变压器故障:频率和原因
变压器是电力系统中最可靠和最坚固的元件之一。变压器基本上是两组导线(绕组)缠绕在钢或铁芯上(见图1中的原理图)。绕组和铁芯浸在油中，并密封在钢罐中(典型的室外电力变压器，这将是本文的重点)。变压器的基本核心(没有双关语)没有活动部件(大型电力变压器可能包括冷却风扇，油泵和负载分接开关)。
在西屋公司工作的威廉·斯坦利于1886年制造了第一台可靠的商用变压器。关于变压器的坚固性，他写道:
“我个人对变形金刚有很深的感情。”“对于一个难题来说，这是一个完整而简单的解决方案。这让所有机械的监管尝试都相形见绌。它能轻松、可靠、经济地处理大量的能量负荷，这些能量负荷是即时输入或从它获取的。它是如此可靠、坚固、可靠。”[1]
在电力公用事业行业中，看到变压器服务50年或更长时间并不是未知的。然而，任何有电力传输和配电经验的人都见过变压器故障。鉴于变压器如此坚固可靠，当变压器发生故障时，业主和保险公司往往会感到惊讶，但我们都知道没有什么是永恒的。这就提出了相关的问题:对变压器寿命的合理预期是多少?变压器损耗的概率是多少?
在IEEE标准493中关于变压器预期寿命的技术文献中，一个经常被引用的数字是，液体填充变压器每年发生0.0041次故障。这似乎意味着，人们可以预期一台变压器的故障率为1/0.0041或每243.9年一次。众所周知，变压器不能持续200多年。该数字旨在给出任何给定单元在一年内发生故障的概率，并可用于预测给定时间段内车队中预期故障的数量。例如，EDT最近调查了一个100兆瓦光伏太阳能发电场的损失。该装置包括47台充油变压器。根据IEEE标准493和假设的20年的农场寿命，预计在项目的寿命期间将有大约4个变压器故障，计算如下。
这种基于故障率计算预期损耗的方法没有考虑变压器的使用年限。威廉·巴特利在哈特福德蒸汽锅炉所做的工作表明，故障的风险随着年龄的增长而上升，变压器寿命为50年，故障的风险约为50%。[2]Bartley开发的数据产生了如图2所示的曲线。
图2中的曲线由下面的等式推导而来。风险函数是基于20世纪30年代w·珀克斯(W. Perks)在精算表中对人类死亡率的研究。
在危险函数中，“A”项表示随机事件，如雷击、破坏和碰撞，“t”表示以年为单位的时间;其他项，a, b和m，是解释与年龄相关的失败的常数。
注意，在图2中，对于40年以上的变压器，危险函数(可以理解为故障概率)小于10%。因此，当保险公司和理算人员对变压器在早期阶段发生故障感到惊讶时，他们显然是有理由的。这就提出了一个显而易见的问题:为什么变压器会失灵，根本原因是什么?毕竟，确定损失的根本原因是法医工程的全部内容。开云体育登录入口官网
对德国、奥地利、瑞士和荷兰的112起变压器故障的回顾显示了故障原因的分布如图3所示。[3]
下面是对图3中所示故障原因的讨论。
未知的25.0%-法医工程的不幸现实是，有时确定某些损失的原因是不切实际的，甚至是不开云体育登录入口官网可能的。当变压器发生故障时，会释放出大量的能量，往往足以使铜(或铝)绕组和部分铁芯蒸发，并点燃绝缘油。故障地点受损严重，无法进行法医分析的情况并不罕见。
设计、制造、材料和安装34.8%-超过1/3的变压器故障是由于设备投入使用时存在的缺陷造成的。这些缺陷使设备在使用过程中容易受到应力变压器的影响。
