단상 배전 변압기에서 흔히 발생하는 고장은 무엇인가요

단일상 배전 변압기는 전력 시스템에서 중요한 전압 변환 및 전력 분배 장비로, 농촌 전력망, 저전압 주거 지역, 그리고 집중적인 단일 상 부하가 있는 지역에서 널리 사용되고 있습니다. 배전망 내의 단일 상 부하 비율이 지속적으로 증가함에 따라 단일상 변압기의 고장률도 증가하고 있습니다. 이러한 고장의 신속한 식별과 처리는 전력 공급을 보장하는 데 큰 의미가 있습니다. 최신 연구에 따르면, 단일상 배전 변압기의 일반적인 고장은 주로 5개 범주로 집중되며, 이는 감[]={감=[]} : 권선 고장, 절연 노화, 기름 누출, 이상 온도, 저전압 탭 고장입니다. 이러한 고장은 변압기의 정상 작동을 방해할 뿐만 아니라 장비 손상과 전력 공급 중단을 초래할 수 있습니다. 이 글은 다양한 고장의 원인, 특성, 그리고 처리 방법을 종합적으로 분석하여 전력 시스템 운영 및 유지 관리 인원에게 실질적인 지침을 제공합니다.

1. 권선 고장

권선 고장은 단일상 배전 변압기에서 가장 자주 발생하는 고장 유형으로, 권선 간 단락, 오픈 회로, 그리고 접지 고장을 포함합니다. 이러한 고장은 대부분 절연 재료의 노화, 기계적 손상, 또는 제조 결함으로 인해 발생합니다. 권선 내의 단락은 변압기 내부에서 국소 과열을 일으켜 절연 노화를 가속화하며, 결국에는 권선의 전체적인 손상을 초래할 수 있습니다. 연구에 따르면, 변압기 권선에 약간의 단락이 발생했을 때, 차동 보호나 가스 보호와 같은 전통적인 장치들이 초기 고장 단계에서 작동하지 않을 수 있어, 운영 및 유지 관리 인원의 고장 식별 능력에 더 높은 요구사항이 있습니다.

(1) 고장 현상

• 이상 소음: 변압기에서 기름이 끓는 "글썽" 소리나 "찌직" 방전 소리가 납니다.

• 이상 온도: 기름 온도가 표준을 초과합니다. 기름 내의 가스 함량이 주의 값 이상일 경우 즉시 변압기 상태를 확인해야 합니다 (IEC 표준 준수).

• 저항 불균형: 권선의 직류 저항 불균형률이 2% (허용값)를 초과하면, 가능성이 있는 권선 변형이나 접촉 불량을 나타냅니다.

• 이상 전압: 출력 전압이 불안정하고 크게 떨어집니다. 또한, 갑작스러운 단락 시 저전압 권선이 더 쉽게 변형됩니다 (저전압 권선은 압력 하에서 더 쉽게 변형됩니다).

(2) 처리 조치

• 긴급 정지: 즉시 전원을 차단하고 변압기 작동을 중지합니다.

• 정밀 검사: 적외선 온도계를 사용하여 권선의 온도 분포를 확인하고 고장을 위치시킵니다. 직류 저항과 용량을 측정하여 변형 정도를 평가합니다.

• 수리 및 교체: 필요하다면 커버를 열어 수리하거나 손상된 권선을 교체합니다.

(3) 예방 전략

• 정기 검사: 권선 절연 테스트를 수행하여 절연 상태를 파악합니다.

• 과부하 금지: 변압기의 장기적인 과부하 작동을 엄격히 금지하여 권선 손상 위험을 줄입니다.

• 예방점검: 피크 부하 기간 전에 예방점검을 실시하여 잠재적인 위험을 식별합니다.

• 안정적인 설치: 변전기를 견고하게 설치하여 진동이 권선에 미치는 영향을 줄입니다.

2. 절연 노화 고장

절연 노화는 단일상 배전 변압기에서 두 번째로 흔한 고장으로, 고체 절연 재료의 노화와 기름 절연의 악화를 포함합니다. 절연 노화는 변압기의 절연 성능을 감소시키고 장비의 전반적인 노화를 가속화합니다. 통계에 따르면, 변압기의 설계 수명(35-40년)을 약 20년으로 단축시킬 수 있으며, 특히 장기간 작동하거나 혹독한 환경에서 작동하거나 유지 관리가 충분하지 않은 변압기에서 두드러집니다.

