电力变压器状态监测与故障诊断

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： 电气工程及其自动化


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： 唐瑶


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： 2012年2月2日

电力变压器状态监测与故障诊断

I内容摘要
电力变压器指的是电力系统一次回路中供输、配、供电用的变压器。本文简
要介绍了电力变压器的分类和结构组成，并说明了电力变压器的常见故障类型及
检测与诊断方法。针对电力变压器的常见缺陷和故障，分析了这些故障对变压器
的危害，并对消除故障的方法进行了归纳总结，此外还分析了变压器常用的监测
技术，具有一定的实用价值。
关键词：
：：
：变压器；故障检测；故障诊断




















电力变压器状态监测与故障诊断

II目 录 内容摘要
........................................................................................................................... I 引 言 .......................................................................................................................... 1 1 电力变压器简要介绍 ................................................................................................ 2 1.1 电力变压器的分类 .......................................................................

.................. 2 1.2 电力变压器的主体结构 ................................................................................. 2 1.2.1 油浸电力变压器 .................................................................................. 2 1.2.2 干式变压器 .......................................................................................... 3 2 电力变压器常见的故障类型及故障产生原因 ........................................................ 4 2.1 磁路中的故障原因 ......................................................................................... 4 2.2 绕组中的故障原因 ......................................................................................... 4 2.3 绝缘中的故障原因 ......................................................................................... 5 2.4 结构件中发生的故障原因 ............................................................................. 6 3 电力变压器的故障检测诊断方法 ............................................................................ 7 3.1 油浸变压器的外观检查 ................................................................................. 7 3.2 机械类检测装置 ............................................................................................. 7 3.3 电气类检测装置 ............................................................................................. 8 3.4 利用仪器仪表检测诊断故障 ......................................................................... 8 3.5 变压器油中的气体类别 ................................................................................. 8 4 变压器在线监测技术 ................................................................................................ 9 5 结论 .......................................................................................................................... 10 参考文献： .................................................................................................................... 11




电力变压器状态监测与故障诊断

1引
言 电力变压器指的是电力系统一次回路中供输、配、供电用的变压器。在供电系
统中变压器是非常重要的电气设备。在电能的传输和配送过程中，电力变压器是
能量转换、传输的核心，是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路，
是电网中最重要和最关键的设备。电力设备的安全运行是避免电网重大事故的第
一道防御系统，而电力变压器是这道防御系统中最关键的设备。变压器的严重事
故不但会导致自身的损坏，还会中断电力供应，给社会造成巨大的经济损失。而
在实际运行中对于电力变压器的运行状态监测和故障诊断具有着非同一般的实际
意义。

电力变压器状态监测与故障诊断

21
电力变压器简要介绍
1.1 电力变压器的分类 按作用分，有升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等。
按结构分，有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器等。
按相数分，有单相变压器，三相变压器。
按冷却方式分，有油浸自冷变压器，干式空气自冷变压器、干式浇铸绝缘变
压器、油浸风冷变压器、油浸水冷变压器、强迫油循环风冷变压器、强迫油循环
水冷变压器等。
按绕组使用材料分，有铜线变压器、铝线变压器 1.2 电力变压器的主体结构
1.2.1 油浸电力变压器
油浸电力变压器油浸电力变压器
油浸电力变压器 变压器由器身、油箱、冷却装置、保护装置和出线装置组成。器身包括铁心、
绕组（绕圈）、绝缘、引线和分接开关；油箱包括油箱本体和油箱附件（放油阀、
接地螺钉、小车、铭牌等）；冷却装置包括散热器和冷却器；保护装置包括储油柜、
油标、安全气道、吸湿器、测温元件和气体继电器；出线装置包括高、低压套管。
变压器的铁芯是由铁芯柱和铁軛组成的闭合磁路，用厚度0.35~0.5mm的硅钢电力变压器状态监测与故障诊断

