高寒地区电力变压器故障机理分析及对策

张 静， 张连星， 程 林， 朱学成， 刘 洋， 于春来

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074 ;2. 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030)

高寒地区电力变压器故障机理分析及对策

张 静1， 张连星1， 程 林1， 朱学成2， 刘 洋2， 于春来2

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074 ;2. 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030)

基于高寒地区冬季低温气候特征，实地调查研究电力变压器故障及缺陷状况。结合电力变压器工作环境和物理力学性能变化，分析了高寒地区电力变压器故障原因，提出运行维护的对策。可为高寒地区电力变压器的选型、试验及运行维护提供参考。

高寒地区；电力变压器；低温条件；故障分析

近年来，由于大气环境的破坏，整体看气温有所升高，极端气候出现的概率有所增大。极端气候的主要表现夏季为酷热的高温天气，冬季为极冷的低温天气，春季与秋季天数较少。在我国东北寒冷地区和西部高海拔地区，在冬季容易出现低于-40℃低温天气。极端气候对电力设备绝缘的安全稳定运行无疑是一种挑战[1-5]。 而低温天气对备用及低负荷运行的电力设备问题将尤为突出，因为电力设备可能在一段时间内出现低于设计时的最低温度，从而引发电力设备产生缺陷甚至出现故障[6-8]。

电力变压器是电力工业中不可或缺的重要组成部分， 在发电、 输电、 配电、电能转换和电能消耗等各个环节起着至关重要的作用， 电力变压器的安全运行直接关系到电网的安全与稳定。GB1094.1-2013中对变压器规定的使用条件没有涉及到环境温度低于-25℃的低温地区[9]。因此,在广大低温地区所采用的户外用油浸式电力变压器，在高寒地区电力变压器的选用、试验以及运行等方面所面临的一些特殊问题需要给予关注，以保证这些电力设备在低温环境条件下能够安全可靠运行。

1 高寒地区冬季极端气候特征

我国属于高寒地区的包括黑龙江省北部、青藏高原、甘肃、内蒙古部分地区。高寒地区气候复杂多样，四季分明。春季气温骤升，干旱少雨，多大风沙尘天气；夏季温热短促，降水集中;秋季气温剧降，秋霜来得早；冬季漫长严寒，多寒潮天气[10]。其中以黑龙江省漠河为代表的北部地区2011-2016年最低温度与最高温度如图1所示，冬季最低温度为-44℃，夏季最高温度为33℃。而1969年漠河地区气温曾下降到-52.3℃。

图1 漠河地区历年温度统计Fig.1 Temperature statistics in Mohe area in past years

以2015年为例，对漠河地区全年气温统计如图2所示。其中I类温度范围为-45℃～-20℃，II类温度范围为-19℃～0℃，III类温度范围为1℃～20℃。图2中的数据按日最低气温统计。由图2可见，I类温度天气为125天，II类温度天气为97天，III类温度天气为143天。日最低气温≤0℃的日数222天。

图2 漠河地区2015年气温统计Fig.2 Temperature statistics in Mohe area in 2015

2 电力变压器故障统计

2.1 变压器跳闸统计

2009年，某高寒地区电力公司110kV及以上系统共发生变压器跳闸9次，跳闸率为1.79次/百台。其中变压器本体故障原因造成的有 4台次，由外部原因造成的故障有 5 台次。110(66)kV 及以上变压器跳闸次数统计如表1所示。

2009年，变压器跳闸的外部原因与本体故障原因基本相当。其中本体故障原因引起跳闸共4台次,

表1 110(66)kV以上电压等级变压器跳闸次数统计Table 1 Transformer tripping frequency statistics with the voltage level of over 110 (66) kV

占总跳闸次数的44.4%，故障原因分别为：变压器因缺油重瓦斯动作跳闸1台次；有载瓦斯继电器误动1台次；受外部故障冲击跳闸2台次。受外部原因造成变压器跳闸共5台次，占总跳闸次数的55.6%,故障原因分别为：变压器油标号低引起保护装置误动1台次；由于高寒地区昼夜温差大造成变压器本体密封胶垫快速老化而密封不良，水分混入油中，降低了变压器油的绝缘强度引起跳闸2台次；油中空气溶解度低导致瓦斯动作，跳闸1台次；人员误碰二次回路引起变压器跳闸1台次。

