| 大型变压器状态检修的绝缘特征
摘 要：大型变压器绝缘状态检修是近年来的研究热点. 综合分析近 10a 发表的研究成果，发现多数研究集中在数据处理方面，较少研究变压器绝缘老化状态特征量的采样方法. 在一个换油周期内，变压器绝缘电阻、局部放电参数、油中糠醛含量和空载电流等具有显著地随时间变化特征. 在线连续采样或定期持续采样获取参数的变化特性是准确获取变压器绝缘状态的核心因素。其中，变压器特性绝缘参数线性增长可认为是绝缘正常老化的标志，此时的绝缘老化临界值可作为变压器大修的依据。对于绝缘特性非线性上升的情况，可将第 2 个拐点作为大修的依据。可能出现绝缘特性指标拐点的特性参数指标依次为局部放电 PD 相关参数、绝缘电导 G、tanδ、糠醛含量、酸值、总烃以及绕组泄漏电流等。油中气体含量、水含量和整体变压器的温升可采用绝对值是否超标来判断绝缘状态。
关键词：变压器；状态检修；参数变化；绝缘特性；换油周期
大型变压器是电网的主干设备，其突发故障会对电网造成巨大损失。变压器是状态检修重点，而不适宜大修或过早退役也会造成较大人力与经济耗费。当前研究重点主要集中变压器绝缘可靠性和剩余寿命预估等方面[1-7]。油浸变压器绝缘结构复杂，其检测参数也是所有电力设备中最多的[1]。
对近 10a 来文献浏览表明，研究主要集中在变压器状态检修数据的处理方面，具有代表性的方法有证据推理法、灰色聚类决策法、基于灰靶理论的评估方法、支持向量机、特征指标法以及人工神经网络等[2]，但极少有提及对变压器运行数据变化趋势的科学采集方面。
变压器状态评估的准确度取决于 2 个因素：如何才能采集到能准确反映变压器运行状态的核心参数；如何对数据进行科学处理。关于后者已有太多的研究报导，该文主要研究前者。研究表明，采集绝 缘状态参数变化特性对于准确进行变压器状态检修占有至关重要的地位。进而提出，可将变压器每一个换油段绝缘特性的第 1 次拐点作为判别变压器可靠性显著降低的判据；而无论参数绝对值是否超标，参数特性变化的第 2 次拐点都是变压器大修的依据。建议变压器的核心特性参数依次为变压器整体绝缘电阻 R-t（或电导 G-t）特性、介质损失角正切tanδ-t 特性、总烃、油中糠醛含量特性、油的酸值特性，水分含量特性以及特征气体特性等。前 5 种特性具备随绝缘老化出现非线性变化特征的可能；后2 个参数应以绝对含量达到饱和值作为绝缘老化的评判准则。
1、电力设备绝缘外特性分析
不同于纯粹的绝缘材料样品 电力设备的电气强度取决于绝缘结构中的最弱点。因此，设计工作场强仅有所使用绝缘材料电气强度的四分之一以下，甚至更小[3]。一般而论，电力设备的电路模型可以用数个电阻并联模型来描述，如图 1 所示。
电力设备等效绝缘电阻可写为
R 总＝ R1//R2//..Rmin..//Rn （1）
如果某一个绝缘电阻远低于其他电阻，如 Rmin ＜＜R1，Rmin ＜＜ R2，…，Rmin ＜＜ Rn，则等效电阻主要由该最小电阻值决定，即
R 总 ＝ R1//R2//..Rmin..//Rn ≈ Rmin （2）
由于绝缘材料和绝缘结构的不均匀，实际电力设备的并联绝缘等效电路各绝缘电阻值差别很大。特别是当绝缘因老化出现弱点时，这种情况更为显 著。对于油浸式变压器，该绝缘弱点一般位于绕组引线对变压器壳体、铁轭以及绕组绝缘在铁芯中部位置。如果该绝缘结构的弱点（如微孔、杂质与工作场强一致或呈现一定夹角的界面等）出现局部放 电（PD），则等效电阻会出现显著下降，该电力设备外绝缘电阻（或绝缘电导特性 G-t）特性必然出现拐点，如图 2（a）所示的 t1 位置。图 2 中的Y 可以是变压器整体绝缘电导G、介质损失角正切 tanδ、PD 参数或油中糠醛含量、酸值等，t 为运行时间，可以天、周、月为时间单位。文献[8] 在针板电极下所得出的油纸绝缘放电次数与老化时间和电场强度的非线性 关系如图 2（b）所示。
当 PD 逐渐发展至绝缘击穿前夕时，PD 参数必然呈现急剧增长，也可以成为设备击穿的判据。如果从外部测量的 PD 特性不出现第 2 个拐点，表明设备内部绝缘存在多处局部放电，尚不对该设备构成致命威胁，可以监视使用，直至第 2 个拐点出现。
电力设备的设计寿命一般都在 25a 以上，因此正常绝缘老化，绝缘电导 G 的上升周期非常长（见图 1 中的虚线），因此，短期绝缘电阻下降一定预示着绝缘局部存在隐患。可以将该绝缘诊断方法称之为二次拐点法。
