大功率干式變壓器絕緣事故的分析及預防

【摘要】總結了大型電力干式變壓器絕緣事故分析，并制定了預防措施。同時(shí)，分析了干式變壓器的劣化趨勢和潛在缺陷，并對干式變壓器的壽命管理、安全經(jīng)濟運行和狀態(tài)檢修進(jìn)行了探討。[關(guān)鍵詞]干式變壓器絕緣事故分析及預防1。絕緣事故概述大型電力干式變壓器的安全穩定運行日益受到各行各業(yè)的關(guān)注。特別是越來(lái)越多的大容量干式變壓器運行到電網(wǎng)中，會(huì )導致干式變壓器出現故障，影響正常生產(chǎn)和人們的正常生活，大型干式變壓器的停運和檢修會(huì )帶來(lái)很大的經(jīng)濟損失。在這種情況下，了解影響干式變壓器絕緣的因素會(huì )對干式變壓器造成損壞，有利于干式變壓器的安全穩定運行，使干式變壓器長(cháng)期在受控條件下運行，避免干式變壓器損壞，對干式變壓器的安全可靠運行具有一定的現實(shí)意義。1.1干式變壓器絕緣事故分類(lèi)干式變壓器絕緣事故一般分為以下四類(lèi)：1.1.1繞組絕緣事故：主絕緣、匝間絕緣、段間絕緣、引線(xiàn)絕緣、端部絕緣放電燃燒引起的絕緣事故。1.1.2套管絕緣事故。指套管內部絕緣放電，甚至瓷套管爆炸造成的絕緣損壞。還包括套管外絕緣表面放電和氣隙擊穿。1.1.3分接開(kāi)關(guān)絕緣事故。主要是開(kāi)關(guān)油室內的油絕緣強度嚴重降低，開(kāi)關(guān)和分接時(shí)電弧無(wú)法熄滅，導致有載分接開(kāi)關(guān)燒毀。此外，還有一次事故，即無(wú)勵磁分接開(kāi)關(guān)和有載分接開(kāi)關(guān)的裸露導體放電，導致相、相或級間短路。1.1.4鐵芯絕緣事故。指鐵芯硅鋼片對地絕緣損壞，造成鐵芯多點(diǎn)接地。也指鐵芯框架連接點(diǎn)之間的絕緣損壞，導致環(huán)流導致局部過(guò)熱故障。在以上四種事故中，繞組絕緣事故危害較大。1.2干式變壓器絕緣事故的根本原因是分析干式變壓器絕緣事故的根本原因，將作用在絕緣上的電場(chǎng)強度分為作用電場(chǎng)強度(簡(jiǎn)稱(chēng)作用電場(chǎng)強度)和耐受電場(chǎng)強度(簡(jiǎn)稱(chēng)耐受電場(chǎng)強度)。動(dòng)作場(chǎng)可分為雷電沖擊場(chǎng)強、操作沖擊場(chǎng)強和工頻場(chǎng)強。這三種不同場(chǎng)強的絕緣元件都有各自的耐受場(chǎng)強。但它們的共同點(diǎn)是，如果外加場(chǎng)強大于耐受場(chǎng)強，就會(huì )發(fā)生絕緣事故。根據外加場(chǎng)強與耐受場(chǎng)強的競爭關(guān)系，可分為三種情況：1.2.1外加場(chǎng)強過(guò)高。如110千伏、220千伏降壓干式變壓器第三繞組(10kV或35kV繞組)遭雷擊時(shí)，作用場(chǎng)強高于干式變壓器本身的正常耐受場(chǎng)強，造成雷擊損壞的絕緣事故。這種事故每年都會(huì )發(fā)生。它約占總繞組絕緣事故的百分之幾。1.2.2作用場(chǎng)強過(guò)高，耐受場(chǎng)強降低。如果一些干式變壓器的絕緣在運行中損壞，則發(fā)現絕緣潮濕。雷電沖擊比操作沖擊對油紙絕緣中的水分不太敏感。所以這種事故并不多，總繞組絕緣事故的比例大概是千分之幾。1.2.3承受場(chǎng)強的降低。干式變壓器在正常運行時(shí)，如果耐壓場(chǎng)強下降，在正常工作電壓下會(huì )突然發(fā)生絕緣事故。這類(lèi)絕緣事故頻繁發(fā)生，占總繞組絕緣的90%以上 #p#分頁(yè)標題#e#

