变压器在正常工作电压下的绝缘事故

变压器在正常工作电压下的绝缘事变压器在正常工作电压下的绝缘事 故故 1 绝缘事故概述绝缘事故概述 1 1 变压器的绝缘事故的分类 变压器的绝缘事故一般分为以下 4 类 绕组绝缘事故 指主绝缘 匝绝缘 段间绝缘 引线绝缘以及端绝缘等放电 烧损引起的绝缘事故 套管绝缘事故 指套管内部绝缘放电 引起绝缘损坏 甚至瓷套爆炸 还包括套管外绝缘的沿面放电 和空气间隙击穿 分接开关绝缘事故 主要是指由于切换开 关油室内油的绝缘强度严重下降 在切换分接时不能灭弧 引 起有载分接开关烧毁 另外还有无励磁分接开关和有载分接开 关裸露的导体之间放电 引起相间 相对地或级间短路的事故 铁心绝缘事故 一是指铁心的硅钢片对地绝缘损坏 引起铁心 多点接地 另一是指铁心的框架连接点间的绝缘损坏 产生环流 引起局部过热故障 上述 4 类事故中 绕组绝缘事故的危害最大 1 2 变压器绝缘事故的根本原因 为分析变压器绝缘事故的根本原因 把作用在绝缘上的电 场强度分为作用电场强度 简称作用场强 和耐受电场强度 简称耐受场强 作用场强又可分为雷电冲击作用场强 操 作冲击作用场强和工频作用场强 这三种类型作用场强绝缘成 分不同 各自的耐受场强也不同 但其共同点是当作用场强大 于耐受场强时 就会发生绝缘事故 按作用场强和耐受场强的 抗衡关系可分为 3 种形势 作用场强过高 例如 110kv 和 220kv 降压变压器的第三绕组 10kv 或 35kv 绕组 在雷击时出 现作用场强高于变压器本身的正常耐受场强 引起雷击损坏的 绝缘事故 此类事故每年都有发生 约占总的绕组绝缘事故比 率的百分之几 作用场强过高加上耐受场强下降 例如变器 在操作时绝缘损坏 解体检查发现绝缘有受潮现象 对油纸绝 缘中的水分 操作冲击比雷电冲击敏感 所以此类事故不多 约占总的绕组绝缘事故的比率的千分之几 耐受场强下降 例如变压器正常运行中耐受场强下降 导致在正常工作电压下 突然发生绝缘事故 这类绝缘事故频繁出现 占总的绕组绝缘 事故的比率已超过 90 1 3 正常工作电压下绝缘事故的方式 正常工作电压下出现的绝缘事故有 2 种方式 一种称作 突发式事故 其特点是按现行的预防性规程进行的预防性试验 合格 其他在线的监测也未发现事故的预兆 但在正常运行条 件下 变压器内部突发绝缘击穿事故 继电保护动作跳闸 由 于故障能量有大有小 或继电保护动作的时间有快有慢 因此 变压器损坏的严重程度大不相同 另一种称作垂危式故障 这种事故的特点是预防性试验的绝缘性能试验合格 但从油中 溶解气体的色谱分析中发现乙炔 经分析确认与在绝缘部分存 在放电有关 于是停电进行测量局部放电量的试验 试验结果 表明放电状况异常 甚至在试验中就发生贯穿性击穿 将局放 试验和其他试验结果进行综合分析 可以作出正确诊断 解体 后可以找到绝缘发生不可逆损坏的故障点 1 4 正常工作电压下的绝缘事故实例 国内外变压器都存在各种绝缘事故 在此列举 10 个有结论 的代表性事例 沿绝缘纸板树枝状放电 引起的主绝缘事故 沿角环 夹层放电 引起的主绝缘事故 沿撑条爬电 引起的纵绝缘 事故 沿垫块表面爬电 引起段间绝缘事故 垫块与导线 间的油角放电 引起匝绝缘事故 沿铜排导线支架爬电 引 起的相间短路事故 匝绝缘直接击穿 引起匝绝缘或段间绝 缘事故 绕组出线纸包绝缘击穿 引起出线绝缘事故 分 接引线纸包绝缘击穿 引起分接引线绝缘事故 套管的下瓷 套沿面放电 引起瓷套崩裂事故 