變壓器故障的統計分析及預防方法
當前的世界范圍內，不間斷的電力供應已成為工業生產、國防軍事、科技發展及人民生活中至關重要的因素。人們對能源不間斷供應的依賴性常常是直到廠房里的生產設備突然停止工作、大樓燈光突然全部熄滅、電梯被懸在樓層之間時才意識到各種斷路器、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生，隨后電力設備即發生短路或其他故障，輕則可能僅僅是機器停轉，照明完全熄滅，嚴重時會發生重大火災乃至造成人身 傷亡事故。因此如何確保變壓器的安全運行受到了世界各國的廣泛關注。
美國HSB公司工程部總工程師William Bartley先生，主要負責對大型電力設備尤其是發 電機和變壓器的分析和評估工作，并負責重大事故的調查、檢修程序的改進及新型檢測技術方面的研究。自70年代以來，他負責調查了數千起變壓器故障并進行了幾十年的科學統計研究。
在中國高速的現代化發展中，電力工業的安全運行更起著關鍵作用。本文從介紹美國19 88年至1997年10年間變壓器故障的統計數據進行分析，為國內提供參考資料及可借鑒的科學統計方法，以達到為電力部門服務的目的。
1 變壓器故障的統計資料
1．1 各類型變壓器的故障
過去10年來，HSB發生幾百起變壓器故障造成了數百萬美金的損失。圖1中列出了按變壓器類型顯示的變壓器故障統計數。從圖中的顯示可以看出除1988年外，電力變壓器故障始終 占據主導位置。
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。為了分析變壓器發生故障的危險性，可將用戶劃分為11個獨立類型：（1）水泥與采礦業；（2）化工、石油與天然氣；（3）電力部 門；（4）食品加工；（5）醫療；（6）制造業；（7）冶金工業；（8）塑料；（9）印刷業；（10）商業建筑；（11）紙漿與造紙業。
按照HSB的Rick Jones博士風險管理的方法，將“風險”定義為發生頻率與損失程度。損失程度可以被定義為年平均毛損失，而發生頻率（或稱為概率）則可定義為故障發生平均 數除以總數。所以，對于每一個給定的獨立組來說：
頻率 = 故障數 / 該組中的變壓器臺數
（舉例來說，如果每年平均有10起故障，在一個給定的獨立組中有1,000個用戶，在該組中任何地點故障的概率就是0.01/年。）因此，可以采用產品的故障頻率與程度將變壓器的風 險按用戶加以劃分。（風險=頻率×程度）。
圖2中給出的是10年中10個獨立組中變壓器風險性的頻率—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的關系就形成了一個風險性坐標系統 。其中的斜線稱為風險等價曲線（例如，對于＄1,000的0.1的可能性與＄10,000的0.01的可能性可認為是同等風險的）。坐標中右上角的象限是風險性最高的區域。
當考慮到頻率和程度時（如圖2所示），電力部門的風險是最高的，冶金工業及制造業分別列在第二和第三位。
1．3 各種使用年限變壓器的故障
按照變壓器設計人員的說法，在“理想狀況下”變壓器的使用壽命可達30～40年，很明顯的是在實際中并非如此。在1975年的研究中，故障時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果，然而故障統計數據顯示變壓器的使用壽命并非無法預測。圖3中顯示了該研究中使用壽命的統計數據，這些數據可以用來確定對變壓器進行周期檢查的時間和費用。
在電力工業中變壓器的使用壽命應當給予特別地關注。美國在二戰后經歷了一個工業飛速發展的階段，并導致了基礎工業特別是電力工業大規模的發展。這些自50年代到80年代安 裝的設備，按其設計與運行的狀況，現在大部分都已到了老化階段。據美國商業部的數據，在1973～1974年間電力工業在新設備安裝方面達到了頂峰。如今，這些設備已運行了近25年，故必須對已安裝變壓器的故障可能性給予特別的關注。
2 變壓器故障原因分析
HSB收集了有關變壓器故障10年來的資料并進行分析的結果表明，盡管老化趨勢及使用不同，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在論文中寫到：“多種因素都可能影響到絕緣材料的預期壽命，負責電氣設備操作的人員應給予細致地考慮。這些因素包括：誤用、振動,過高的操作溫度、雷電或涌流、過負荷、對控制設備的維護不夠、清潔不良、對閑置設備的維護不夠、不恰當的潤滑以及誤操作等。"
下表中給出了在過去幾十年中HSB公司總結出的有關變壓器故障的基本原因，表中列出了分別由1975、1983以及1998年的研究得出的關于故障通常的原因及其所占百分比。