3片叠压或卷绕而成。硅钢具有良好的导磁性能，是最常用的导磁材料。薄片本身
就能减小涡流损失，加之硅钢片间经过绝缘处理，更能减少涡流损耗。硅钢是软
磁材料，磁滞回线很瘦，磁滞损耗小；硅钢的电阻率较高，有利于限制涡流，减
小涡流损耗。
变压器绕组套装在铁芯（柱）上。绕组是变压器的电路部分，用绝缘铜导线
或绝缘铝导线绕制而成。单绕组变压器（常称作自耦变压器）只有一组绕组，而
且一次绕组与二次绕组有一部分是公用：一组一次绕组和一组二次绕组；三绕组
变压器由三组绕组：即一组一次绕组和两组二次绕组。小容量变压器的低压绕组
和高压绕组都绕制成圆筒状，低压绕组在内，高压绕组在外，称为同心式绕组。
大容量变压器的低压绕组和高压绕组都绕制成盘状，低压绕组与高压绕组交替套
装在铁芯上，上下端部安放低压绕组。这种绕组称为交叠式绕组。绕组与绕组之
间、绕组与铁芯之间都有良好的绝缘，并留有一定形式的槽道，以便于散热和循
环冷却。
油浸电力变压器的铁芯和绕组都浸没在绝缘油里。变压器的油兼有散热、绝
缘、防止内部元件和材料老化以及内部发生故障时熄灭电弧的作用。容量稍大的
变压器，油箱外焊有散热管，油经过油箱的散热管循环流动，把绕组和铁芯发出
的热量散

发到空气中去。大型变压器还可采用家装风扇、强迫油循环以及水内冷
等冷却方式。 1.2.2 干式变压器
干式变压器干式变压器
干式变压器 干式变压器的铁芯和绕组的冷却介质为空气。为了便于制造和维护，小容量、
低电压的特种变压器，也有做成干式的。一般用于安全防火要求较高的场合。
开启式干式变压器。这干式变压器是常用的形式，其器身与大气直接接触，
适用于比较干燥而洁净的室内环境（环境温度20℃时，相对湿度不超过85%），一
般有空气自冷和风冷两种冷却方式。
封闭式干式变压器。其器身处于封闭的外壳内，与外部大气不直接接触。可
用于较为恶劣的环境中。由于密封、散热条件差。主要用于矿用的隔爆型变压器。
封闭式也可充以2~3个大气压下的六氟化硫气体，并加以强迫循环，则变压器的
绝缘和散热能力均可和油浸式相比拟，适用于高电压等级的产品。不过，这种干
式变压器已变为气体绝缘变压器了。
浇注式干式变压器。用环氧树脂或其他树脂浇注作为主绝缘，结构简单、体
积小，适用于较小容量的产品。 电力变压器状态监测与故障诊断

42
电力变压器常见的故障类型及故障产生原因 电力变压器是静止的电气设备，是供配电系统中实现电能输送、电压变换，
满足不同电压等级负荷要求的核心器件，工厂里使用最多的是三相油浸式电力变
压器和环氧树脂浇注式干式变压器。工厂变电所中的电力变压器属于直接向用电
设备供电的配电变压器，其绕组导体材质有铜绕组和铝绕组两种。低损耗的铜绕
组变压器现在得到了广泛使用。
电力变压器在运行中，由于其内部或外部的原因会发生一些异常情况，影响
变压器正常工作，造成事故。
我单位现有供电66KV主变电所2座，其中一座变电所为2台6300KVA变压器
供给粮食谷物公司；另一座为两台3150KVA变压器供给港区生产、施工用电，下
级10KV变电所、箱式变电站计37座，10KV变电所变压器装机总容量为21800KVA，
自99年到港至今，各类变压器故障计72起，经具体分析总结，可以知道，变压
器故障主要是因为绝缘材料（绝缘油、绝缘纸及压制板等）的劣化。其原因是由
于正常及过负荷下的热劣化，另外是水分和氧气对热劣化的促进作用；由于冲击
等过电压产生电场劣化造成绝缘材料的损伤，其征兆为局部放电和特征气体产生；
由外部短路的电磁机械力及振动引起的机械劣化，使线圈及夹持件造成物理损伤
和几何位移等。下面，针对实际情况分析故障原因如下： 2.1 磁路中的故障原因 1）夹紧铁芯芯柱和铁轭叠片的