(1) 고장 현상

• 유질 변화: 변압기 기름이 연노란색에서 오렌지색 또는 갈색으로 점차 변하며, 심지어 탄소 침착이 나타날 수도 있습니다.

• 절연 저하: 절연 저항 테스트 값이 표준보다 낮으며, 부분 방전량이 증가합니다.

• 이상 소음: 작동 소음이 날카롭고 불규칙하며, 노화 속도는 온도와 양의 상관관계가 있습니다 (아레니우스 이론에 따르면, 온도가 6°C 증가할 때마다 노화 속도가 2배로 증가합니다).

(2) 처리 방법

• 유 샘플 분석: 크로마토그래피 분석을 통해 특징 가스의 함량을 검출하고 노화 정도를 판단합니다.

• 유 및 재료 처리: 노화 상황에 따라 기름을 교체하거나 고체 절연 재료를 교체하고, 필요한 경우 전면 개조를 실시합니다.

(3) 예방 전략

• 정기 검사: 유질 검사와 절연 저항 테스트를 정례화하여 절연 상태를 관리합니다.

• 온도 제어 운전: 합리적인 온도(GB 표준: 유침식 변압기의 권선 평균 온도 상승 ≤ 65°C, 상부 기름의 온도 상승 ≤ 55°C)를 유지합니다.

• 환경 개선: 작동 환경을 개선하여 먼지, 습기, 유해 가스 등의 침식을 줄이고, S11형과 같은 고효율 변압기를 선택하여 온도 상승과 손실을 줄입니다.

3. 기름 누출 고장

기름 누출은 단일상 배전 변압기에서 자주 발생하는 해로운 고장입니다. 전력 변압기의 고장 중 40% 이상을 차지하며, 이는 절연과 열 방출 성능에 영향을 미치고, 장비 화재, 오염, 경제적 손실을 초래할 수 있습니다.

(1) 고장 현상

• 유량 감소: 유량 게이지가 유량 감소를 나타내며, 유조의 표면에 기름 얼룩이 보입니다.

• 관련 이상: 작동 소음이 날카롭고 불규칙하며, 유-종이 절연이 습기로 인해 담그였을 때, 비가 많이 오거나 습도가 높은 환경에서는 누출이 더욱 심각해집니다.

(2) 고장 원인

씰의 노화/손상, 용접 균열, 부싱 설치 부적절, 진동으로 인한 연결 부위 느슨함, 유조 부식, 호흡기 막힘으로 인한 이상적인 유압.

(3) 처리 방법

• 등급별 처리: 작은 누출은 임시로 수리하고, 심각한 누출은 즉시 정지하고 전면 개조를 실시합니다.

• 근본 수리: 시일을 교체하고, 용접/연결 부위를 수리하며, 호흡기를 청소하고 유보관기의 정상 작동을 확보합니다.

(4) 예방 전략

• 씰 점검: 정기적으로 밀봉 상태를 점검하고, 진동 환경에서는 고정을 강화합니다.

• 재료 업그레이드: 고급 밀봉 재료를 사용하고, 유조를 청소하여 부식을 방지하며, 구형 변압기는 새로운 밀봉 구조를 갖춘 제품으로 교체합니다.

4. 이상 온도 고장

이상 온도는 단일상 배전 변압기에서 주요한 고장 유형으로, 권선 과열, 철심의 국소 과열, 기름 온도 상승 등을 포함합니다. 이는 절연 노화, 기름 누출, 권선 변형 등의 고장의 "트리거" 역할을 합니다. IEC 표준에 따르면, 가장 뜨거운 부분의 온도가 140°C에 도달하면 기름 내에서 기포가 생성되어 절연을 감소시키거나 플래시오버를 일으켜 변압기를 손상시킬 수 있습니다.

(1) 고장 현상

• 온도 초과: 기름 온도 게이지가 이상을 나타내며, 국소 표면이 과열되어 변색되고, 유보관기의 유량이 이상합니다.