2.1 雷擊
雷電波看來比以往的研究要少，這是因為改變了對起因的分類方法。現在，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電壓、電壓峰值、線路故障/閃絡以及其他輸配(T＆D)方面的異常現象。這類起因在 變壓器故障中占有顯著比例的事實表明必須在沖擊保護或對已有沖擊保護充分性的驗證方面給與更多的關注。
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。例如出線端松動或無支撐、墊塊松動、焊接不良、鐵心絕緣不良、抗短路強度不足以及油箱中留有異物。
2．4 絕緣老化
在過去的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，大大低于預期為35～40年的壽命！在1983年，發生故障時變壓 器的平均壽命為20年。
2．5 過載
這一類包括了確定是由過負荷導致的故障，僅指那些長期處于超過銘牌功率工作狀態下的變壓器。過負荷經常會發生在發電廠或用電部門持續緩慢提升負荷的情況下。最終造成變壓器超負荷運行，過高的溫度導致了絕緣的過早老化。當變壓器的絕緣紙板老化后，紙強度 降低。因此，外部故障的沖擊力就可能導致絕緣破損，進而發生故障。
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 維護不良
保養不夠被列為第四位導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。美國在過去的10年中沒有關于這方面變壓器故 障的報道。
2．9 連接松動
連接松動也可以包括在維護不足一類中，但是有足夠的數據可將其獨立列出，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情況，其中的一個 問題就是不同性質金屬之間不當的配合，盡管這種現象近幾年來有所減少。另一個問題就是螺栓連接間的緊固不恰當。
3 變壓器維護建議
根據以上統計分析結果，用戶可制訂一個維護、檢查和試驗的計劃。這樣不但將顯著地減少變壓器故障的發生以及不可預計的電力中斷，而且可大量節約經費和時間。因為一旦發 生事故，不僅修理費用以及停工期的花費巨大，重繞線圈或重造一臺大型的電力變壓器更需要6到12個月的時間。因而，一個包括以下建議的良好維護制度將有助于變壓器獲得****的使用壽命。
3．1 安裝及運行
（1）確保負荷在變壓器的設計允許范圍之內。在油冷變壓器中需要仔細地監視頂層油溫。
（2）變壓器的安裝地點應與其設計和建造的標準相適應。若置于戶外，確定該變壓器適于戶外運行。
（3）保護變壓器不受雷擊及外部損壞危險。
3．2 對油的檢驗
變壓器油的介電強度隨著其中水分的增加而急劇下降。油中萬分之一的水分就可使其介電強度降低近一半。除小型配電變壓器外所有變壓器的油樣應經常作擊穿試驗，以確保正確地檢測水分并通過過濾將其去除。
應進行油中故障氣體的分析。應用變壓器油中8種故障氣體在線監測儀，連續測定隨著變壓器中故障的發展而溶解于油中氣體的含量，通過對氣體類別及含量的分析則可確定故障的類型。每年都應作油的物理性能試驗以確定其絕緣性能，試驗包括介質的擊穿強度、酸度、界面張力等等。
3．3 經常維護
（1）保持瓷套管及絕緣子的清潔。
（2）在油冷卻系統中，檢查散熱器有無滲漏、生銹、污垢淤積以及任何限制油自由流動的機械損傷。
（3）保證電氣連接的緊固可靠。
（4）定期檢查分接開關。并檢驗觸頭的緊固、灼傷、疤痕、轉動靈活性及接觸的定位。
（5）每三年應對變壓器線圈、套管以及避雷器進行介損的檢測。
（6）每年檢驗避雷器接地的可靠性。接地必須可靠，而引線應盡可能短。旱季應檢測接地電阻，其值不應超過5Ω。
（7）應考慮將在線檢測系統用于最關鍵的變壓器上。目前市場上有多種在線檢測系統，供應商將不同的探測器與傳感器加以組裝，并將其與數據采集裝置相連，同時提供了通過 調制解調器實現遠距離通訊的功能。美國SERVERON 公司的TrueGas油中8種故障氣體在線監測儀就是極好的選擇。此系統監測真實故障氣體含量，結合“專家系統”診斷將無害情況與 危險事件加以區分，保證變壓器的安全運行。
4 結束語
變壓器是電網中的重要設備之一。雖配有避雷器、差動、接地等多重保護，但由于內部 結構復雜、電場及熱場不均等諸多因素，事故率仍然很高。中國在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臺次，惡性事故和重大損失也時有發生。因此 借鑒國外經驗，利用先進在線監測設備，加強狀態維護模式，以使電力供應更加安全可靠。