穿心螺杆的绝缘件击穿，引起铁心叠片局部短
路，从而产生很大的局部涡流；
2）铁心夹件及连接铁芯结构的螺栓由于电磁力的作用而引起的振动，将削弱
铁心绝缘和铁心叠片之间的绝缘；
3）铁心及铁轭叠片的边缘的毛刺，夹杂金属物质或铁心叠片产生微小的弯折，
可使铁心叠片产生局部短路；
4）磁路中的高饱和磁密将产生相当大的高次谐波电压或电流；
5）铁心叠片的材料和涂在硅刚片的绝缘变质引起铁损增加，使得变压器的温
度升高从而损坏铁心叠片。 2.2
绕组中的故障原因 1）绕组的纸包扁铝线的棱曲率半径较小；
2）矩形导线上绕包的绝缘纸达不到所要求的紧度，产生隆起，使导线形状发
生变形，引起匝间短路； 电力变压器状态监测与故障诊断

5 3）绕组的绝缘由于空气带入的水分或者油中带有水分而受潮；
4）当负荷发生迅速的波动，绕组遭受电或磁的冲击时，绕组导线的膨胀和收
缩将使匝间绝缘上所受的机械力交替地增大和减小，使绝缘产生损坏；
5）多根并联连续式绕组，它的幅向尺寸的比值过大，如果油道过窄，在绕组
的内侧将产生过热点，使导线绝缘产生脆化，引起匝间短路；
6）绕组内部导线的焊接质量不佳，接触电阻较大，使绕组产生过热，导致绝
缘油的局部炭化；
7）绕组匝间短路及绕组对地短路的原因有三方面：
① 当雷电及网络的冲击波侵入变压器时，在变压器与线路之间的过渡处冲击
阻抗有变化，绕组线端的端部线段容易产生电压和电流传输波反射现象，其结果
是在变压器绕组中引起高电压，绕组绝缘被击穿。
② 正常的开合闸、雷电冲击或对地弧光放电都可能产生冲击波，由冲击波引
起的过电压如加在绝缘导线的末端、串联绕组的连线及中性点上，都可能引起匝
间短路。
③ 当把一只感应绕组从线路中切除，或者迅速冷却遮断电弧（尤其是在最后
的半个周期）时，会使铁心中的磁通很快衰减，会在变压器中产生高电压。
8）严重的持续过载可在整台变压器中引起高温，油道窄小加剧变压器的过热
现象，造成绝缘变脆，同时可能产生导线绝缘脱落因而导致匝间短路；
9）用螺栓夹紧的载流接头，如未采取有效的防松措施，则在变压器运行期间，
将因振动而发生松动，接头将因此迅速发热，甚至使变压器不得不暂时出运行。 2.3 绝缘中的故障原因 1）由于变压器没有全密封，或者隔膜、胶囊漏气，使潮湿空气进入绝缘油，
降低了绝缘油的绝缘强度，引起绕组或引线对油箱或对铁心构件击穿。

2）串联使用的绝缘材料的厚度搭配不合理，因电晕放电或过热可以导致某种
绝缘材料的损坏。
3）绝缘油中悬浮物里的粒子在有电位差的裸导体之间形成“小桥”，引起暂
时电气击穿。
4）变压器长时间过载可引起绝缘油的老化，油温过高会加速油泥、水分及酸
的形成。
5）在变压器绕组表面及其身上可能会遗留下金属材料，对爬电距离产生极大
的影响。 电力变压器状态监测与故障诊断

6 6）绝缘成型件因其表面被污染而导致表面放电，使得绝缘材料失效。 2.4 结构件中发生的故障原因 1）变压器绕组上的压紧力应随着变压器运行过程绝缘的收缩情况进行调整，
但必须采取适当措施防止绕组压紧装置的任何部分或部件形成短路匝。
2）由于焊接质量不佳、装配不细、运输过程中粗心地吊放变压器，会造成变
压器油箱漏油，如不及时维护，则变压器将产生过热和击穿。
3）气体继电器内未按规定充油和检验时，继电器可能产生误动作。另外，当
变压器油箱内部发生故障时，由于缺乏正确保护，会造成变压器严重击穿。
4）变压器不满足并列运行条件要求。
5）冷却油及冷却介质故障原因。对于油浸变压器油受潮、氧化、造成电气绝
缘性能下降；油泥沉积，阻塞，使散热器性能变坏；油绝缘下降造成闪络放电等。
对于特种冷却介质的变压器，如密封不严而渗漏，使气压下降，冷却效果差，绝
缘性能下降也导致故障发生。
6）制造工艺欠妥及修理方法不当引起的故障原因选用材料不良（导电材料、
磁性材料、绝缘材料）；设计和工艺质量不好。在变压器修造、组装过程，由于不
严格执行工艺标准，操作不当，绕组绕制不规范，浸烘不透不干，组装顺序不统
一，附件不标准、不合格，修造后变压器存在的隐患，一旦投入运行，容易产生
各类故障。
7）运行操作不当、维护不周引起故障。










