电力变压器的可靠性影响因素

电力变压器的可靠性影响因素

林灏凡

（深圳供电局广东深圳518000）

摘要：随着我国社会经济不断发展，当今变压器在社会生产和人们生活中的作用愈加明显。变压器的老化过程和健康状态是运维人员不容忽视的技术问题和自然现象。基于此，本文分析了变压器的老化进程，帮助厘清造成变压器老化的各类影响因素。并根据变压器的生命历程，介绍了诊断变压器健康状态的各类信息，旨在提高变压器运行的稳定性和安全性。

关键词：变压器；老化；健康

变压器的可靠性随着其绕组的老化而逐步降低，如果用可靠性评价指标来衡量的话，其故障率随着变压器的逐渐老化而升高。变压器的老化进程，在出厂时就开始了，氧气、水分在一定温度下，对绝缘发生缓慢的作用，导致绝缘老化；变压器投运后，电场和磁场共同作用，温度的升高，负荷的增加，加快了变压器的老化进程，这期间温度对老化进程起着决定性作用，这块后续会展开讨论。运行期间，偶然发生的短期过负荷、短路故障，导致变压器绕组瞬间大电流，温度急剧升高，严重损坏了绝缘的耐压强度，加快了绝缘的老化速度，根据IEEEStdC57.91-1995,变压器热点温度为155℃时的老化速率是变压器110℃时的老化速率的100倍。变压器的可靠性水平也要随着这些偶然不可控因素的而发生改变。可见如图1，形象模拟了变压器的健康状况老化进程：

另外，GB/T15164—94中指出以下各因素对变压器的老化进程起决定性作用：

(1)事故(指过电压、系统中短路)严重性；

(2)变压器设计及质量；

(3)变压器各部分的温度；

(4)绕组绝缘介质和油中的含水量；

(5)绕组绝缘介质、油中氧气及其他气体含量；

(6)杂质的数量、大小和类型。

1、电力变压器老化影响因素

影响变压器老化进程的因素有很多，主要因素与变压器运行期间的工况和环境密切相关。造成变压器绝缘老化的主要原因有过电流、长期高负载运行、过热、水分、氧化等。热和水分是造成固体绝缘材料老化的最主要因素，而氧化作用则会加速绕组绝缘的劣化。变压器在运行时，绝缘结构长时期经受的老化方式主要有：热老化、电老化、化学老化、机械应力老化。

1.1热老化

变压器每时每刻都在进行着热老化，老化速率随着温度的高低也不同。变压器温度升高的主要原因是变压器本身的负荷损耗，这与变压器本身所采用的材料和设计方法有很大有关，变压器的热老化一直以来就是研究的热点。1930年Monstsinger首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即5℃～10℃规则，认为在100℃～110℃温度每升高6℃则绝缘寿命约减半，在大于120℃温度每升高8℃则绝缘寿命约减半，并以绝缘拉伸强度达到初值的50％作为寿命终结的判据。1948年Dakin提出热老化实际上是有聚合链分裂等作用的氧化反应，当纤维温度达到200℃或以上，就会与氧化物或水发生反应生成葡萄糖、CO、CO2和有机酸，并加速了正常氧化的油的反应速度，在1984年，戴金的研究表明：任何可测量的绝缘材料的物理性质的改变速率都遵循阿列纽斯的反应速率理论，该理论可以以反应速率的形式表述：

式中：A和B为经验常数。

显然，温度越高，绝缘的老化速度越快。并导致高分子材料的裂解，使材料的抗拉强度下降以及电性能如耐电强度、介质损耗、绝缘电阻等性能变劣，并使材料变脆或开裂。

1.2电老化

变压器油纸绝缘结构的电老化取决于其局部放电的积累程度。矿物油与纤维素的相对介电常数分别为2.2和6.6，因此油隙上的电场强度比较高，易于发生局部放电。矿物油中主要成分为碳氢化合物，即烃类包括烷烃、环烷烃、和芳香烃，在高电场作用下，因离子撞击作用使矿物油分子分解，产生气体包括H2，CH4，C2H2，C2H4C2H6等，在绝缘层中形成气隙和气泡，加剧了局部放电，同时，油分子链还可以生成固态蜡状物使绝缘导热困难而导致热破坏。当外施加电场运低于绝缘材料的击穿强度时，或外施电压远低于绝缘的局部放电起始电压，则绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不击穿。

1.3化学老化

当绝缘纸板中的水分增加、变压器油老化生成的酸性成分增加或由于接触空气使氧与纤维分子里的碳原子反应生成醛类和酸，纤维素水解速度加快，会导致聚合度降低、纤维变短、强度变弱从而影响绝缘件的机械强度，而氧化过程使绝缘材料释放出水、CO、CO2也会导致聚合度降低，同时又生成CO、CO2，从而导致其物理化学性能的劣化。

1.4机械应力老化

牵引变压器在运行过程中，不可避免地遇到短路作用，使绕组产生机械应力，同时在正常运行中因电流及磁场的存在也有这样的作用。当绝缘材料疲劳而产生裂纹时就易诱发电树枝的形成，从而导致使绝缘老化。短路瞬间的大电流产生的电动力引发变压器绝缘位移、线圈变形，造成电场分布不均匀，也会加速变压器老化进程。

2、电力变压器可靠性评估信息分析

电力变压器在其整个服役期间，内部各个器件都在缓慢的发生老化，人们不能直接观察到各器件的老化程度，但可通过变压器的各种外部表征或试验检测或日常数据记录，间接的了解变压器当前状况。例如，可根据油质测试情况了解变压器油的状况，根据频谱响应曲线对比了解变压器内部绕组变形情况。

正确获得这些变压器状态信息，并科学、合理的进行分析，便可真实的评估当前变压器的状况。从设计生产、投产运行、例行试验、定期检修的变压器生命历程，可把变压器的状态信息对应的分为4部分，分别为基础信息、运行信息、试验信息、故障及缺陷（或维修）信息。

2.1基础信息

基础信息为变压器自身所固有的信息，包括变压器的额定容量、额定电压、额定电压比、绝缘水平、空载损耗和空载电流、负载损耗和短路阻抗、绕组联结组标号，同时还有冷却方式、变压器油温升、绕组温升，还包括制造厂家、出厂日期、投运日期，及本系列设备的家族缺陷等。

2.2运行信息

运行信息为变压器运行期间状态信息的记录，包括变压器的负载情况，变压器外部所在环境情况（温度、污秽等级），冷却系统的工作状况、调压开关的工作状况等其它辅助机构的状态信息。

2.3.试验信息

试验信息具体包括预防性试验信息、油简化试验（酸度、击穿电压、微水、介质损耗）信息、油色谱试验（氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔）信息、糠醛试验信息。

2.4故障缺陷（或维修）信息

故障故障缺陷（或维修）信息变压器最近5年的各种故障信息（包括故障大小、故障持续时间、维修更换情况等），如短路故障（要有故障电流、故障时间记录，故障后的直阻测试、电容量测试、频谱测试分析等）。

3、结束语

变压器是由多个构件组成的共同体，由铁心、高压绕组低压绕组、主绝缘、绝缘油、油箱、套管、辅助设备等部件构成，各个构件对变压器可靠性的影响水平是不一样的。本部分主要对变压器的可靠性影响因素进行分析，介绍了可能引起绝缘劣化的4个因素：热老化，电老化，化学老化和机械应力老化；以及根据全生命周期，讲解了变压器的4个状态评估信息：基础信息，运行信息，试验信息，和故障缺陷（或维修）信息。

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