【作者简介】乔洪宾 ,男，1988年3月17日，汉族，河北省沧州市，本科，助理工程师，研究方向：电气专业。

变压器典型短路故障分析

乔洪宾   孔令朋

保定天威集团特变电气有限公司，河北省保定市，071000

摘要：随着电力系统规模持续扩张，变压器的稳定运行对电力供应可靠性具有直接影响。本文以电力变压器为研究对象，结合典型案例系统分析其短路故障机理，针对外部诱因引发的电力变压器绕组短路、绝缘劣化问题，提出相应的运维防护策略。

关键词：变压器；短路故障；预防性维护。

引言：随着电力系统规模扩张、能源结构转型以及用户对电能质量要求的提升，电力变压器的故障诊断与处理已成为电力领域的研究热点。本文针对2023年河南某加工厂110kV变压器进水诱发内部短路故障案例展开分析，系统阐述变压器典型短路故障的分析逻辑与技术方法。

1 变压器内部绕组匝间短路故障

1.1 故障概述

变压器内部绕组匝间短路是指绝缘老化、局部放电或机械振动引发相邻绕组匝间绝缘击穿，进而形成低阻抗回路的故障类型。

该故障属于典型的潜伏性故障，具有隐蔽性强、发展速度快的特征，易引发变压器突发性损毁，造成严重经济损失。

2023年，河南某铝业公司在运1台S10-50000/110变压器突发故障，差动保护动作跳闸。

1.2 拆解过程分析

对变压器油进行检测，所得色谱分析数据如下：

色谱项目	H2	CO	CO2	CH4	C2H4	C2H6	C2H2	总烃
含量（μl/L）	132	336	1813	36.86	53.12	9.75	56.42	156.15

直流电阻测试数据

高压绕组直阻数据
分接位置	AO	BO	CO	不平衡率 %
1	497.2	340.9	342.6	39.71%
2	487.3	330.9	333.5	40.74%
3	477.5	323.7	323.7	41.02%
4	468.4	312.1	313.7	42.85%
5	458.5	302.2	304.2	44.03%

变压器直流电阻测试结果表明，高压绕组直流电阻不平衡率严重超出标准限值。

对变压器进行吊罩检查，可见A相存在短路痕迹，部分绝缘件表面附着有铜瘤与铜质粉末；对变压器箱底进行检查时可见游离水。

对高压套管分别开展检查，可见A相套管顶端内圈存在液态水，并可见连续爬电痕迹，电缆头与套管连接的内螺纹处存在烧蚀痕迹。进一步检测，显示A相套管将军帽与套管油室连接处存在污渍，部件贴合不紧密，且密封圈存在粉化、开裂现象。

1.3 故障机理分析与危害

基于上述检测与分析，可确定本次故障的核心诱因为高压套管端部密封老化引发密封失效（注：故障发生前，变压器所在地经历了雨雪天气过程），降雨过程中雨水渗入A相高压套管中心筒，沿引线流至线圈出线部位并浸入绕组，线圈受潮引发局部匝间绝缘击穿，形成短路回路，短路电流可达额定电流的5-10倍，在短路线圈内产生大量焦耳热，导致热点温度超过150℃，加速绝缘材料碳化进程，碳化产物进一步形成导电通道，导致短路范围持续扩大，最终引发线圈匝间短路故障，造成变压器停运损坏。

变压器绕组绝缘处理缺陷、长期机械振动与绝缘老化均可能引发内部匝间短路故障，但在实际运行中匝间短路多由类似本次案例的外部因素诱发，未及时介入处理，最终发展为相间短路，造成变压器损毁。

2 电力变压器典型故障诊断方法

2.1 变压器绕组变形检测

绕组变形是短路故障的主要后果之一，也是诱发后续故障的关键因素，通过变压器绕组变形检测可实现故障类型诊断，避免变压器发生更严重的损坏。

2.1.1 频率响应分析法（FRA）

原理：向绕组注入1kHz-2MHz频段的扫频信号，测量端口阻抗频谱响应。绕组变形会引发绕组分布电容与电感参数改变，表现为频谱曲线谐振点偏移。

应用：可检测轴向位移、径向变形、匝间短路等缺陷，检测灵敏度可达毫米级。

2.1.2 短路阻抗法

原理：测量变压器短路阻抗，并与历史测试数据对比。绕组变形会引发漏磁通路径改变，当测量偏差超过2%即可判定绕组状态异常。

局限：仅可检测绕组整体变形，对局部缺陷检测灵敏度较低。

2.2 变压器绝缘油检测分析

2.2.1 基本原理与气体特征

油色谱分析的原理基于：特定烃类气体的产生速率随温度变化，随着温度升高，产气率峰值对应的气体依次为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔，即故障温度与溶解气体含量之间存在对应关系。局部过热、电晕与电弧放电是引发油浸纸绝缘分解产生故障特征气体的主要原因[5]。

变压器在正常运行状态下，绝缘油与固体绝缘会逐步老化变质，分解产生微量气体，主要包括氢、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或绝缘受潮时，上述气体的含量会显著上升。

油色谱分析通过检测变压器油中溶解气体的成分与浓度，可推断内部故障类型，主要特征气体及其对应故障类型如下：

氢气（H₂）：对应局部放电或低温过热（<300℃）；

甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙烷（C₂H₆）：对应中低温过热（300℃-700℃）；

乙炔（C₂H₂）：对应电弧放电（>700℃）；

一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）：对应固体绝缘（纤维素）热分解[6]。

2.2.2 主流分析方法：三比值法

通过计算特征气体比值（如CH₄/H₂、C₂H₂/C₂H₄、C₂H₂/CH₄），可将故障划分为六类（局部放电、低能量放电、高能量放电、低温过热、中温过热、高温过热，电弧兼过热）。

优势：标准化程度高，适用于故障快速初筛。

局限：对混合型故障检测灵敏度较低。  

结论

匝间短路故障具有隐蔽性强、发展速度快的特征，易造成变压器线圈永久性损坏。油色谱分析、绕组变形测试可有效识别故障隐患，实际运维中应采用多手段综合诊断。运维阶段需开展常态化状态检测，防范短路故障发生，保障电网设备安全稳定运行。

参 考 文 献

[1]. GB 1094.5-2008, 《电力变压器 第5部分：承受短路的能力》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.  

[2]. Emsley A M, Stevens G C. Review of chemical indicators of degradation of cellulosic electrical paper insulation in oil-filled transformers[J]. IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, 1994, 141(5): 324-334.  

[3]. IEEE Std 62-1995, Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus – Part 1: Oil Filled Power Transformers, Regulators, and Reactors[S].    

[4]. 史峰, 李致中. 基于振动频谱的变压器绕组变形检测方法[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(12): 3562-3570.  

[5]. GB/T 7252-2001, 《变压器油中溶解气体分析和判断导则》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2001.  

[6]. IEC 60599:2015, Mineral oil-filled electrical equipment in service – Guidance on the interpretation of dissolved and free gases analysis[S].    

[7]. 天威新域科技发展有限公司. 变压器局部放电检测系统技术手册[R]. 保定: 天威新域, 2022: 15-20.    

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