變壓器內部絕緣故障的分析
電力變壓器運行中發生的故障率是評價變壓器運行的重要指標！
在各電壓等級上運行的為數眾多的油浸式電力變壓器或因技術、製造工藝水平、製造質量，或因運行時間較長等等諸多原因，引起變壓器在運行中出現內部絕緣故障的情況時有發生。對變壓器製造廠家來說，理應提供長期可靠運行的產品。近年來，對變壓器可靠性要求已經有了很大變化，除要求可靠性和壽命長之外，還有適應環境要求，儘可能的符合環保的要求，以及節能、提高效率等。
變壓器在運行中發生的重大故障，根據統計結果表明，幾乎絕大部分都是由於絕緣缺陷、熱或變壓器出口處短路電動力等原因所引起的。變壓器內部絕緣故障類型大體上可分為：絕緣中的故障和線圈中的故障兩類。下面對這兩類故障加以簡要的分析：
一． 絕緣中的故障
在變壓器絕緣結構中，通常是把不同的介電係數的絕緣相串聯，如線圈間採用油——隔板絕緣結構，由於變壓器油與絕緣紙板的介電係數不同，當對其施加電壓時，則其中的場強按介電係數成反比分配，因此，線圈間除應以等電場強度原則分配和調整油隙之外，並應合理地確定隔板的厚度，從而使場強控制在許用值之內。否則，可因局部放電而導致絕緣損壞。
對某些變壓器，特別是中小型變壓器由於呼吸作用使水分和潮氣進入變壓器油中。這樣就大大降低了油的耐電強度，從而可能引起線圈對油箱或鐵芯構件的擊穿。
變壓器長時間過載可引起變壓器油的老化，油溫過高會加速油泥、水分及酸的生成。
導線的圓角小或絕緣結構中有“油楔”時，則該部位的電場強度高。由此可能產生局部放電。
絕緣紙板卷制的絕緣筒、絕緣成型件等絕緣件，在製造過程中，有時因其表面存有汙穢，導致沿面放電，從而使絕緣材料失效。絕緣件吸附氣體常可導致氣體電離，介質產生過熱，甚至引起絕緣擊穿。
一次線圈與二次線圈間放置靜電屏時，由於焊接和絕緣不當而引起事故，如靜電屏邊緣處的電場集中，因而使絕緣局部負擔過重。所以，雖然從高壓線圈到地屏只有一點擊穿也常會導致該鐵芯柱上的線圈損壞。
由於製造工藝上的粗心大意，在線圈表面及器身上可能遺留下金屬屑末及汙穢物等，這對沿面放電將產生很大影響。
當變壓器相間絕緣距離沒有足夠的裕度，則可能產生相間短路。此種短路故障有可能由於相間加入絕緣隔板而改變了變壓器內部的電場分佈，從而引起油隙及隔板的場強過高。
如果採用木製的線圈引線支架及導線夾未經充分乾燥及浸油，則水分的存在將產生橋絡而導致分接引線的擊穿。
隨變壓器運行時間的增長，油箱內的油麵可能下降。若不能保證油麵處於規定位置，則變壓器可能因冷卻油的循環受到限制而產生過熱。對於管式油箱變壓器，當油麵降至冷卻油管上管口之下時，就更容易發生這種情況。
變壓器油中懸浮的導電粒子，由於它們在具有電位差的裸導體之間形成小橋而引起暫時的擊穿，如油中終端引線之間及終端引線對油箱或鐵芯結構的閃絡等。
應該指出，變壓器絕緣中的局部放電多生於高壓引線處，幾乎不發生於匝間或餅間，但局部放電量的大小與變壓器絕緣壽命間可以認為無明確對應關係，而且局部放電的分散性也較大，測量準確度不高，這樣追求更高的準確度也無實際意義。
在變壓器絕緣結構上、工藝上採取措施，降低局部放電量，對於改善絕緣壽命是有意義的。
二． 線圈中的故障
變壓器線圈是變壓器的重要組成部分，或形象地稱為變壓器的心臟，也是變壓器運行中發生故障較多的部分。變壓器的故障主要是絕緣強度、機械強度和熱的原因造成的。根據統計結果表明，線圈匝間短路事故佔變壓器事故率的70%~80%。因此，分析線圈中的故障具有重要的意義。
變壓器線圈在繞制、加壓乾燥、套裝等工藝過程中，由於導線質量、換位、彎折引出線，焊頭等處理不當，常會造成線圈短路故障。
當線圈繞制導線的圓角半徑較小，則在變壓器負荷運行時產生振動。或當變壓器因短路以及變壓器投入網絡而遭受重複的電磁力衝擊時，導線的陡稜可能逐漸切斷絕緣而導致相鄰線匝短路，此種現象多發生於變壓器的高壓線圈中。
當變壓器線圈受到嚴重的外部短路，特別是發生三相短路情況時，在短路電流瞬時峰值作用下，即使不立即發生絕緣擊穿，也可能因線圈的殘餘變形而造成嚴重的故障隱患。當線圈遭受短路電流衝擊次數越多，承受短路電流峰值概率就越多，越有可能導致線圈變形，出現惡性循環，導致線圈位移及其壓緊裝置的損壞。當然線圈某一線段的一匝或多匝導線可能發生錯位，由此可能造成匝間短路。線匝產生錯位後並不一定就發生擊穿現象。但變壓器在負載運行期間，由於電磁力的作用而產生振動，因此，當變壓器反覆遭受嚴重的電磁力衝擊時，相鄰錯位線匝的絕緣由於摩擦可能導致擊穿現象。