电力变压器状态监测与故障诊断

7



3 电力变压器的故障检测诊断方法 利用人的感官诊断变压器故障。通过人们对声音、振动、气味、变色、温度
等的感觉来判断电气设备的运行状态，根据所发现的各种现象的变化来分析故障
发生的部位和程度。
变压器产生“嗡嗡”声的原因有：硅钢片的磁滞伸缩引起的振动；铁心的接
缝与叠层之间的磁力作用引起的振动；绕组的导线之间或线圈之间的电磁力引起
振动；强迫冷却式的变压器，其风扇和冷却泵产生的噪音等。 3.1 油浸变压器的外观检查 1）漏油：变压器外面沾粘

着黑色的液体或者闪闪发光的时候，首先应该怀疑
是漏油。大中型变压器装有油位计，可以通过油面水平线的降低而发现漏油。
2）变压器油温度。
3）呼吸器的吸湿剂严重变色。吸湿剂严重变色的原因是过度的吸潮、垫圈损
坏、呼吸器破损、进入油杯的油太多等。通常用的吸湿剂是活性氧化铝（矾士）、
硅胶等，并着色成蓝色。然后当吸湿量达到吸湿剂重量的20%～25%以上时，吸湿
剂就从蓝色变为粉红色，此时，就应进行再生处理。吸湿剂再生处理应加热至100～
140°C直至恢复到蓝色。对呼吸器如果管理不善，就会加速油的老化。 3.2 机械类检测装置 1）瓦斯气体继电器
这种继电器广泛应用于带油枕的变压器。第1对触点供轻故障报警用，它是
变压器中绝缘材料，结构件中的有机材料烧毁时，油的热分解而产生的气体进入
气体继电器的气室，当气体积聚到一定时量，气体继电器轻瓦斯触点动作。第2
对触点用于重故障，它是在变压器内部因绝缘击穿、断线等而引起油中闪络放电
弧、变压器内部压力剧增，油急速流向油枕时继电器重瓦斯触点动作。
2）防爆装置
防爆装置是当内部压力升高至一定的数值时发生动作，使油箱内部压力向外
部释放的装置，用于保护油箱和散热器。 电力变压器状态监测与故障诊断

83.3 电气类检测装置
1）差动继电器
差动继电器的动作原理是：在变压器的一次侧和二次侧分别安装了按变压器
匝数比选定的电流互感器，利用变压器产生匝间短路之类事故时所引起的电流差
值，使继电器动作。因此，变压器运行中如果差动继电器发生动作，一般都是匝
间短路之类内部故障。
2）过电流继电器
这是在电力设备或线路发生短路事故，或者过负荷时进行保护的继电器。如
果设备外部线路没有相间短路，也没有过负荷，就应考虑是变压器内部短路。
检测变压器内部故障的其他方法还有分析溶于油中的气体的方法，看温度计
的指示有否异常或根据内部有否异常声音而进行检查的方法等。 3.4 利用仪器仪表检测诊断故障 保护继电器动作时或从外面观察认为内部有异常时，首先应查清当时喷油的
程度、响声大小与部位，保护继电器动作状态，负责情况和电力系统的现状等情
况作为参考。同时通过变压器的电气试验，油中的含气分析，变压器总的绝缘性
能试验，绝缘油试验等进行综合分析，以便对故障的部位和程度作出一定的检测，
都需要用专用仪器仪表进行检测诊断。 3.5 变压器油中的气体类别 气相色谱法是对变压器油中可燃性

