500kV变压器围屏树枝状放电故障分析

罗 虎 史 义

（南阳供电公司，河南 安阳 473000）

1 引言

由于电压等级的提高、输电距离的增长以及输电线波阻抗和传播常数的变化、变电容量的加大，使500kV变电站的运行较之于330kV及以下变电站的运行在技术难度上有显著的增加，由于运行经验不足，潜在着较大的安全隐患。同时，作为地区的枢纽变电站，500kV变电站承担着保证地区电网安全的重要任务，其安全性至关重要。本文主要对 500kV变压器常见的围屏树枝状放电故障进行了研究。

2 变压器故障分类

变压器存在的故障，无论是热性的或是电性的，也无论是内部的还是外部的，都是引发变压器事故的隐患，变压器故障的种类很多，一般来说，常见的故障主要可按不同标准分类，如图1所示。

图1 变压器故障分类

（1）磁路中的故障。即在铁心及夹件中的故障，其中最多的是铁心多点接地故障。

（2）绕组故障。包括线段、纵绝缘和引线中的故障，如绝缘击穿、断线和绕组匝、层间短路及绕组变形等。

（3）绝缘系统中的故障。即在绝缘油和主绝缘中的故障，如绝缘油异常、绝缘系统受潮、相间短路、围屏树枝放电等。

（4）结构件和组件故障。如内部装配金具和分接开关、套管、冷却器等组件引起的故障。

变压器外部故障主要是变压器油箱及其附近焊接不良、密封不良，造成渗漏油故障，冷却系统包括油泵、风扇、控制设备等的故障；分接开关传动装置及其控制设备的故障；其他附件如套管、储油柜、测温元件、净油器、吸湿器等的故障。外部故障如果不及时处理，很容易发展成为变压器内部故障。

3 500kV变压器围屏树枝状放电故障

3.1 故障形成的基本过程

变压器绝缘是介电系数不同的绝缘油、绝缘纸和纸板串联的组合绝缘。按照绝缘设计，必须把这些绝缘材料的厚度分配得合理，否则它们将遭受到极大的电应力。在工作电压下，通常是绝缘油承受较大场强。因为绝缘纸板及绝缘油的介电系数分别约为5.1和2.2，施于这两种串联绝缘材料上的总电压按同样厚度的每种材料所承担的电压是与各自的介电系数成反比例分配的，即绝缘油中场强是绝缘纸的 2.5倍。由于绝缘油电气强度通常只有油浸纸绝缘的1/3-1/4，所以在油纸组合绝缘中总是首先在油隙中发生局部放电；若绝缘受潮或含有气泡，则这种局部放电的起始电压将更低。

由于线段间的长垫块和撑条等绝缘结构存在棱角，使绝缘棱角处电场畸变，加之围屏与绕组内侧存在突出部分，S弯换位和线匝凹凸不平以及纸板变形的弯曲部分等原因，使局部油道变窄，这样既可能导致局部过热，亦可以加剧电场畸变，场强升高。因此，将会引起在导线棱角处绝缘表面的油隙首先发生放电，接着发展到围屏纸板上，或引起第二个油隙相继放电。当夹层不洁，内部滑闪放电就更容易发生，最终在其放电通道上形成树枝状的炭化沟道。

3.2 故障形成的内部原因

（1）绝缘受潮。干燥的油隙和纸板围屏绝缘结构的抗电强度是很高的，油浸绝缘纸板受潮后，其抗电强度大为降低。变压器运行经验证明，在变压器油泵和导管以及各结合面密封均良好的情况下，只有C相侧的安全气道和吸湿器是潮气入侵的主要途径。当潮气从这一途径进入油箱内部后，在温度降低时，油中的湿气会凝成游离水，从而沉积于箱底。这也就是在安全气道对应的油箱底部常常可见到较多锈迹的缘由。

在强油循环系统中，当负荷大，油泵和冷却器全部投入时，AB相间和BC相间将各自进行油循环。由于对应于安全气道的C相进潮，所以BC相间是湿油循环，加速了该循环途径上的垫块和围屏纸板的受潮。因此，在 BC相间，油和纸板的抗电性能降低是显而易见的。这就是树枝状放电多发生在BC相间的主要原因。

（2）绝缘含气。气体将使放电起始场强大大降低，特别是当变压器含气量高，且有潮气侵入时，因为围屏纸板表面附着含湿气泡，或者纸板夹层鼓包、分层而存在含湿空穴时，将更易导致形成树枝状放电现象。

3.3 故障形成的外部原因

（1）相间绝缘薄弱且布局欠合理。在变压器长时间运行中，相间和相对地的平均工作场强是有一定差异的，通常相间平均工作场强高于相对地的。在变压器设计时，若把相间与相对地的绝缘取相同水平，则从结构上相间绝缘水平就较低。在运行中，若有一相遭受过电压作用，则相间结构的绝缘水平就更低，这显然是不合理的。

（2）绕组首端支出的长垫块位置和形状不合理。在发生围屏树枝状放电故障的变压器中，在绕组首端和上、下分接断口处，采用矩形垫块来支撑围屏纸板。该长垫块前沿的两个尖角顶住围屏纸板的两点，受围屏紧固时的机械损伤和高电场的作用而导致接触处易烧伤，而且往往在长垫块的表面或夹层内形成树枝状放电痕迹。

4 案例分析

4.1 故障现象

对有载分接开关渗油进行检修，修剪前 DGA检测C2H2为1.2UL/L，修后当施加1.3倍额定电压测量中压侧局部放电时，加压4min，内部有由小变大的丝丝声，试验用发电机电流剧增。A相绕组的介质损耗比其他两相增大1倍以上。

4.2 故障检查实况

吊罩发现高压绕组上端部在低压出线左侧纸板和撑条上有树枝放电炭道。吊出高压绕组发现其内侧1-47段间导线上有11个击穿点；对应其故障点的 3mm纸板都有不同程度的击穿点和树枝放电炭道；纸板绷带多处有放电点，9根油道撑条亦有放电痕迹。中压绕组第5段垫块边缘有一击穿点。

4.3 故障原因分析

制造工艺不良，撑条边沿毛糙，未倒圆角，绝缘件上和角环内有金属粉末和杂质。损坏严重的3mm纸板含水量为1.98%。导致故障的主要原因为工艺粗糙、绝缘不洁和受潮以及油中气泡等，使纸板发生树枝状放电，并引发由高压绕组端部区域向中压发展。

4.4 故障处理

高压绕组经国内制造厂仔细修补，继续使用，更换全部高、中压间纸板，器身整体进行了热油冲洗和涡流真空干燥。检修后经升压和局部放电试验合格后投入运行。

5 结论

围屏树枝状放电故障是500kV变压器运行中出现频率较高的故障之一，其具有影响范围广、危险性大的特点。因此，在500kV变压器运行中，值班人员应重点关注相关指标的变化，熟悉故障处理流程，以保证500kV变压器的可靠运行。

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