對於扁導線包紮絕緣紙可能達不到要求的緊度，因此產生隆起現象，導線絕緣越厚越明顯，使導線形狀發生變化。實際上有可能呈圓形。這樣在繞制線圈過程中判斷導線是否彎曲造成一定困難。但這種彎曲有時要引起匝間短路，在線圈的某些位置，相鄰導線是端面靠端面。此時，當這樣一些線匝絕緣受到摩擦，就可能引起擊穿。導線的圓角半徑較小，這種現象越嚴重。
目前，大型電力變壓器中常設有可調節的線圈壓緊裝置，供變壓器運行中絕緣產生收縮及時調節對線圈的壓力。線圈的壓緊程度應該由製造廠在器身絕緣裝配時細心地加以調整，以便對線圈施加合理的壓力，當然，控制各線圈的高度相同是基本條件。否則某些導線可能產生錯位，因此就可能發生匝間短路。
如果線圈絕緣中滲入水分，那麼遲早要發生匝間短路，尤其是線圈浸漬處理不當，由此而產生的擊穿將會重新發生並更加危險。
在變壓器乾燥處理過程中，由於過分縮短了處理時間，如變壓器線圈的絕緣電阻仍較低時，施加正常電壓或試驗電壓後，則由於水蒸汽的存在，匝尖絕緣可能被擊穿。
如果變壓器在不同程度上遭受迅速的負載波動，則線圈導線的膨脹和收縮將使匝間絕緣上所承受的機械作用力交替地增大和減小。大多數絕緣的機械強度均隨機械壓力的增加而降低，所以當變壓器遭受電或磁的衝擊時，其線圈極易發生損傷。
對於獨立線圈，尤其是高壓連續式線圈，它們的幅向尺寸與軸向尺寸的比值過大，因此，在線圈的內側將產生過熱點，使導線絕緣脆化，引起匝間短路。若幅向油道尺寸過小，則這種危險性就更大。
對於糾結式線圈，由於匝間、段間單位差較大，糾結線需要進行焊接，故焊點較多，這些均可能造成絕緣弱點和過熱的原因。
在低壓線圈採用螺旋式多根並聯導線中，並聯導線常採用矩形且窄邊垂直於漏磁通，而寬邊與漏磁通平行，若其比值不合理，則導線中將流經較大的渦流；對多根並聯線匝，雖然同匝各股導線相鄰處電位相同，若忽視股間絕緣，由於內外層每根導線電壓不同，若股間絕緣破壞將引起循環電流，這樣在線圈中可產生過熱點。在線圈繞制過程中，進行導線換位，從而使每根導線在漏磁場中處於相同的位置，否則，由於每根並聯導線承擔的負載不均，因而某些導線產生過熱，加速絕緣老化，造成變壓器線圈匝間短路。
如果變壓器線圈接頭焊接質量不佳，則當變壓器在負載時，可能由此使線圈產生過熱，導致變壓器油的局部炭化。接頭處產生的熱量可傳導到線圈的一段導線上，並可使導線絕緣局部炭化，最終導致匝間短路。這樣的接頭遲早要斷開而造成線圈斷路。
當變壓器發生外部短路時，由於電磁不平衡，可能引起線圈導線嚴重錯位。因為一次及二次線圈為同心式，所以它們的安匝可能不平衡，因此除產生幅向力外，還產生作用於線圈上的軸向力。特別是對於低阻抗的變壓器，該軸向力常引起端部線段變形，當線圈具有分接頭時，要想在每一分接下維持安匝平衡是有困難的，因此有時安匝不平衡是不可避免的。
匝間短路、線圈對地短路可能由以下原因引起的：
1． 當雷電波侵入變壓器時，線圈端部線段的梯度電壓增大。由於在變壓器與線路之間的過渡點處衝擊阻抗有變化，因此產生電壓和電流波的反射，結果在變壓器線圈中引起高電壓，使靠近線路端的若干線段受害最重。由於在線圈的其它部分可能繼續產生高電壓，所以亦可能發生擊穿。
2． 由衝擊波引起的過電壓可能在以下各點增強：如開口分接處；線圈中衝擊阻抗產生變化的任意點，例如加強絕緣導線的末端；串聯線圈的聯線及中性點。為了儘可能地避免匝間短路，對以上區域應加強絕緣。
3． 當把變壓器的二次線圈開路，一次線圈切除，變壓器的勵磁電流，隨著是鐵芯中磁通趨於迅速消失。但有時確實衰減很快，其衰減速率與週期變化率相比要大得多，結果有時在變壓器中產生高壓升高。
已經證明，迅速冷卻遮斷電弧會增強這種效應，尤其是在最後的半周更是如此。
嚴重的過載可在變壓器中引起高溫，造成線圈絕緣變脆，同時可能產生導線絕緣脫落因而導致匝間短路。變壓器油中產生的油泥將沉積在箱底、線圈及鐵芯構件上。沉積物對變壓器線圈及鐵芯產生覆蓋作用，影響散熱，而且使過熱越來越嚴重。
由以上分析可知，變壓器發生的故障大部分是與製造質量有關，當然有的也和運行維護相聯繫，其中主要是匝間短路和過熱以及短路電動力等原因造成的。因此，在變壓器運行中應加強維護工作，如對變壓器油的定期分析、限制變壓器的過熱等，從而延緩變壓器的使用壽命。
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