2.2 变压器缺陷情况统计及分析

两组自我护理情况比较:在自我护理技能、自我护理责任感、自我护理能力等方面,观察组效果要明显优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

2009 年，某高寒地区电力公司110(66) kV 及以上变压器各类缺陷合计 93 台次，占在运变压器的 23.25%。主要缺陷为：本体渗漏油；油色谱异常；套管介损超标；直阻超标；末屏接地不良；冷却系统故障；铁芯多点接地；分接开关故障。110(66) kV及以上变压器缺陷情况如图 3 所示。在各类缺陷中，渗漏油缺陷共 42 台次，占缺陷总数的 45.2%，所占比例最高。

图3 2009年变压器缺陷次数统计Fig.3 Transformer defect time statistics in 2009

3 电力变压器故障原因及处理方法

低温天气对包含变压器在内的电气设备的正常运行造成很大影响。实际上，由于冬季低温天气引起油纸绝缘电力变压器事故呈现逐年增加的趋势。下面给出近10年高寒地区电力变压器故障的几个实例。

a. 某变电站由于寒冬出现主变瓦斯保护动作。保护动作后，对变压器分别进行了外观检查、主变油色谱分析、直流电阻试验、主变绝缘试验、介质损耗因数及电容量试验、继电保护二次回路检查、瓦斯继电器校验、二次回路电缆绝缘性能检查等，均没有发现异常现象。考虑到国家电网中的大、中型变压器采用25号油居多，而故障发生时温度为-33℃，经核查，该变压器所用变压器油也为25号油。因此，可确定故障原因是由于故障当天温度较低，低于25号变压器油的凝点，导致变压器油凝结，瓦斯保护动作。

高寒地区变压器油应根据冬季最低温度选择，当最低温度为-25℃以下时，应提高变压器油的标号，如采用45 号变压器油，以适应寒冷气候环境，避免变压器油低温环境下凝结。

b. 北方某变电站主变跳闸，当天外界气温低于-30℃。对变压器油进行色谱分析，发现油中水分超标，同时在绝缘纸板上发现了表面爬电的痕迹。此次故障原因为油中水分含量超标，致使变压器油的绝缘强度降低，从而引起了绝缘木板表面爬电，导致跳闸故障发生。对于油中水分的增加，可能是由于北方地区天气寒冷，昼夜温差大，冷热不均造成变压器本体密封胶垫部分老化而密封不良，使水分混入油中，降低了变压器油的绝缘强度，从而引起了跳闸故障。

高寒地区变压器选用时应注重密封垫材料选择，选用耐低温的材质如改性的丁腈橡胶，丙烯酸酯橡胶等[11]，并尽可能使用成型密封件，避免因密封垫质量问题造成缺陷重复发生。

高寒地区变压器首次投运时，应加强对变压器器身及变压器油的检查，避免油中水分含量过高。同时，变压器油色谱试验应在变压器油温升高至0℃以上一段时间后采样进行，保证水分可以有效检出。

d. 某变电站110 kV变压器试验过程中发生故障，试验时环境温度-18℃。对变压器进行检测发现，油中水分含量并未超标。经分析，变压器检修完成后，并未对本体加热就进行试验。根据油纸绝缘击穿特性，温度在-10℃左右时击穿强度最低。试验加压后，变压器对油纸绝缘加热，使得油纸绝缘内部温度接近-10℃，导致试验过程中击穿。

高寒地区冬季变压器冷启动时，应对变压器进行加热，目前现场常用的方法是采用变压器低频加热装置，使变压器油纸绝缘内部温度提高到-10℃以上，从而提高变压器绝缘水平，使之满足现场安全运行的要求[12]。