仅就以上列举的事例可以看出 变压器的每种绝缘结构都 曾经发生过绝缘事故 而且其中大多数是在正常工作电压下发 生 2 正常工作电压下的绝缘事故的原因分析正常工作电压下的绝缘事故的原因分析 2 1 正常工作电压下发生绝缘事故时的绝缘实际耐受强度 变压器的绝缘配合使用惯用法 绝缘耐受场强与其实际承 受场强的比值称为配合系数 或简称裕度 变压器在正常状态 下绝缘的设计裕度是足够大的 例如匝绝缘在工作电压下的裕 度大于 10 但事故时却再无裕度可言 举例说明如下 1 220kv 变压器使用 1 95mm 匝绝缘 正常状态下的平均 工频击穿电压为 60kv 正常工作电压下加在匝绝缘上的电压小 于 4kv 但在正常工作电压下却频繁发生匝绝缘击穿事故 2 220kv 变压器 感应试验电压为 395kv 雷电冲击波 为 950kv 都能在留有潜在裕度的条件下顺利通过试验 在正 常运行条件下 工作电压仅为 127kv 但是有多台变压器正是 在 127kv 电压下发生沿围屏树枝状爬电 发展成贯穿性击穿后 形成主绝缘事故 3 某调压变压器在额定分接运行 调压绕组有电压却无 电流 温度较低 在正常工作电压下调压绕组发生事故 事故 点的油道 垫块厚度 为 8mm 导线的匝绝缘为 1 95mm 正 常情况下工频 1min 平均击穿电压大于 85kv 事故时垫块两侧 的电压为 5560v 沿垫块爬电 引起调压绕组发生级间绝缘事 故 类似例子不胜枚举 总之变压器在正常工作电压下发生绝 缘事故 并非设计裕度不足 而是因为绝缘的耐受强度异乎寻 常的降低 这在分析绝缘事故时 必须首先予以关注 2 2 正常工作电压下绝缘事故原因的几种说法 1 制造缺陷说 绝缘事故的制造缺陷说 又分 尖角手 刺 说 金属异物 说 颗粒含量 说以及 绝缘缺陷 说等 所 有这些说法集中到一点是对放电机理有共识 即认为先发生局 部放电 然后在正常工作电压下引起绝缘击穿事故 早先的老 旧变压器 确实有过上述种种原因引起正常工作电压下的绝缘 事故 但就大型电力变压器而言 这类变压器已运行 20 多年 有问题早应暴露 如果至今尚未暴露 说明实际上已不再存在 这类缺陷 20 世纪 80 年代起 220kv 及以上电压等级的变压器 都进行了局放试验 经验表明 局放试验对发现上述种种缺陷 是特别有效的 因此对于出厂时局放试验合格的变压器 尤其 是安装或检修后还进行过局放试验的变压器 一般不会存在正 常工作电压下引起绝缘事故的制造缺陷 2 绝缘老化说 我国曾经有几台变压器 由于油道堵塞 匝绝缘局部过热 引起在正常工作电压下的匝绝缘事故 实际 上这是局部过热事故 油中气体色谱分析对这类事故是能鉴定 的 值得注意的事实是我国的大型电力变压器都是全密封结构 运行年代不长 部分长年轻载 因此一般不存在绝缘老化的问 题 如果由于绝缘老化引起绝缘事故 应有明显的老化象征 对因绝缘事故解体检修的多台变压器 曾针对老化程度进行检 查 都没有从老化现象中找到事故证据 绝缘老化现象是具体 和明显的 有证据才能成立 否则应排除其可能性 3 油流带电说 对于强油循环的大型电力变压器 在油 泵开动的情况下测量绕组的电位和泄放电流时 绕组电位高的 可达几千伏 泄放电流大的超过微安级 说明油流和固体绝缘 摩擦必然要产生静电 只是量的多少而已 称作油流起电 但 油流起电不等于 油流带电 通常所说的油流带电 实际指的 是油流起电后引起油中放电 以下改称油流放电 油流放电 时在油中产生间歇性的电火花 