气体进行分析的最切实可行的方法，该方
法包括从油中脱气和测量两个过程。将绝缘油中的氢气（H2）、氧气（O2）、氮气
（N2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、乙烷（C2H6）、二氧化碳（CO2）、乙烯（C2H4）、
乙炔（C2H2）等气体从油中脱出并经分析，证明它们的存在及含量，即可反映出
产生这些气体的故障类型和严重程度。油在正常老化过程产生的气体主要是一氧
化碳（CO）和二氧化碳（CO2），油绝缘中存在局部放电时（如油中气泡击穿），油
裂解产生的气体主要是氢气（H2）和甲烷（CH4）。在故障温度高于正常运行温度
不多时，产生的气体主要是甲烷（CH4），随故障温度的升高，乙烯（C2H2）和乙
烷（C2H6）逐渐成为主要物征气体；当温度高于1000℃时（如在电弧弧道温度300℃
以上），油裂解产生的气体中含有较多的乙炔（C2H2），如果故障涉及到固体绝缘
材料时，会产生较多的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）等。

电力变压器状态监测与故障诊断

94
变压器在线监测技术 变压器在线监测的目的，就是通过对变压器特征信号的采集和分析，判别出
变压器的状态，以期检测出变压器的初期故障，并监测故障状态的发展趋势。目
前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方
法。油中溶解性气体分析技术。由于变压器内部不同的故障会产生不同的气体，
因此通过分析油中气体的成分、含量、产气率和相对百分比，就可达到对变压器
绝缘诊断的目的。几种典型的油中溶解气体，如H2、CO、CH4、C2H6、C2H4和C2H2，
常被用作分析的特征气体。在检测出各气体成分及含量后，用特征气体法或比值
法等方法判断变压器的内部故障。
局部放电在线监测技术。变压器在内部出现故障或运行条件恶劣时，会由于
局部场强过高而产生局部放电（PD）。PD水平及其增长速率的明显变化，能够指示
变压器内部正在发生的变化或反映绝缘中由于某些缺陷状态而产生的固体绝缘的
空洞、金属粒子和气泡等。
振动分析法。就是一种广泛用于监测这种变压器故障的有效方法。通过对变
压器振动信号的监测和分析，从而达到对变压器状态监测的目的。
红外测温技术。红外热像技术是利用红外探测器接受被测目标的红外辐射信
号，经放大处理，转换成标准视频信号，然后通过电视屏或监视器显示红外热像
图。当变压器引线接触不良、过负荷运行等情况时都会引起导电回路局部过热，
铁芯多点接地也会引起铁芯过热。
频率响应分析法。频率响应分析法是一种用于

判断变压器绕组或引线结构是
否偏移的有效方法。绕组机械位移会产生细微的电感或电容的改变，而频率响应
法正是通过测量这种细微的改变来达到监测变压器绕组状态的目的。
绕组温度指示。绕组温度指示器就是用于监测变压器绕组的温度，给出越限
报警，并在需要时启动保护跳闸。目前已开发出一种用于大型变压器绕组温度监
测的新技术，即将一条光纤嵌入变压器绕组以便直接测量绕组的实时温度，从而
改进变压器的预测建模技术，并达到实时监测变压器绕组温度状态的目的。
其他状态监测方法。低压脉冲响应测试（Low Voltage Impulse Response，LVIR）
也是一种有效的变压器状态监测测方法，并且已经是一种用于确定变压器是否能
通过短路试验的公认方法。此外，绕组间的漏感测试、油的相对湿度测试、绝缘
电阻测试等也是变压器状态监测的常用方法。
电力变压器状态监测与故障诊断

105
结论
文章介绍了电力变压器的常见缺陷和故障，并分析了这些故障对变压器的危
害，并对消除故障的方法进行了归纳总结，此外还分析了变压器常用的在线监测
技术，具有一定的工程实用价值


进入21世纪电力行业将有更大的发展，电力变压器的故障诊断与状态检修作
为我国电力系统实现体制转变、提高电力设备的科学管理水平的有力措施，是今
后在电力生产中努力和发展的方向。

















































































电力变压器状态监测与故障诊断

11参考文献：
[1]钱厚义，港口供电，第一版，上海：上海市新闻出版局（92）第079号，1992.16-79。
[2]苑世光，对低压配电变压器常见问题的探讨，黑龙江科技信息，2008年，20期。
[3]汤力明，对变压器常见故障及其大修项目的分析，今日科苑，2009。
[4]曲世惠，王怡范，刘衍胜，陈树奉，江志德等，电工作业，第一版，北京：气象出版社，
2001.269-271。