浅谈变压器的放电故障

李晓东 凤斌 赵宏业

摘 要：电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。因此，变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。但由于变压器长期运行，故障和事故总不可能完全避免，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。如外力的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患，特别是电力变压器长期运行后造成的绝缘老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。同时，部分工作人员业务素质不高、技术水平不够或违章作业等，都会造成事故或导致事故的扩大，从而危及电力系统的安全运行。

关键词：变压器;放电故障;绝缘

我们油田企业是一个超大型的露天工厂，变压器的使用数量、类型非常庞大。由于变压器故障类型太多，因此，很难以某一范畴规范划分变压器故障的类型。我们在这里先初步分析变压器常见的放电故障。根据放电的能量密度的大小，变压器的放电故障分为局部放电、火花放电和高能量放电三种类型。

一、放电故障对变压器绝缘的影响

放电对绝缘有两种破坏作用：一种是由于放电质点直接轰击绝缘，使局部绝缘受到破坏并逐步扩大，使绝缘击穿。另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，介质损耗增大，最后导致热击穿。

（1）绝缘材料电老化是放电故障的主要形式。

1）局部放电引起绝缘材料中化学键的分离、裂解和分子结构的破坏。

2）放电点热效应引起绝缘的热裂解或促进氧化裂解，增大了介质的电导和损耗产生恶性循环，加速老化过程。

3）放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化学反应腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。

4）放电过程的局能辐射，使绝缘材料变脆。

5）放电时产生的高压气体引起绝缘体开裂，并形成新的放电点。

（2）固体绝缘的电老化。固体绝缘的电老化的形成和发展是树枝状，在电场集中处产生放电，引发树枝状放电痕迹，并逐步发展导致绝缘击穿。

（3）液体浸渍绝缘的电老化。如局部放电一般先发生在固体或油内的小气泡中，而放电过程又使油分解产生气体并被油部分吸收，如产气速率高，气泡将扩大、增多，使放电增强，同时放电产生的 X一蜡沉积在固体绝缘上使散热困难、放电增强、出现过热，促使固体绝缘损坏。

二、放电故障的类型与特征

1 变压器局部放电故障

在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现称为局部放电。局部放电刚开始时是一种低能量的放电，变压器内部出现这种放电时，情况比较复杂，根据绝缘介质的不同，可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电;根据绝缘部位来分，有固体绝缘中空穴、电极尖器、油角间际、油与绝缘纸板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等处的局部放电。

（1）局部放电的原因。

1）当油中存在气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔，由于气体的介电常数小，在交流电压下所承受的场强高，但其耐压强度却低于油和纸绝缘材料，在气隙中容易首先引起放电。

2）外界环境条件的影响。如油处理不彻底下降使油中析出气泡等，都会引起放电。

3）金属部件或导电体之间接触不良而引起的放电。局部放电的能量密度虽不大，但若进一步发展将会形成放电的恶性循环，最终导致设备的击穿或损坏，而引起严重的事故。

（2）放电产生气体的特征。放电产生的气体，由于放电能量不同而有所不同。如放电能量密度在 10-9C 以下时，一般总烃不高，主要成分是氧气，其次是甲烷，氧气占氧烃总量的80%一 90%，当放电能量密度为 10.8一10.7C 时，则氢气相应降低，而出现乙烽，但乙烽这时在总烃中所占的比例常不到 2% ，这是局部放电区别于其他放电现象的主要标志。随着变压器故障诊断技术的发展，人们越来越认识到，局部放电是变压器诸多有机绝缘材料故障和事故的根源，因而该技术得到了迅速发展，出现了多种测量方法和试验装置，亦有离线测量的。

（3）测量局部放电的方法。

1）电测法。利用示波器、局部放电仪或无线电干扰仪，查找放电的波形或无线电干扰程度。电测法的灵敏度较高，测到的是视在放电量，分辩率可达几皮库。

2）超声测法。利用检测放电中出现的超声波，并将声波变换为电信号，录在磁带上进行分析。超声测法的灵敏度较低，大约几千皮库，它的优点是抗干扰性能好，且可"定位”。有的利用电信号和声信号的传递时间差异，可以估计探测点到放电点的距离。

3）化学测法。检测溶解油内各种气体的含量及增减变化规律。此法在运行监测上十分适用。人简称"色谱分析"。化学测法对局部过热或电弧放电很灵敏，但对局部放电灵敏度不高。而且重要的是观察其趋势，例如几天测一次，就可发现油中含气的组成、比例以及数量的变化，从而判定有无局部放电或局部过热。

2 变压器火花放电故障

发生火花放电时放电能量密度大于 10一6C 的数量级。

（1）悬浮电位引起火花放电。高压电力设备中某金属部件，由于结构上原因，或运输过程和运行中造成接触不良而断开，处于高压与低压电极间并按其阻抗形成分压，而在这一金属部件上产生的对地电位称为悬浮电位。具有悬浮电位的物体附近的场强较集中，往往会逐渐烧坏周围固体介质或使之炭化，也会使绝缘油在悬浮电位作用下分解出大量特征气体，从而使绝缘油色谱分析结果超标。悬浮放电可能发生于变压器内处于高电位的金属部件，如调压绕组，当有载分接开关转换极性时的短暂电位悬浮;套管均压球和无载分接开关拨钗等电位悬浮。处于地电位的部件，如硅钢片磁屏珊和各种紧固用金属螺栓等，与地的连接松动脱落，导致悬浮电位放电。变压器高压套管端部接触不良，也会形成悬浮电位而引起火花放电。

（2）油中杂质引起火花放电。变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。杂质由水分、纤维质（主要是受潮的纤维）等构成。水的介电常数 e约为变压器油的 40 倍，在电场中，杂质首先极化，被吸引向电场强度最强的地方，即电极附近，并按电力线方向排列。于是在电极附近形成了杂质"堆积，如果极间距离大、杂质少，只能形成断续杂质堆积，杂质的导电率和介电负数都比变压器油大，从电磁场原理得知，由于堆积杂质的存在，会畸变油中的电场。因为纤维的介电和常数大，使纤维端部油中的电场加强，于是放电首先从这部分油中开始发生和发展，油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。而后逐渐发展，使整个油间降在气体通道中发生火花放电，所以，火花放电可能在较低的电压下发生。

（3）火花放电的影响。一般来说，火花放电不致很快引起绝缘击穷，主要反映在油色普分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易被发现和处理，但对其发展程度应引起足够的认识和注意。

3 变压器电弧放电故障

电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。

（1）电弧放电的影响。电弧放电故障由于放电能量密度大，产气急剧，第以电子崩形e 冲击电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会造成设备烧损，甚至发生爆炸事故，这种事故一般事先难以预测，也无明显预兆，常以突发的形式暴露出来。

（2）电弧放电的气体特征。出现电弧放电故障后，气体继电器中的 H2 和 C2H2 等组分第高达几千 UL/L，变压器油赤炭化而变黑。油中特征气体的主要成分是 H2 和 C2H2，其次 C2H6 和 CH4。当放电故障涉及到固体绝缘时，除了上述气体外，还会产生CO 和 CO2。

综上所述，三种放电的形式既有區别又有一定的联系。区别是指放电能级和产气组分，联系是指局部放电是其他两种放电的前兆，而后者又是前者发展后的一种必然结果。由于变压器内出现的故障，常处于逐步发展的状态，同时大多不是单一类型的故障，往往是一种类型伴随者另一种类型，或几种类型同时出现，因此，更需要认真分析，具体对待。