局部放电测量仪可以收到信号 甚至耳朵可以听到声响 持续的油流放电将引起油中出现 c2h2 此时应视为一种故障 需要说明的是由油流起电发展到 油流放电是有条件的 一方面是要有足够的电量 另一方面是 要形成放电的通道 个别变压器在运行中发生油流放电 少开 冷却器或将内部静电清理后就不再放电了 油流放电一般发生 在绕组下部 该处电位较低 而且一旦发生放电 易于发觉和 处理 所以至今虽有多起油流放电的事例 但并没有引起过绝 缘事故 如果认为某次工作电压下突发的绝缘事故是油流放电 引起的 可以对事故变压器 事故后油未流失 或同类型变压 进行试验验证 如果事前未发现油流放电现象 事后又未经试 验验证 则不宜判定事故原因 4 快速暂态过电压 vfto 说 vfto 说认为由于 sf6 的灭弧性能特别强 在 gis 中隔离开关操作或对地放电会产生 非常高频率的瞬变过电压 这种过电压脉冲传输到变压器匝绝 缘上引起共振 在局部绝缘上出现过电压 多次积累作用引起 在正常工作电压下发生匝绝缘事故 这种说法似乎合乎逻辑 但没有回答以下实际问题 大型电力变压器都有专用的无间 隙氧化锌避雷器保护 而且变压器的入口电容是很大的 入波 几经衰减之后 在变压器绕组的绝缘上出现的 vfto 幅值还有多 高 油浸变压器的油绝缘有显著的伏秒特性 vfto 的能量 是否足以引起油绝缘的不可逆损伤 vfto 的测量是非常困难的 至今并未获得真实的波形 而 只是按设想的数学模型取得计算结果 即使如此 所得结果仍 认为 vfto 引起匝绝缘事故的可能性不大 5 广义受潮说 广义受潮说认为运行中变压器内部的水 分是运动的 不停地迁移和集积 在高电场区域集积一定水分 之后 便在正常工作电压下迸发绝缘事故 作者认为 应该把注意力放在研究广义受潮说上 因此以 下将着重对此进行讨论 2 3 水分对油绝缘的危害性 2 3 1 变压器内水分的动态特性 变压器内部的水分有两种存在状态 一种是受束缚的 一 种是自由的 溶解于油中的水分可以随油流动而运动 称之为 自由水 物理性吸附于固体绝缘和金属表面的水分 可以溶解 到油中成为自由水 称之为准自由水 纸绝缘中准自由水含量 以百分率计 而油中自由水以百万分率计 准自由水的含量比 自由水要大 例如 设纸绝缘与油的比例为 1 比 10 当纸绝缘 中准自由水为 0 5 时 油中自由水为 10mg l 准自由水比自由 水就要多 50 倍 油中自由水的含量随温度的升高而增加 纸中准自由水的 含量则随温度的升高而下降 变压器在运行中纸绝缘和油中的 水分不停地进行交换 变压器在运行中油在不停地循环 变压器内的电场和温度 场是不均匀的 在高电场处和低温处容易集积水分 因此随着 变压器运行时间的延伸 水分在绝缘上的分布越来越不均匀 以致形成水分的局部集积 水分局部集积的程度首先与含水量有关 对于既定的含水 量 则取决于水分的吸引力和扩散力的较量 温度对水分的集 积有驱散作用 而电场强度 纸纤维的极性对水分有显著的吸 引力 所以 对于自由水和准自由水含量高的变压器 水分可 能在高电场区域局部集积到足以引起绝缘事故的程度 特别指出 许多书本和文章引用的一组油纸绝缘中水分静 态平衡曲线 是不符合运行中变压器的实际状况的 2 3 2 关于受潮的形态与放电的发展过程 通常见到侵入变压器内部的水分才认为是受潮 这是狭义 的受潮概念 从广义受潮的要领出发 变压器实际受潮形态可 分为二类 1 显性受潮 显性受潮是指通常所说的 变压器受潮 