程并不都是線性增長的，存在著其它的增長模式。統計結果表明：總烴含量如果呈正二次型增長，則大多為嚴重的破壞性故障；而當故障產氣線性增長時，則故障點相對穩定；若總烴呈負二次型增長，多為暫時性故障，一般危害不大。