变压器故障定位

发布时间：2025年10月6日 08:17:40

  • 核心目标: 变压器故障定位旨在通过系统化的监测、测试与分析手段，精确确定故障的性质（如短路、开路、放电）、发生的具体部件（如绕组、铁芯、分接开关、套管）及其物理位置。

  • 定位逻辑: 遵循“由表及里，由宏观到微观”的原则。首先分析在线监测数据和继电保护动作信息进行初步研判；其次，在停电后进行一系列非破坏性的电气诊断测试；最后，在必要时结合先进的声学/振动等技术或进行内部检查。

  • 关键在线方法:

    • 油中溶解气体分析 (DGA): 通过分析故障特征气体的种类和含量，判断故障的能量密度和类型（如过热、电弧、局部放电）。

    • 继电保护动作分析: 根据动作的保护类型（如差动、瓦斯、过流）快速判断故障的区域（内部/外部）和严重程度。

  • 核心离线测试:

    • 电气常规测试: 包括绕组直流电阻、变比、绝缘电阻、介质损耗因数等，用于判断绕组的导通性、匝间短路及绝缘系统的健康状况。

    • 机械状态诊断: 频率响应分析 (SFRA) 是诊断绕组变形、位移等机械损伤最有效的手段。

  • 最终目的: 精准的故障定位是制定修复方案（现场修复、返厂大修或报废）、评估事故损失、分析故障原因以防止同类事故再次发生的基础。

一、 故障的初步诊断：在线监测与事故信息分析

在变压器跳闸后，故障定位的第一步并非立即进行现场测试，而是对跳闸前的在线数据和保护动作信息进行详细分析。

1. 继电保护动作信息分析

  • 气体继电器（瓦斯）保护动作: 这是最直接的证据，明确表明故障发生在油箱内部。

    • 轻瓦斯告警: 通常对应初期潜伏性故障，如局部过热、轻微放电，提示故障能量较低。

    • 重瓦斯跳闸: 表明发生了严重的内部短路故障，产生了剧烈的油流冲击。

  • 差动保护动作: 表明在差动CT所构成的保护区内（即变压器本体及套管）发生了严重的相间或接地短路故障。

  • 过电流保护/阻抗保护动作: 若仅后备保护动作，则故障可能在变压器外部或内部，需要结合其他信息进一步判断。

2. 油中溶解气体分析 (DGA - Dissolved Gas Analysis)
DGA是诊断变压器内部潜伏性故障和分析已发生故障性质最有效的手段。不同类型的故障会导致绝缘油和绝缘纸在不同温度下分解，产生特定的气体组合。

