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變壓器故障統(tǒng)計(jì)分析以及維護(hù)措施論文
摘要：通過(guò)對(duì)美國(guó)近10年間變壓器故障的統(tǒng)計(jì)分析，討論故障的起因，并涉及了故障類型、頻率、程度及運(yùn)行壽命。對(duì)預(yù)防變壓器故障以延長(zhǎng)其使用壽命的維護(hù)方法提出了建議。
關(guān)鍵詞：變壓器故障統(tǒng)計(jì)分析預(yù)防
當(dāng)前的世界范圍內(nèi)，不間斷的電力供應(yīng)已成為工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事、科技發(fā)展及人民生活中至關(guān)重要的因素。人們對(duì)能源不間斷供應(yīng)的依賴性常常是直到廠房里的生產(chǎn)設(shè)備突然停止工作、大樓燈光突然全部熄滅、電梯被懸在樓層之間時(shí)才意識(shí)到各種斷路器、布線及變壓器的重要性。
變壓器故障通常是伴隨著電弧和放電以及劇烈燃燒而發(fā)生，隨后電力設(shè)備即發(fā)生短路或其他故障，輕則可能僅僅是機(jī)器停轉(zhuǎn)，照明完全熄滅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生重大火災(zāi)乃至造成人身傷亡事故。因此如何確保變壓器的安全運(yùn)行受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。
美國(guó)HSB公司工程部總工程師WilliamBartley先生，主要負(fù)責(zé)對(duì)大型電力設(shè)備尤其是發(fā)電機(jī)和變壓器的分析和評(píng)估工作，并負(fù)責(zé)重大事故的調(diào)查、檢修程序的改進(jìn)及新型檢測(cè)技術(shù)方面的研究。自70年代以來(lái)，他負(fù)責(zé)調(diào)查了數(shù)千起變壓器故障并進(jìn)行了幾十年的科學(xué)統(tǒng)計(jì)研究。
在中國(guó)高速的現(xiàn)代化發(fā)展中，電力工業(yè)的安全運(yùn)行更起著關(guān)鍵作用。本文從介紹美國(guó)1988年至1997年10年間變壓器故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為國(guó)內(nèi)提供參考資料及可借鑒的科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，以達(dá)到為電力部門服務(wù)的目的。
1變壓器故障的統(tǒng)計(jì)資料
1．1各類型變壓器的故障
過(guò)去10年來(lái)，HSB發(fā)生幾百起變壓器故障造成了數(shù)百萬(wàn)美金的損失。圖1中列出了按變壓器類型顯示的變壓器故障統(tǒng)計(jì)數(shù)。從圖中的顯示可以看出除1988年外，電力變壓器故障始終占據(jù)主導(dǎo)位置。
1．2不同用戶的變壓器故障
變壓器使用在不同的部門，故障率是不同的。為了分析變壓器發(fā)生故障的危險(xiǎn)性，可將用戶劃分為11個(gè)獨(dú)立類型：（1）水泥與采礦業(yè)；（2）化工、石油與天然氣；（3）電力部門；（4）食品加工；（5）醫(yī)療；（6）制造業(yè)；（7）冶金工業(yè)；（8）塑料；（9）印刷業(yè)；（10）商業(yè)建筑；（11）紙漿與造紙業(yè)。
按照HSB的RickJones博士風(fēng)險(xiǎn)管理的方法，將“風(fēng)險(xiǎn)”定義為發(fā)生頻率與損失程度。損失程度可以被定義為年平均毛損失，而發(fā)生頻率（或稱為概率）則可定義為故障發(fā)生平均數(shù)除以總數(shù)。所以，對(duì)于每一個(gè)給定的獨(dú)立組來(lái)說(shuō)：
頻率=故障數(shù)/該組中的變壓器臺(tái)數(shù)
（舉例來(lái)說(shuō)，如果每年平均有10起故障，在一個(gè)給定的獨(dú)立組中有1,000個(gè)用戶，在該組中任何地點(diǎn)故障的概率就是0.01/年。）因此，可以采用產(chǎn)品的故障頻率與程度將變壓器的風(fēng)險(xiǎn)按用戶加以劃分。（風(fēng)險(xiǎn)=頻率×程度）。
圖2中給出的是10年中10個(gè)獨(dú)立組中變壓器風(fēng)險(xiǎn)性的頻率—程度“分布圖”。每組曲線中，X軸表示頻率、Y軸表示程度（或平均損失），X－Y的關(guān)系就形成了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性坐標(biāo)系統(tǒng)。其中的斜線稱為風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)曲線（例如，對(duì)于＄1,000的0.1的可能性與＄10,000的0.01的可能性可認(rèn)為是同等風(fēng)險(xiǎn)的）。坐標(biāo)中右上角的象限是風(fēng)險(xiǎn)性最高的區(qū)域。
