摘要：通過對美國近10年間變壓器故障的統計分析，討論故障的起因，並涉及了故障類型、頻率、程度及運行壽命。對預防變壓器故障以延長其使用壽命的維護方法提出了建議。
關鍵詞：變壓器故障統計分析預防
當前的世界範圍內，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裏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、佈線及變壓器的重要性。
變壓器故障通常是伴隨着電弧和放電以及劇烈燃燒而發生，隨後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WilliamBartley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，並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並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着關鍵作用。本文從介紹美國1988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鑑的科學統計方法，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佔據主導位置。
1．2不同用户的變壓器故障
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，可將用户劃分為11個獨立類型：（1）水泥與採礦業；（2）化工、石油與天然氣；（3）電力部門；（4）食品加工；（5）醫療；（6）製造業；（7）冶金工業；（8）塑料；（9）印刷業；（10）商業建築；（11）紙漿與造紙業。
按照HSB的RickJones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，對於每一個給定的獨立組來説：
頻率=故障數/該組中的變壓器台數
（舉例來説，如果每年平均有10起故障，在一個給定的獨立組中有1,000個用户，在該組中任何地點故障的概率就是0.01/年。）因此，可以採用產品的故障頻率與程度將變壓器的風險按用户加以劃分。（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“分佈圖”。每組曲線中，X軸表示頻率、Y軸表示程度（或平均損失），X－Y的關係就形成了一個風險性座標系統。其中的斜線稱為風險等價曲線（例如，對於＄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）。座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，冶金工業及製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説法，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並非如此。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於右端的老化結果，然而故障統計數據顯示變壓器的使用壽命並非無法預測。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週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。美國在二戰後經歷了一個工業飛速發展的階段，並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峯。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年來的資料並進行分析的結果表明，儘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ing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緻地考慮。這些因素包括：誤用、振動,過高的操作温度、雷電或湧流、過負荷、對控制設備的維護不夠、清潔不良、對閒置設備的維護不夠、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年的研究得出的關於故障通常的原因及其所佔百分比。
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，除非明確屬於雷擊事故，一般的衝擊故障均被列為“線路湧流”。
2．2線路湧流
線路湧流（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、電壓峯值、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佔有顯著比例的事實表明必須在衝擊保護或對已有衝擊保護充分性的驗證方面給與更多的關注。
2．3工藝/製造不良
在HSB於1998年的研究中，僅有很小比例的故障歸咎於工藝或製造方面的缺陷。例如出線端鬆動或無支撐、墊塊鬆動、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。由於絕緣老化的因素，變壓器的平均壽命僅有17.8年，大大低於預期為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，僅指那些長期處於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，過高的温度導致了絕緣的過早老化。當變壓器的絕緣紙板老化後，紙強度降低。因此，外部故障的衝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年中沒有關於這方面變壓器故障的報道。
2．9連接鬆動
連接鬆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製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，儘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，用户可制訂一個維護、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，重繞線圈或重造一台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於變壓器獲得最大的使用壽命。
3．1安裝及運行
（1）確保負荷在變壓器的設計允許範圍之內。在油冷變壓器中需要仔細地監視頂層油温。
（2）變壓器的安裝地點應與其設計和建造的標準相適應。若置於户外，確定該變壓器適於户外運行。
（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着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並通過過濾將其去除。
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，連續測定隨着變壓器中故障的發展而溶解於油中氣體的含量，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、生鏽、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。並檢驗觸頭的緊固、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，而引線應儘可能短。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於最關鍵的變壓器上。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，並將其與數據採集裝置相連，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。此係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，但由於內部結構複雜、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台次，惡性事故和重大損失也時有發生。因此借鑑國外經驗，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。
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