分析證實(shí)與絕緣部分放電有關(guān)。因此，測量局部放電容量的試驗應在停電后進(jìn)行(以下簡(jiǎn)稱(chēng)局部放電試驗)。試驗結果表明，放電情況異常，甚至在試驗中出現擊穿現象。實(shí)踐表明，對局部放電試驗等試驗結果進(jìn)行綜合分析，可以做出正確診斷，解體后可以找到絕緣不可逆損壞的故障點(diǎn)。2.干式變壓器正常運行時(shí)絕緣事故原因分析2.1絕緣事故原因分析2.1.1制造缺陷。絕緣事故的制造缺陷理論分為“尖銳毛刺”、“金屬異物”和“顆粒含量”。以及“絕緣缺陷”理論。這些說(shuō)法都集中在對放電機理的共同認識上，即先發(fā)生局部放電，然后在正常工作電壓下引起絕緣擊穿事故。在老式干式變壓器中，由于上述原因曾發(fā)生過(guò)正常工作電壓下的絕緣事故，證明放電機理分析是可行的。但是就大功率干式變壓器而言，這些干式變壓器已經(jīng)運行了20多年，問(wèn)題早就應該暴露了。如果到目前為止還沒(méi)有暴露，可以證明這樣的缺陷已經(jīng)不存在了。自20世紀80年代以來(lái)，所有220千伏及以上的干式變壓器都進(jìn)行了局部放電試驗。經(jīng)驗表明，局部放電試驗對發(fā)現上述缺陷特別有效。因此，在工廠(chǎng)通過(guò)局部放電試驗的干式變壓器，尤其是在安裝或維護后經(jīng)過(guò)局部放電試驗的干式變壓器，不可能存在在正常工作電壓下會(huì )導致絕緣事故的制造缺陷。這就是局部放電測試的神奇之處。2.1.2絕緣老化。我經(jīng)歷過(guò)幾個(gè)干式變壓器。由于油路堵塞，匝間絕緣局部過(guò)熱，造成正常工作電壓下的匝間絕緣事故。其實(shí)這是過(guò)熱事故。油中的氣相色譜分析(DGA)可以識別此類(lèi)事故。我大型干式電力變壓器都是全封閉結構，運行時(shí)間不長(cháng)，很多都是長(cháng)、年輕負荷。所以一般不存在絕緣老化問(wèn)題。如果絕緣老化導致絕緣事故，會(huì )有明顯的老化標志。對于許多因絕緣事故檢修的干式變壓器，已經(jīng)檢查了老化程度，從老化現象中沒(méi)有發(fā)現事故證據。絕緣老化現象具體而明顯，要有證據才能成立，否則要排除可能性。2.1.3油流帶電。對于油循環(huán)強的大功率干式變壓器，在油泵啟動(dòng)時(shí)測量繞組的電位和放電電流時(shí)。繞組電位高達幾千伏，放電電流超過(guò)微安。解釋油流和

固體絕緣摩擦要產(chǎn)生靜電是必然的，只是量有多少而已。這叫油流起電。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，局部放電測量?jì)x可以收到信號，甚至耳朵可以聽(tīng)到聲響。持續的油流放電將引起油中出現C2H2。此時(shí)應視為一種故障。需要說(shuō)明的是由油流帶電發(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。例如干式變壓器在工廠(chǎng)的專(zhuān)門(mén)試驗中，從未發(fā)現過(guò)油流放電，因為內部是干凈的。個(gè)別干式變壓器在運行中發(fā)生過(guò)油流放電，少開(kāi)冷卻器或將內部清理后就不再放電了。由于油流放電一般發(fā)生在繞組下部，該處電位較低，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。如果認為某次工作電壓下突發(fā)的絕緣事故是油流帶電引起的，可以對事故干式變壓器（事故后油未流失）或同類(lèi)型變壓進(jìn)行試驗驗證。如果事前未發(fā)現油流放電現象，事后又未經(jīng)試驗驗證，就判定事故原因，是缺乏根據的。2.1.4廣義受潮。廣義受潮說(shuō)認為運行中干式變壓器內部的水分是運動(dòng)的，不停地遷移和集積，在高電場(chǎng)區域集積一定水分之后，便在正常工作電壓迸發(fā)絕緣事故。