  • 低温过热 (<300°C): 主要产生甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)。

  • 中高温过热 (300°C - 700°C): 主要产生乙烯(C₂H₄)。

  • 局部放电 (PD): 主要产生氢气(H₂)和少量甲烷。

  • 电弧放电 (>700°C): 产生大量的氢气(H₂)和乙炔(C₂H₂)。乙炔是电弧故障的唯一有效特征气体。

通过分析故障前后DGA数据的变化，并利用杜瓦尔三角法 (Duval Triangle) 等图解法，可以准确判断故障是属于过热、局部放电还是高能电弧。

二、 停电后的电气诊断测试与定位

在完成初步诊断并确保安全措施到位后，一系列的离线电气测试将用于进一步定位故障。

测试项目 测试原理 可定位的故障类型与部件
绕组直流电阻测量 测量绕组导线的直流电阻值，并与出厂值或历史值进行三相平衡性比较。 <ul><li>电阻值偏大: 绕组导线断裂、引线接头接触不良或烧伤、分接开关接触不良。</li><li>电阻值偏低: 绕组发生严重的匝间或层间短路（但灵敏度不高）。</li></ul>
变压比（变比）测量 测量各分接位置下高低压绕组的电压比，并与理论值比较。 <ul><li>变比偏差超标: 定位匝间短路最有效的方法。可精确定位到发生匝间短路的具体绕组和相别。</li><li>分接开关故障: 在切换分接时若某个档位变比异常，可定位分接开关故障。</li></ul>
绝缘电阻与极化指数 测量绕组对地、绕组之间的绝缘电阻，评估绝缘系统的整体状况。 <ul><li>电阻值过低: 绕组绝缘整体受潮、严重污染或存在贯穿性绝缘击穿。可以定位到是哪个绕组（高压、中压、低压）的对地或相间绝缘系统失效。</li></ul>
介质损耗因数 (Tanδ) 与电容量 测量绝缘系统的介质损耗，对绝缘老化、受潮、脏污等缺陷非常敏感。 <ul><li>Tanδ值异常增大: 与绝缘电阻类似，可定位绝缘系统劣化，且比绝缘电阻更灵敏。通过不同接线方式（如正接法、反接法）可区分是绕组绝缘问题还是套管绝缘问题。</li></ul>
短路阻抗测量 测量变压器在短路条件下的阻抗百分比，并与铭牌值比较。 <ul><li>阻抗值变化显著: 表明绕组因承受巨大的短路电流冲击而发生了整体变形、位移或松动。这是判断变压器机械结构是否受损的重要指标。</li></ul>

三、 先进的故障定位技术

对于一些复杂的故障，传统电气测试可能难以精确定位，此时需要借助更先进的技术。

1. 频率响应分析 (SFRA - Sweep Frequency Response Analysis)

  • 原理: SFRA被誉为变压器的“指纹”测试。它通过向绕组注入一个扫频信号（Hz至MHz），测量其响应，绘制出独特的频率响应曲线。变压器内部的电感（绕组）和电容（匝间、层间、对地）构成了复杂的RLC网络，任何机械结构的改变（如绕组变形、铁芯位移、夹件松动）都会改变这个网络，从而导致“指纹”曲线发生变化。

  • 应用: 通过对比本次测试曲线与出厂或历史曲线，可以极其灵敏地判断变压器是否遭受了机械损伤，以及损伤的严重程度和大致区域。

2. 局部放电声学定位 (Acoustic Partial Discharge Location)

  • 原理: 当变压器内部发生局部放电时，会产生超声波信号。这些声波会通过绝缘油传播到油箱壁。

  • 定位: 在油箱壁外部布置多个超声波传感器，通过测量放电信号到达不同传感器的时间差（时延），利用三角定位算法，可以计算出放电源在油箱内的三维空间坐标，实现对放电点的精确物理定位。

常见问题解答 (FAQ)

1. 变压器跳闸后，故障定位的第一步应该做什么？
第一步绝对不是立即进行测试。首先是确保安全（隔离、验电、接地），然后是收集信息：详细记录并分析是哪个保护动作、动作时间、跳闸前的负荷与天气情况，并第一时间对变压器进行油中溶解气体分析（DGA）取样。这些信息组合起来，可以对故障的性质和范围有一个基本的判断，指导后续的测试方案。

2. DGA和SFRA在故障诊断中有什么区别？
它们是互补的。DGA诊断的是电气化学性故障，它告诉你变压器内部是否正在发生或已经发生了过热、放电等事件。而SFRA诊断的是机械结构性故障，它告诉你变压器的“骨架”（绕组、铁芯等）是否因承受不了电动力或外力冲击而发生了变形或移位。一个严重的短路故障，既会产生电弧（DGA能检测到乙炔），也会导致绕组变形（SFRA能检测到曲线变化）。

3. 在不吊开变压器钟罩（开箱）的情况下，能多大程度上定位故障？
通过上述一整套的非侵入式诊断技术（DGA、电气测试、SFRA、声学定位等），绝大多数故障（超过90%）都可以在不开箱的情况下，被定位到具体的部件（如高压A相绕组）和具体的故障类型（如匝间短路）。这种精确定位对于评估修复的可行性和制定高效的维修计划至关重要，避免了盲目、昂贵的开箱检查。