4 运行维护建议

对于高寒地区电力变压器典型的故障及缺陷，应有针对性地规范冬季严寒时的管理和运行维护方法。

4.1 渗漏油问题

近几年尽管各单位加强运行维护，但是渗漏油现象仍较为突出，尤其是运行时间较长的变压器。渗漏油部位大多集中在大盖、套管底座密封处、散热器与本体连接蝶阀和瓦斯继电器等，且大多是由密封垫密封不良引起。主要原因为变压器密封材料老化变形、热胀冷缩引起紧固螺丝松动、部分蝶阀和瓦斯继电器质量不良。另外，因部分单位对渗漏油缺陷不重视，未及时安排消缺处理，使缺陷程度更为严重。为消除变压器设备渗漏油缺陷，对于新变压器，在签订技术协议时，应要求厂家采用优质、满足耐油耐高温要求的密封材料，并做好监造工作。同时，要重视消除渗漏油缺陷，加强检修维护工作，及时对渗漏油缺陷进行处理。

4.2 变压器高压套管绝缘子表面维护

由于高寒地区冬季尘污严重，再加上积污绝缘子上有积雪，支柱绝缘子的绝缘性能与南方地区相比会降低，绝缘子表面常常发生闪络，严重时甚至会发生高压对地的短路事故，直接影响电力系统安全。高压绝缘套管、支柱绝缘子的运行维护要保证表面处于清洁状态，可用毛巾擦拭绝缘子表面，去除尘污，最后再刷涂一层绝缘硅胶油。

4.3 变压器的正常油位与补油

变压器油枕上通常装有油位表，其作用是监视油位是否正常。油位的高低除了与变压器负荷轻重、运行温度、油箱是否渗漏等情况有关之外，还与环境的温度密切相关。高寒地区冬季户外温度低，受到热胀冷缩的作用，油位往往低于油位表的低限刻度。对于这种情况，应及时补油。运行中的变压器补油，应注意在补油前，将重瓦斯保护改接至信号装置，防止误跳闸；补油完成后，要检查瓦斯继电器，及时放出气体，24h无问题才能将重瓦斯保护投入。为防止变压器底部污物进入变压器身内，禁止从变压器下部放油阀补油。

4.4 变压器冷却系统退出运行

高寒地区冬季温度普遍低于-40℃，黑龙江漠河地区冬季的历史极端最低气温曾达-52.3℃。随着环境温度不断下降，变压器本体温度也不断下降，当本体温度低于经济运行温度时，强油风冷变压器的风扇就应逐个退出；但对于120MVA以上变压器必须保证有2台潜油泵运行，保证变压器油处于流动状态，防止变压器油结冰导致的油路不通等缺陷。

5 结 语

高寒地区冬季极端气候极大程度地影响电力变压器的安全运行，使变压器故障及缺陷的类型及原因有别于普通气候特征地区，主要是因变压器材料的热胀冷缩效应以及变压器油纸绝缘的低温特性引发。电网公司应依据气候特点及其特殊性，总结并制定适用于高寒地区电力变压器选型、试验及运维方法，为 “全球能源互联网”及“一极一道”特高压交流环网工程的变压器设计、试验及运行提供经验与依据。

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(编辑 李世杰)

Analysis and countermeasures on power transformer fault mechanism in alpine region

ZHANG Jing1; ZHANG Lianxing1; CHENG Lin1; ZHU Xuecheng2; LIU Yang2; YU Chunlai2

(1. Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030，China)

Based on the climate characteristics of low temperature in winter in alpine region, field investigation and research is made on the failure and defects of power transformer. Combined with the change of power transformer’s working environment and physical and mechanical properties, failure reasons of transformer in alpine region are analyzed and the countermeasures of operation and maintenance of power transformers are put forward. Thus, that can provide a reference for the selection, testing and operation and maintenance in power transformers in alpine regions.

alpine region; power transformer; low temperature condition, failure analysis

2017-02-04。

国家电网公司科技项目(52240016000A)。

张 静(1986—)，女，工程师，主要从事高电压技术、输变电电气设备绝缘检测和诊断方面的研究。

TM411

B

2095-6843(2017)03-0255-04