2.2水分對油絕緣的危害性2.2.1干式變壓器內水分的動(dòng)態(tài)特性。干式變壓器內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，可以承隨溶解到油中成為自由水，稱(chēng)之為準自由水。紙絕緣中準自由水含量以%計，而油中自由水以PPM計。準自由水的含量比自由水要大。例如，設紙絕緣與油的比例為1比10，當紙絕緣中準自由水為0.5%，油中自由水為10mg/L，準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，紙中準自由水的含量則隨溫度的升高而下降。干式變壓器在運行中紙絕緣和油中的水分不停地在進(jìn)行交換。干式變壓器在運行中油在不停地循環(huán)，干式變壓器內的電場(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(zhù)干式變壓器運行時(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先先與含水量有關(guān)，對于既定的含水量，則取決于水分的吸引力和擴散力的較量。溫度對水分的集積有驅散作用，而電場(chǎng)強度、紙纖維的極性對水分有顯著(zhù)的吸引力。所以，對于自由水和準自由水含量高的干式變壓器，水分可能在高電場(chǎng)區域局部集積到足以引起絕緣事故的程度。2.2.2關(guān)于受潮的形態(tài)與放電的發(fā)展過(guò)程。通常在見(jiàn)到侵入干式變壓器內部的水分才認為是受潮，這是狹義的受潮概念。從廣義受潮的要領(lǐng)出發(fā)，干式變壓器實(shí)際受潮形態(tài)，可分為兩類(lèi)：①顯性受潮：顯性受潮是指通常所說(shuō)的“干式變壓器受潮”。即看到油箱底部或器身上有積水，并且發(fā)現水分入侵的原因或途徑。顯性受潮進(jìn)入干式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)對絕緣并無(wú)危害；但當水分淋到器身上，部分絕緣被浸泡透，則必然導致絕緣擊穿。這種情況下的絕緣擊穿機理屬于熱擊穿，即在局部絕緣中流過(guò)傳導電流，焦爾熱使紙絕緣炭化后發(fā)展成貫穿性放電。因而不僅絕緣燒壞，而且導體可能發(fā)生熔化。這種事故的典型事例屢見(jiàn)不鮮，在分析干式變壓器的絕緣事故時(shí)很容易取得共識。這是一種“低級的受潮事故”，現在已經(jīng)越來(lái)越少。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)生和擴散是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。當產(chǎn)氣量大于擴散量，局部放電持續進(jìn)行，很快發(fā)展成貫穿性擊穿。如果產(chǎn)氣量小于擴散量，則局部放電暫時(shí)停歇，待水分再次集聚，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，很快導致匝絕緣或段間（餅間）絕緣擊穿，形成突發(fā)性絕緣事故。前者使用適當的線(xiàn)檢測技術(shù)，有可能發(fā)覺(jué)和防御突發(fā)事故。但對于后者，必須采取積極的防御措施，防止自由水的局部集積。3.防范措施防止干式變壓器在正常工作電壓下的絕緣事故，一是要限止自由水和準自由水的含量，二是限止自由水的局部集積。從制造、安裝、檢修和運行4個(gè)環(huán)節都應采取相應措施。3.1制造措施設計干式變壓器的內絕緣結構，力求工作場(chǎng)強均勻分布，而且盡可能的低。例如，匝間工作場(chǎng)強不宜大于2kV/mm。