对于纯固体绝缘，如塑料高压电缆，除绝缘电阻外，其他参数也会出现类似特性，比如 tanδ、PD 参数等。对于气体—固体组合绝缘，比如 GIS、断路器等，其主要放电特征为固体绝缘（如 GIS）界面因老化或缺陷导致的表面漏电流也会出现相似特征，另外， PD 特征将会非常明显，但其它特性（G-t，tanδ-t）不显著。
2、变压器绝缘特性参数分析
充油变压器绝缘结构非常复杂，绝缘纸与绝缘油之间呈现典型的串联结构，导致即使固体绝缘出现局部放电或局部劣化，由于较大的等效串联油层电阻，可能导致变压器的外绝缘电阻特性拐点不明显。但由于变压器油在局部放电或局部过热情况下分解速度较快，并因油的循环特性会将局部绝缘劣化产物迅速扩散至变压器内各处，从而为从油中获得绝缘状态信息提供了方便。
2.1 变压器绝缘特性参数趋势分析
由于变压器存在换油周期，即使不出现局部过热或局部放电超标，油也会因逐渐老化而导致因油参数变化而导致换油或滤油处理维护。因此，数据采集应按每一个换油段来进行，并对数据进行综合分析。变压器换油段数据采集要点示意如图 3 所示。Y 代表某项绝缘特性参数的临界值，平直粗线代表按 GB 或 IEC 标准的绝缘故障或老化报警线，t3 和 t4 分别代表换油之后某绝缘特性新出现的一、二次拐点。一旦变压器存在潜在绝缘故障，出现 拐点的时间将会比第 1 个换油周期缩短。可作为变压器存在严重绝缘隐患的另一判据。图 3 中的点线代表绝缘的正常老化特性。
2.2 变压器绝缘特性参数分析
根据文献[1] 总结的变压器试验项目以及文献[4-10]，分析认为可能获得绝缘特性的参数，如表 1 所示。
2.3 所建议的评判标准
根据电力变压器运行规范或 GB、IEEE 以及相关文献，规范或建议有些指标的绝对指标临界值作为评判标准[11-16]，超过该值必须对变压器进行大修，这毋庸置疑。该文所描述的根据变压器某些特性出现非线性变化作为评判标准一般在临界值之前，其特点是可以对变压器的绝缘状态进行动态跟踪并预计变化趋势。如果 2 项及以上特性出现二次拐点，即使该指标没有超过临界值，也建议立即对该变压器进行停机大修或停运处理。
3、分析与讨论
单点剧烈 PD 或局部过热是对变压器威胁最大的潜在故障，会引起表 1 中多数指标出现非线性劣化。
1）局部放电。单点或多点 PD 在变压器外部进行放电量测量时可能所测数量级相似，但威胁大不相同：过大 PD 会在短时内引发绝缘故障；而多点 PD 则可能不会立即威胁到变压器的可靠性， 当考虑到电晕对测量影响时尤其是这样。因此认为，仅根据 PD 当前测量值，即使该值偏大，也无法判别绝缘隐患的严重程度。当前较为准确的判别应该是根据 PD 特性，即使该值较小，如出现拐点，应作为绝缘出现隐患的判据。
2）局部过热。局部过热是变压器最容易出现的隐患之一，一般因绕组局部油纸绝缘损伤漏电流偏大引起，或因铁芯缺陷或硅钢片间绝缘损伤，导致局部漏磁或涡流过大引起。此时，由于过热位置变压器纸的分解和油的分解，变压器油中特性参数必然上升，表 1 中其他参数也会相应变化。其中，糠醛含量和酸值非线性增长伴随水含量上升必然预示着绕组某处纸绝缘被迅速分解。而仅有油中含气量上升，则意味着绕组附近其它位
置过热故障。
3）非线性特性。关于非线性绝缘参数特性拐点，可以利用双对数或仅对时间坐标进行对数处理的单对数坐标轻易获得临界特性拐点，这属于传统数据处理方法，不是该文重点，故不再赘述。
4）评估方法。建议采用如图 4 所示评估方案。
5）关于采样方法的建议。正确、科学的绝缘特征参量采样方法是准确对变压器绝缘状态进行评估的关键，但极少检索到与该文所讨论问题相关的非线性特性方面的论文。一方面，可能是由于该类研究需要长期跟踪单台变压器，需要与运行部门长期协作；另一方面，需要从观念上加强科学采样方法的研究。建议多采用类似文献[8] 和[9] 的研究方法，特别是注重变压器停机或退役前的绝缘状态特征数据的采集，可参考文献[9] 的图3.2，如图5 所示。该研究成果的特点是持续时间较长，获得了较为完整的酸值—时间特性非线性变化数据。除此之外，除二次拐点法是将测量数据进行纵向对比之外，对附近同型号、同运行时间变压器特性参数进行横向对比也应作为变压器状态检修的评估方法之一。
图4 变压器状态检修评估方案
图5 文献[9] 的图3。
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