當(dāng)考慮到頻率和程度時(shí)（如圖2所示），電力部門的風(fēng)險(xiǎn)是最高的，冶金工業(yè)及制造業(yè)分別列在第二和第三位。
1．3各種使用年限變壓器的故障
按照變壓器設(shè)計(jì)人員的說(shuō)法，在“理想狀況下”變壓器的使用壽命可達(dá)30～40年，很明顯的是在實(shí)際中并非如此。在1975年的研究中，故障時(shí)的變壓器平均壽命為9.4年。在1985年的研究中，變壓器平均壽命為14.9年。通常有盆形曲線顯示使用初期的故障率以及位于右端的老化結(jié)果，然而故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示變壓器的使用壽命并非無(wú)法預(yù)測(cè)。圖3中顯示了該研究中使用壽命的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)確定對(duì)變壓器進(jìn)行周期檢查的時(shí)間和費(fèi)用。
在電力工業(yè)中變壓器的使用壽命應(yīng)當(dāng)給予特別地關(guān)注。美國(guó)在二戰(zhàn)后經(jīng)歷了一個(gè)工業(yè)飛速發(fā)展的階段，并導(dǎo)致了基礎(chǔ)工業(yè)特別是電力工業(yè)大規(guī)模的發(fā)展。這些自50年代到80年代安裝的設(shè)備，按其設(shè)計(jì)與運(yùn)行的狀況，現(xiàn)在大部分都已到了老化階段。據(jù)美國(guó)商業(yè)部的數(shù)據(jù)，在1973～1974年間電力工業(yè)在新設(shè)備安裝方面達(dá)到了頂峰。如今，這些設(shè)備已運(yùn)行了近25年，故必須對(duì)已安裝變壓器的故障可能性給予特別的關(guān)注。
2變壓器故障原因分析
HSB收集了有關(guān)變壓器故障10年來(lái)的資料并進(jìn)行分析的結(jié)果表明，盡管老化趨勢(shì)及使用不同，故障的基本原因仍然相同。HSB公司電氣部的總工程師J.B.Swering在論文中寫(xiě)到：“多種因素都可能影響到絕緣材料的預(yù)期壽命，負(fù)責(zé)電氣設(shè)備操作的人員應(yīng)給予細(xì)致地考慮。這些因素包括：誤用、振動(dòng),過(guò)高的操作溫度、雷電或涌流、過(guò)負(fù)荷、對(duì)控制設(shè)備的維護(hù)不夠、清潔不良、對(duì)閑置設(shè)備的維護(hù)不夠、不恰當(dāng)?shù)臐?rùn)滑以及誤操作等。"
下表中給出了在過(guò)去幾十年中HSB公司總結(jié)出的有關(guān)變壓器故障的基本原因，表中列出了分別由1975、1983以及1998年的研究得出的關(guān)于故障通常的原因及其所占百分比。
2.1雷擊
雷電波看來(lái)比以往的研究要少，這是因?yàn)楦淖兞藢?duì)起因的分類方法。現(xiàn)在，除非明確屬于雷擊事故，一般的沖擊故障均被列為“線路涌流”。
2．2線路涌流
線路涌流（或稱線路干擾）在導(dǎo)致變壓器故障的所有因素中被列為首位。這一類中包括合閘過(guò)電壓、電壓峰值、線路故障/閃絡(luò)以及其他輸配(T＆D)方面的異常現(xiàn)象。這類起因在變壓器故障中占有顯著比例的事實(shí)表明必須在沖擊保護(hù)或?qū)σ延袥_擊保護(hù)充分性的驗(yàn)證方面給與更多的關(guān)注。
2．3工藝/制造不良
在HSB于1998年的研究中，僅有很小比例的故障歸咎于工藝或制造方面的缺陷。例如出線端松動(dòng)或無(wú)支撐、墊塊松動(dòng)、焊接不良、鐵心絕緣不良、抗短路強(qiáng)度不足以及油箱中留有異物。
2．4絕緣老化
在過(guò)去的10年中在造成故障的起因中，絕緣老化列在第二位。由于絕緣老化的因素，變壓器的平均壽命僅有17.8年，大大低于預(yù)期為35～40年的壽命！在1983年，發(fā)生故障時(shí)變壓器的平均壽命為20年。
2．5過(guò)載
這一類包括了確定是由過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的故障，僅指那些長(zhǎng)期處于超過(guò)銘牌功率工作狀態(tài)下的變壓器。過(guò)負(fù)荷經(jīng)常會(huì)發(fā)生在發(fā)電廠或用電部門持續(xù)緩慢提升負(fù)荷的情況下。最終造成變壓器超負(fù)荷運(yùn)行，過(guò)高的溫度導(dǎo)致了絕緣的過(guò)早老化。當(dāng)變壓器的絕緣紙板老化后，紙強(qiáng)度降低。因此，外部故障的沖擊力就可能導(dǎo)致絕緣破損，進(jìn)而發(fā)生故障。
2．6受潮
受潮這一類別包括由洪水、管道滲漏、頂蓋滲漏、水分沿套管或配件侵入油箱以及絕緣油中存在水分。
2．7維護(hù)不良
保養(yǎng)不夠被列為第四位導(dǎo)致變壓器故障的因素。這一類包括未裝控制其或裝的不正確、冷卻劑泄漏、污垢淤積以及腐蝕。
2．8破壞及故意損壞
這一類通常確定為明顯的故意破壞行為。美國(guó)在過(guò)去的10年中沒(méi)有關(guān)于這方面變壓器故障的報(bào)道。
2．9連接松動(dòng)
