故障树分析法在电力变压器故障分析中的应用

任武杰

（潞安矿业集团公司五阳热电厂， 山西 长治 046205）

引言

在电力系统中，电流远程输送、电力并网需要对电压进行升压、降压调节，因此电力变压器是保证电力系统正常运转的主要设备之一，它能够将线路中电流电压进行转化完成电能输送功能。随着电力系统的规模扩大和技术进步，电力变压器单机容量不断增加，系统更为复杂。电力系统变压器一旦故障，其对系统下游用户造成的损失难以估量。本文在研究电力变压器结构特征与各类故障原因的基础上，结合FTA 故障树分析法，查找电力变压器运行薄弱环节，为有效提高设备运转的稳定性和安全性提供依据。

1 FTA 故障树分析法原理

故障树分析法一方面能够直观图解出故障事件各事件间的逻辑关系，并通过定性、定量分析整个系统的可靠性状况，其顶上事件为已经发生或者可能发生的故障事件，而底事件为可能导致故障发生的最基本因素，通过中间事件相互桥联，各个事件形成层层递进的网状结构，相邻层次间事件通过“与”、“或”、“非”等逻辑门构成完整的故障树[1]。

故障树分析法中最为重要的两概念为“结构函数”和“最小割集”，通过研究“结构函数”能够得出整个事件树中的逻辑关系，而通过研究“最小割集”能够发现引发顶上事件发生的所有最少底事件的集合。而所有因素最终导致事件发生的总概率主要取决于基本事件最小割集数量以及各事件的发生几率，假定n 个基本事件中存在k 个最小割集，则总的故障发生概率为[2]：

式中：P（T）为总故障率，%；Ci为最小割集；

2 电力变压器常见故障分析

电力变压器以油浸式变压器为主，该型变压器由变压器本体、油箱、冷却装置、出线装置以及其他配套装置构成，而根据故障危害等级划分为四个等级：灾难级、致命级、临界级和轻度级[3]。通常情况下轻度级故障不会直接影响变压器的正常工作状态，但是出现几率高，该型故障一旦扩大将进一步演化至临界状态，导致变压器处于不安全状态，出现绕线短路、断路、套管燃烧、开关故障，甚至出现变压器损坏或爆炸等危害。

2.1 绕线圈故障

变压器绕线圈是变压器完成电压转换和电能输送的最主要的部分，线圈故障主要体现在其结构和绝缘由于设计、加工或后期外部因素发生改变，造成线圈内部层与层、匝与匝、饼与饼、股与股等不同位置发生断路、短路，其表征为绕线松动、绕线变形、绝缘失效等问题，最终致使绕线圈断路、短路发生故障，故障严重时会进一步影响变压器本体中的铁芯、引线以及屏蔽层等，并且短路会引发高温、高电能释放[4]。

2.2 铁芯故障

变压器中另一主要电能转化部件为铁芯，其对电磁能量交换起到关键作用，而铁芯故障主要类型为多点接地、片层间短路为主，短路所引发高温进而引发油纸和片层间绝缘失效、绝缘垫块损坏，严重时会导致铁芯接地线路损毁。铁芯多点接地故障又分为牢固型和动态型：其中铁芯与附件间、附件与附件之间由于存在金属杂物导致短路进而引起牢固型多点接地；铁芯内部存在杂质如金属粉末为铁片间形成导电桥，稳定状态下不会影响变压器正常工作，一旦出现大电流会借此通路对铁芯进行冲击，损害绝缘部分。由于铁芯故障多发生铁片间短路，由于磁场的涡流效应会造成局部急剧升温，易对内部绝缘造成损伤。

2.3 分接开关故障

分接开关相对其他部分需要经常通过触头、拨轮对变压器进行操控，同时内部结构稍显复杂。变压器内部易出现高温，分接开关触头由于受热会在表面形成氧化层而接触不良，同时触头由于与绝缘油的接触形成油膜，也会导致开关接触不良。分接开关故障通常表现为结构内部错乱、齿轮损伤、触头接触不良、甚至筒体燃烧和爆炸。

2.4 套管故障

变压器内部的套管对油箱外部引线起到保护作用。由于其通常暴露在室外环境中，一方面需要承受引线过流时的电场、高温，同时需要承受外部环境湿、热以及其他不可预见的因素侵蚀，内部绝缘油易老化，其本体瓷釉也会因为各类因素出现损伤，所以是变压器主要故障部位，常见故障表现有变形位移、焊点开焊、局部放电以及套管爆炸[5]。

2.5 绝缘故障

变压器内部绝缘通常是指变压器匝的绝缘，变压器正常运行过程即使出现一定的绝缘损伤也不会造成设备出现直接故障，但当损伤程度超出介质损耗标准时，变压器局部就会出现发热和放电现象，在变压器内部造成一定的局部绕线短路或绝缘垫块焦化。引发绝缘损伤的主要原因有：电磁振动划伤绝缘层、电磁作用导致绝缘局部脱落、涡流损耗使绝缘氧化、高电压击穿、电场分布不均导致局部放电等。

2.6 密封不良

变压器密封状态不良包含有结构中的焊接质量、螺栓连接、法兰安装等问题，油箱及冷却装置中出现管路漏油、漏气，油箱的密封圈、油箱、油泵及冷却装置中各处的结构出现裂缝、孔洞等。

3 电力变压器故障树的建立与分析

通过电力变压器故障建立电力变压器故障树，将电力变压器故障作为电力变压器故障树的顶上事件，根据电力变压器常见故障类型以及变压器结构特点，将绕线圈故障、铁芯故障、套管故障、分接开关故障作为中间事件，而将造成四个中间事件的底事件归纳至15 个，底事件对于中间事件和顶上事件都为逻辑或门，则变压器故障的最小割集表述为：

即共计15 个最小割集，为了避免电力变压器故障，应对各个底事件进行控制和监控，见图1。

图11 变变压压器器故故障障树树

X1—绝缘老化；X2—异物；X3—绝缘损伤；X4—焊接不良；X5—短路过应力；X6—铁芯接地不良；X7—接地片断；X8—多点接地；X9—散热差；X10—叠片绝缘损伤；X11—密封不良；X12—机械损伤；X13—套管过热；X14—接触点污染；X15—接触点氧化；X16—引线故障

4 结论

1）通过对电力变压器常见故障类型进行分析，将其常见故障分为绕线圈故障、铁芯故障、分接开关故障、套管故障、绝缘故障、密封不良六类，并分别阐述其故障原因和危害。

2）在分析故障致因的基础上，利用故障树分析原理构建电力变压器故障树，并通过对故障树中各因素和事件间的逻辑关系，计算出该故障树的最小割集为15 个，说明了为了避免变压器故障应对上述15 个底事件的因素进行控制。

3）日常工作中的大部分事故都是由于不可预知的外部因素造成的，但是事件发生都是由于设备结构中各部分不稳定状态逐步演化而来的，同时故障发生前伴随着各项异常现象如：油温异常、响声、振动、油位变化、颜色和气味异常等，因此，及时巡查和维护设备，确保设备处于稳定工作状态是避免故障发生最为有效的方法。