即看到油箱底部或器身上有积水 并且能发现水分入侵的原因 或途径 显性受潮进入变压器的水量一般都比较多 如果直接沉淀 在油箱底部 暂时对绝缘并无危害 但当水分淋到器身上 部 分绝缘被浸泡透 则必然导致绝缘击穿 这种情况下的绝缘击 穿机理属于热击穿 即在局部绝缘中流过传导电流 焦尔热使 纸绝缘炭化后发展成贯穿性放电 因而不仅绝缘烧坏 而且导 体可能发生熔化 2 隐性受潮 隐性受潮是指事故前并未发生水分入侵 只是原有水分悄悄地在绝缘上局部集积 水分集积到足以产生 局部放电时 先开始局部放电 局部放电产生气体 使放电进 一步发展 但气体的产生和扩散是一个动态过程 当产气量大 于扩散量 局部放电持续进行 很快发展成贯穿性击穿 如果 产气量小于扩散量 则局部放电暂时停歇 待水分再次集积 或选择其他途径再次发生局部放电 其间歇的时间因放电部位 的状况不同而差别很大 有的甚至可以停歇几年 沿纸板的枝 状放电是这种放电形态的典型 对于局部放电发展空间有限的 场合 例如匝间绝缘下部与垫块间的油角中集积水分 一旦发 生局部放电 将很快导致匝绝缘或段间 饼间 绝缘击穿 形 成突发性绝缘事故 前者使用适当的在线检测技术 有可能发 觉和防御突发事故 但对于后者 必须采取积极的防御措施 防止自由水的局部集积 3 防御措施防御措施 防止变压器在正常工作电压下的绝缘事故 一是要限制自 由水和准自由水的含量 二是限制自由水的局部集积 从制造 安装 检修和运行 4 个环节都应采取相应措施 3 1 制造措施 1 变压器的内绝缘结构设计时 力求工作场强均匀分布 而且尽可能的低 例如 匝间工作场强不宜大于 2kv mm 2 变压器真空干燥 最好采用煤油气相干燥 后 固体 绝缘中的含水量应小于 0 5 即达到基本上不含自由水的程度 3 严格进行真空注油 注油时变压器内可能与油接触的 任何部分吸附的水分都应被清除 注入油的含水量必须小于 10mg l 3 2 安装措施 变压器在安装过程中 不可能不接触大气 因此绝缘体和 金属表面都会吸附大气中的水分 为了使变压器内部的水分恢 复到出厂时的水平 变压器安装后必须严格进行真空干燥和真 空注油 要点如下 1 用于抽真空的真空系统 包括真空泵 管道 阀门和 表计 的极限真空度必须小于 10pa 2 所有将与油接触的绝缘体和金属表面 包括片式散热 器 或其他固体表面 例如下瓷套 均要在抽真空的范围之内 3 在抽真空的过程中 应随时检查和处理渗漏 当真空 度达到实际可能的最高水平 对最高水平的最低要求不应小于 133pa 后 必须在真空泵继续运行的条件下保持此真空度 简 称动态保持 4 真空的动态保持时间应不少于水分渗入时间 渗入时 间是指开始与大气接触到与大气隔绝的全过程时间 此过程包 括打开封板 进行排油或排氮气 或干燥空气 时直接进入大 气的时间 还包括在油箱内封存大气的时间 在此必须强调指出 器身在大气中暴露后 不用抽真空的 办法清除表面吸附水分 就注油或打入氮气 或干燥空气 不仅不能起到清除水分的作用 反而会将表面水分往深层赶 为常温下进行真空脱水增加了困难 5 在动态保持真空度的条件下 用真空滤油机注入合格 的油 油中含水量应小于 10mg l 必须指出 如果注入油的含水量较高 利用热油循环的办 法来降低油中水分 其结果是大部分的水分被纸绝缘吸收 增 加了纸绝缘的含水量 这是自欺欺人的行为 3 3 检修措施 当发现变压器内的水分比刚投运时有明显增多时 应看作 特别重要的状态指标 必