連接松動(dòng)也可以包括在維護(hù)不足一類中，但是有足夠的數(shù)據(jù)可將其獨(dú)立列出，因此與以往的研究也有所不同。這一類包括了在電氣連接方面的制造工藝以及保養(yǎng)情況，其中的一個(gè)問(wèn)題就是不同性質(zhì)金屬之間不當(dāng)?shù)呐浜希M管這種現(xiàn)象近幾年來(lái)有所減少。另一個(gè)問(wèn)題就是螺栓連接間的緊固不恰當(dāng)。
3變壓器維護(hù)建議
根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，用戶可制訂一個(gè)維護(hù)、檢查和試驗(yàn)的計(jì)劃。這樣不但將顯著地減少變壓器故障的發(fā)生以及不可預(yù)計(jì)的電力中斷，而且可大量節(jié)約經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。因?yàn)橐坏┌l(fā)生事故，不僅修理費(fèi)用以及停工期的花費(fèi)巨大，重繞線圈或重造一臺(tái)大型的電力變壓器更需要6到12個(gè)月的時(shí)間。因而，一個(gè)包括以下建議的良好維護(hù)制度將有助于變壓器獲得最大的使用壽命。
3．1安裝及運(yùn)行
（1）確保負(fù)荷在變壓器的設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。在油冷變壓器中需要仔細(xì)地監(jiān)視頂層油溫。
（2）變壓器的安裝地點(diǎn)應(yīng)與其設(shè)計(jì)和建造的標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。若置于戶外，確定該變壓器適于戶外運(yùn)行。
（3）保護(hù)變壓器不受雷擊及外部損壞危險(xiǎn)。
3．2對(duì)油的檢驗(yàn)
變壓器油的介電強(qiáng)度隨著其中水分的增加而急劇下降。油中萬(wàn)分之一的水分就可使其介電強(qiáng)度降低近一半。除小型配電變壓器外所有變壓器的油樣應(yīng)經(jīng)常作擊穿試驗(yàn)，以確保正確地檢測(cè)水分并通過(guò)過(guò)濾將其去除。
應(yīng)進(jìn)行油中故障氣體的分析。應(yīng)用變壓器油中8種故障氣體在線監(jiān)測(cè)儀，連續(xù)測(cè)定隨著變壓器中故障的發(fā)展而溶解于油中氣體的含量，通過(guò)對(duì)氣體類別及含量的分析則可確定故障的類型。每年都應(yīng)作油的物理性能試驗(yàn)以確定其絕緣性能，試驗(yàn)包括介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度、酸度、界面張力等等。
3．3經(jīng)常維護(hù)
（1）保持瓷套管及絕緣子的清潔。
（2）在油冷卻系統(tǒng)中，檢查散熱器有無(wú)滲漏、生銹、污垢淤積以及任何限制油自由流動(dòng)的機(jī)械損傷。
（3）保證電氣連接的緊固可靠。
（4）定期檢查分接開(kāi)關(guān)。并檢驗(yàn)觸頭的緊固、灼傷、疤痕、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性及接觸的定位。
（5）每三年應(yīng)對(duì)變壓器線圈、套管以及避雷器進(jìn)行介損的檢測(cè)。
（6）每年檢驗(yàn)避雷器接地的可靠性。接地必須可靠，而引線應(yīng)盡可能短。旱季應(yīng)檢測(cè)接地電阻，其值不應(yīng)超過(guò)5Ω。
（7）應(yīng)考慮將在線檢測(cè)系統(tǒng)用于最關(guān)鍵的變壓器上。目前市場(chǎng)上有多種在線檢測(cè)系統(tǒng)，供應(yīng)商將不同的探測(cè)器與傳感器加以組裝，并將其與數(shù)據(jù)采集裝置相連，同時(shí)提供了通過(guò)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊的功能。美國(guó)SERVERON公司的TrueGas油中8種故障氣體在線監(jiān)測(cè)儀就是極好的選擇。此系統(tǒng)監(jiān)測(cè)真實(shí)故障氣體含量，結(jié)合“專家系統(tǒng)”診斷將無(wú)害情況與危險(xiǎn)事件加以區(qū)分，保證變壓器的安全運(yùn)行。
4結(jié)束語(yǔ)
變壓器是電網(wǎng)中的重要設(shè)備之一。雖配有避雷器、差動(dòng)、接地等多重保護(hù)，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電場(chǎng)及熱場(chǎng)不均等諸多因素，事故率仍然很高。中國(guó)在70年代的10年中，110kV及以上變壓器的年平均絕緣事故率約為17.66臺(tái)次，惡性事故和重大損失也時(shí)有發(fā)生。因此借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，利用先進(jìn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，加強(qiáng)狀態(tài)維護(hù)模式，以使電力供應(yīng)更加安全可靠。
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