干式變壓器真空干燥（較好采用煤油氣相干燥）后，固體絕緣中的含水量應小于0.5%，亦即達到基本上不含自由水的程度。嚴格進(jìn)行真空涇油。注油時(shí)干式變壓器內可能與油接觸的任何部分吸附的水分都應被清除。注入油的含水量必須小于10mg/L。請注意10mg/L意味著(zhù)每m3油帶進(jìn)10g自由水。3.2安裝措施干式變壓器在安裝過(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，為了使干式變壓器內部的水分恢復到出廠(chǎng)時(shí)的水平，干式變壓器安裝后必須嚴格進(jìn)行真空干燥和真空注油。要點(diǎn)如下：·用于抽真空的真空系統（包括真空泵、管道、閥門(mén)和表計）的極限真空度必須小于10Pa?！に袑⑴c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?！ぴ诔檎婵盏倪^(guò)程中，應隨時(shí)檢查和處理滲漏。當真空度達到實(shí)際可能的較高水平（對對較高水平的較低要求不應小于133Pa）后，必須在真空泵繼續運行的條件下保持此真空度。（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài)保持）·真空的動(dòng)態(tài)保持時(shí)間應不少于水分滲入時(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。這過(guò)程包括打開(kāi)封板，進(jìn)行排油或排氮氣（或干燥空氣）時(shí)直接進(jìn)入大氣的時(shí)間，還包括在油箱內封存大氣的時(shí)間。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，而就注油或打入氮氣（或干燥空氣），不僅不能起到清除水分的作用，而且是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。在動(dòng)態(tài)保持真空度的條件下，用真空濾油機注入合格的油。油中含水量應小于10mg/L。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，其結果是大部分的水分被紙絕吸收，增加了紙絕緣的含水量。3.3檢修措施當發(fā)現干式變壓器內的水分比剛投運時(shí)有明顯增多時(shí)，應看作特別重要的狀態(tài)指標，必須作為狀態(tài)檢修的主要目的。檢修時(shí)用真空干燥和真空注油的辦法來(lái)清除水分，其要點(diǎn)與安裝時(shí)的相同。但由于新干式變壓器只是表面吸附水分，而運行中干式變壓器的水分可能滲透到深層。因此真空的動(dòng)態(tài)保持時(shí)間應不少于水分的滲出時(shí)間。水分滲出時(shí)間是指絕緣深層的水分滲透到表面所需的時(shí)間。由于干式變壓器運作年代越久，不僅水分的含量越多，而且向內滲透越深，因此水分滲透出時(shí)間也就越長(cháng)。具體到某一臺干式變壓器水分的滲出時(shí)間為多長(cháng)，事先是不好確定的。只能一是依靠真空干燥過(guò)程中真空度的變化過(guò)程來(lái)判斷，二是依靠真空注油后的絕緣性能試驗結果來(lái)分析。例如，真空度遲遲達不到極限值，說(shuō)明水分在緩慢滲出。又如真空注油后的繞組絕緣電阻和bgδ還不如檢修以前，說(shuō)明真空干燥的時(shí)間未超過(guò)水分的滲出時(shí)間，需要重新真空干燥和真空注油。3.4運行維護措施運行中的干式變壓器（包括電容型油紙絕緣套管）應保持嚴密的封閉，避免大氣中的水分和氣體滲透入內。不論是油—氣滲漏或氣—氣滲漏，都有一個(gè)互相滲透的過(guò)程。應把滲漏問(wèn)題看作是影響絕緣安全性的重要因素。#p#分頁(yè)標題#e#