老化和过热19.7%老化是一个宽泛的范畴，主要与油浸纸绝缘强度的损失有关。影响绝缘强度完整性的因素包括油中存在的水和氧气以及多余的热量。要寻找的关键是油箱和密封件和垫片完整性的缺陷。多余的热量主要来自过度的负荷。当油和纸暴露在水和氧气中，与油结合并产生多余的热量时，人们可以把纸想象成在油中“烹饪”。就像土豆在高温下炸会变脆一样，变压器里的纸在高温下也会变脆。存在的水和氧气促进不利的化学反应，从而引入可燃气体和化合物，从而降低油的绝缘强度并增加爆炸的危险。热量也可能来自外部短路，导致短期加热。短路会导致其他缺陷，我们将在下面讨论。
外部短路8.9%从变压器中传来的熟悉的嗡嗡声是电流和绕组中导致铁芯弯曲的流动的机械力的结果。嗡嗡声约为120赫兹，是60赫兹电频率的两倍，因为核心每半个周期弯曲一次。变压器二次侧的外部短路会导致变压器绕组中的大电流流动。大电流可引起堆芯剧烈弯曲和变形，并引起堆芯和储罐支撑的变化。变压器有所谓的损坏曲线;基于电流和持续时间的曲线，确定变压器可以承受而不损坏的电流的大小和持续时间。变压器保护的选择应限制短路的持续时间，使时间电流值低于损坏曲线。
维护不当2.7%-变压器维护主要关注的是确保油的液位和状态，并确保湿气不进入油箱。有关变压器维护的详细信息，请参阅IEEE标准C57.93-2019 -IEEE液浸式电力变压器安装和维护指南。
过电压和雷电[4]1.8%-电力损失最常见的解释之一是过电压和雷击。闪电造成的伤害可以通过以下三种情况中的两种来确定:
- 来自STRIKEnet等服务的气象数据
- 目击证人的证词
- 物理损坏与过压或大电流流动一致
安装防雷装置后，过电压对变压器的损坏较小。作为一个实际问题，过电压有时可以根据对其他设备的损坏或不损坏来确认或排除。如果有报道说变压器——一个坚固的设备——被过电压损坏了，而电子设备，如电信设备、计算机和网络设备却没有损坏，那么必须质疑为什么坚固的设备被损坏了，而不那么坚固的设备却没有损坏。相反，如果变压器和电子设备同时损坏，则调查过电压的可能性是合理的。
各种各样的7.2%-这一组包括:
- 异常恶化0.9%
- 夹紧压力1.8%(支撑物强度损失/纸张绝缘间距)
- 附带损害0.9%(其他设备或系统造成的损害)
- 外部污染1.8%(腐蚀性环境)
- 冷却损失0.9%(冷却散热器、风扇或油泵损坏)
- 其他0.9%
总结
预计充油变压器的寿命可达50年是合理的，然而，早期故障并非没有先例，而且考虑到大量的变压器，预计故障发生是合理的。故障的原因可能难以确定，但通常与油和绝缘纸的状况有关。EDT有工程师可以调查变压器和其他电气损失。
作者简介
Gary W. Mullis，硕士。,体育是我们公司的咨询工程师北卡罗来纳州夏洛特办事处。Mullis先生在电力分配、传输和发电的设计和性能领域提供咨询，包括火灾起因及原因分析修理/更换的经济和技术可行性分析。他的专业领域还包括故障和不平衡条件下的电气系统和设备性能，以及电接触事故、电弧闪光事件和直接闪电的分析。您可以联系他为您的法医工程需求开云体育登录入口官网gmullis@edtengineers.com或(704) 523 - 2520。
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1变形金刚的历史爱迪生技术中心，©2022，可于2022年3月24日访问https://edisontechcenter.org/about.html
2威廉·h·巴特利，变压器故障分析美国哈特福德蒸汽锅炉检验保险公司
国际工程保险协会第36届年会-斯德哥尔摩，2003
3.Tenbohlen, S. et al .，电力变压器可靠性评估，第十七届高压工程国际研讨会，德国汉诺威，2011年8月22-26日
4由于研究国家的闪电活动水平较低，因此在本研究中闪电损害可能不太突出。在德克萨斯州和佛罗里达州等地区，闪电预计会更加频繁。