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浅析变压器放电故障及绝缘故障
作者：丁万启
来源：《中国科技博览》2013年第32期
摘要：变压器放电故障可分为局部放电、火花放电和高能放电三种类型，都能够破坏变压器的绝缘材料。本文对三种变压器放电故障进行分析，对影响变压器绝缘故障的主要原因进行了分析与探讨。
关键词：变压器 放电故障 绝缘故障 油保护
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-439-01 一、放电故障对变压器绝缘的影响
根据变压器放电的能量密度大小，可将其放电故障概括为局部放电、火花放电和高能量放电这三种类型。放电故障对变压器绝缘破坏作用，放电质点对绝缘材料的直接轰击会使局部绝缘受到破坏，这种破坏持续扩大将引起击穿现象。另外，变压器放电故障会产生一定的热量以及臭氧、氧化氮等活性气体，这些物理作用和化学作用都使得变压器的局部绝缘遭受腐蚀，增大了介质的损耗，最后导致绝缘的热击穿现象。
放电故障的主要形式是绝缘材料电老化，它是由于局部放电而引起的绝缘材料中化学键的分离、裂解以及分子结构的破坏。在放电故障处一点的热效应，也会引起绝缘材料的瞬间热裂解，甚至会产生该材料的氧化裂解，这就进一步增大了介质的电导和损耗，加速老化过程；放电过程的高能辐射会使绝缘材料变得脆弱，所产生的高压气体能够引起绝缘体的开裂，进而形成新的放电点；放电过程生成的臭氧和氮氧化物遇到水就会直接生成具有强烈腐蚀性的类液体，严重腐蚀绝缘体表面，导致绝缘体的绝缘性能发生劣化。
对于固体类绝缘体，其电老化的形成于发展呈现出树状，其过程是先在电场比较集中的位置产生放电，然后由此引发树枝状的放电痕迹，再进一步扩大，最终导致绝缘体的击穿现象。 对于液体浸渍类绝缘体，也存在电老化现象。例如在该类绝缘体的某个局部发生放电现象，一般首先发生在固体或油内的小气泡中，而且放电过程会使油分解产生的气体被油吸收，一旦油洗吸收气体的速度远远低于气体的产生速率，导致内部气泡逐渐扩大、增多，就会促使放电增强，浸渍类的固体绝缘体无法良好散热，出现过热现象，最终损坏。 二、变压器放电故障分析
经过笔者多年工作经验，就目前常见的几种变压器放电故障进行分析，主要包括变压器局部放电故障、变压器电弧放电故障与变压器火花放电故障这三种类型。
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（一）变压器局部放电故障
变压器局部放电，主要是变压器绝缘结构内部的气隙、油膜或者导体的边缘在电压作用下发生非贯穿性的放电现象。放电产生气体的主要成分是氢气，其次是甲烷，或者乙炔等。局部放电初期，属于一种低能量的放电形式，它发生在变压器的内部，主要原因是变压器的油中存在气泡或者固体绝缘材料中存在空腔，介电常数很小的气体会在交流电压作用下承受高的场强，但是气体的耐压强度比油和纸绝缘材料低，因此很容易在气隙中发生放电现象。另外，制造质量使某些部位有尖角或者金属部件或导电体之间接触不良、以及油处理不彻底致使油中析出气泡等外界环境条件也会引起放电，最终会导致变压器设备的击穿或损坏，引起严重的事故。
随着变压器故障诊断技术的发展，人们充分认识到局部放电对变压器有机绝缘材料故障和事故的重要影响，因此对局部放电故障的测量方法有了一定的成果，主要包括电测法、超声测法和化学测法等重要途径。 （二）变压器火花放电故障
变压器火花放电故障的电能密度比较大，其成因往往是由于悬浮电位或者油中杂质引起的。
高压电力设备中的金属部件在运行中接触不良或者断开，就会在高压电极与低压电极之间形成分压，进而在该金属部件上产生的对地电位，也就是所谓的悬浮电位。物体上一旦附有悬浮电位，将会在其附近产生较集中的场强，并逐渐烧坏周围的固体介质，使绝缘油在悬浮电位作用下分解出大量特征气体。
油中杂质是使变压器发生火花放电故障的主要原因，主要包括水分和受潮的纤维质。在电场中，水的介电常数远远高于变压器油，因此杂质首先发生极化，向着电场强度最强的电极附近被吸引，并按电力线方向排列。同样，受潮的纤维质也具有较大的介电常数，这就会加强纤维端部油中的电场，因此这部分油也最先产生放电现象。变压器油在高场强下得以游离，进而分解出气体，不断增大气泡，并进一步增强游离特性。经过一定的发展蔓延之后，就会使整个油间隙在气体通道中发生火花放电。
火花放电一般不会立刻引起绝缘击穿，并且该故障可以通过油色普分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作等现象进行判断。 （三）变压器电弧放电故障
变压器电弧放电是高能量放电，最常见的就是绕组匝层间绝缘击穿，以及引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。
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电弧放电的能量密度大，气体产生急剧，易穿透绝缘纸，或者使其烧焦、炭化，使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会发生爆炸事故。出现电弧放电故障后，气体继电器中的氢气和乙炔等主要成分的含量将升高，变压器油也会炭化变黑。这种事故一般事先难以预测，也无明显预兆，往往突发暴露出来。
三、影响变压器绝缘故障的主要因素
电力变压器的绝缘指的就是由绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常运行的基本条件，它的寿命也决定着变压器的使用寿命。实践证明，变压器的损坏和故障几乎都是由绝缘系统的损坏而造成的，绝缘故障所导致的变压器事故约占全部变压器事故的80%以上。 油浸变压器和干式树脂变压器是目前使用最为广泛的电力变压器，对正常运行的变压器，加强对绝缘系统的合理维护，可以在很大程度上延长变压器的使用寿命。
影响变压器绝缘性能的主要因素有温度、湿度等环境因素，还有变压器自身设计的油保护方式和过电压影响等。 （一）环境因素 1、温度的影响
电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量也不尽相同，而且通常纸内水分会在温度升高时向泊中析出，反之则纸要吸收油中水分。鉴于此原理，在环境温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量会较大，反之微水含量就会很小。
不同的温度环境，也会使纤维素解环、断链并伴随气体产生的程度有所不同，变压器中的CO和CO2等气体产生速度会随着温度的改变而变化，而且油中CO和CO2的含量与绝缘纸热老化有着直接的关系，并可将含量变化作为密封变压器中纸层有无异常的判据之一，因此环境温度的影响非常重要。 2、湿度的影响
湿度的重要衡量标准就是水分含量，水分会加速纸纤维素降解。同时，变压器中的CO和CO2等气体的产生与纤维素材料的含水量也有关：湿度一定时，含水量越高则CO2越多，含水量越低则CO就越多。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都有极大的危害，促进绝缘油老化，绝缘性能劣化。 （二）油保护设计因素
变压器油中的氧会加速绝缘分解，而含氧量与油保护方式有关，CO和CO2在油中解和扩散状况也与油保护方式有关。由于CO气体难溶于水，因此开放式变压器的CO就相对比较容
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易扩散到油面空间，而在密封式变压器中，由于油面与空气有良好的绝缘，致使CO和CO2难于挥发，造成这两种气体的含量偏高。
综上所述，掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，将直接影响到变压器的安全运行、使用寿命和供电可靠性。作为电力系统中最为重要的关键主体设备，电力变压器成为人们研究变电技术的关键切入点。 参考文献
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