• 이상 소음: "翁翁"声，负载增加时声音更大；油色变深并出现碳沉积。

(2) 故障原因

变压器过载、内部故障（绕组/铁芯短路）、冷却系统故障、环境温度高、密封不良导致的油量不足以及安装通风不良。

(3) 处理方法

• 减负荷和停机：立即减小负荷或停机，并检查冷却系统。

• 精确诊断：使用红外测温仪定位过热点，取油样进行色谱分析，检查内部故障；修复外部原因。

(4) 预防策略

• 监测与分析：定期监测温度，建立趋势分析；避免长期过载。

• 环境优化：优化安装位置以确保通风；清洁散热器上的污垢；在高负荷区域增加容量或并联运行多台设备，在高温环境中安装遮阳和通风装置。

5. 低压抽头故障

低压抽头故障是单相配电变压器特有的故障类型，包括接触不良、开路和错误连接。由于低压侧大多采用抽头设计（如三/四抽头），连接质量直接影响输出电压和运行稳定性，这种故障在负荷波动大且运维不足的变压器中较为常见。

(1) 故障表现

• 电压异常：输出电压不稳定，过高或过低。

• 声音异常：发出“咔嗒”“沙沙”的机械摩擦声，负载变化时尤为明显；低压侧电压不平衡，运行温度异常高。

(2) 故障原因

抽头焊接不良、接触面氧化、安装不牢固、运维过程中未恢复连接、潮湿环境引起的接触电阻增大以及负荷波动引起的接触点磨损。

(3) 处理方法

• 停电维护：检查抽头连接，重新焊接松动部件，更换老化部件。

• 清洁与保护：清洁接触不良的部分，确保分接开关的良好接触。

(4) 预防策略

• 定期检查：定期检查抽头连接，使用高质量的焊接材料和工艺。

• 环境适应：在潮湿环境中加强防潮措施；对于频繁调整抽头的变压器，更换可靠的连接方法；用新设计的抽头产品替换旧设备。

6. 智能监测技术在故障诊断中的应用

随着智能电网的发展，传统的依赖人工经验和简单仪器的诊断模式逐渐被智能监测技术所取代。基于人工智能的故障诊断系统可以实时监控运行状态，提前预警风险，提高诊断的准确性和效率。

(1) 主流技术

• 红外传感测温：精度为±1°C，可以准确检测异常温度。

• 声纹识别诊断：分析运行声音的频率和特征，区分正常声音和故障声音。

• 油中溶解气体分析：检测特征气体含量，确定内部故障类型和程度。

• 机器学习系统：整合多个参数，建立故障预测模型。

(2) 应用效果

某电力公司在应用红外测温后，故障检测率提高了65%，处理时间缩短了40%；声纹识别可以在绕组故障发生前3-6个月提前检测到。智能系统还可以定位故障并评估严重程度，为运维决策提供依据。

7. 单相变压器的维护与预防措施

单相配电变压器的大多数故障都与长期运行、环境因素以及运维不足有关。建立科学的维护体系并实施预防措施是减少故障和延长使用寿命的关键。

(1) 日常维护

• 油况检查：定期检查油位和油色，确保油位正常且油质良好。

• 状态监测：监测运行声音，监测温度，并建立趋势分析。

• 部件检查：检查套管的清洁度、损坏和放电痕迹；验证接地系统（100 kVA及以上接地电阻≤4Ω，以下≤10Ω）。

• 环境管理：确保稳定安装，清洁表面污垢，防止污染排放。

(2) 分类预防

• 绕组故障：避免过载并定期进行绝缘测试。

• 绝缘老化：控制温度运行并定期检测油质。

• 油泄漏：定期检查密封并在振动环境中加强固定。

• 异常温度：优化安装，确保通风，并安装温度监测装置。

• 抽头故障：定期检查连接，使用高质量焊接工艺，并在潮湿环境中防潮。

(3) 标准适应与优化

根据GB20052-2020选择高效变压器以减少损耗和温升；在高负荷区域并联运行多台设备以减轻单台设备的负荷压力；加强环境管理以减少外部侵蚀。

8. 结论与建议

单相配电变压器的常见故障是相互关联的，大多数故障是由单一因素导致多种类型的故障表现。建立一个结合传统经验和智能技术的完整故障诊断系统，可以提高诊断的准确性和效率。

运维管理建议

• 监测系统：建立涵盖温度、声音、油质等多个参数的综合监测系统，实时掌握状态。

• 环境优化：优化安装位置和方法，减少环境影响。

• 预维护测试：定期进行预防性测试（绝缘电阻测试、油质检测等），识别隐患。

• 动态调整：根据负荷变化调整运行方式和变压器容量。

• 技术升级：采用高效和智能监测设备，提高效率和诊断能力。

智能电网的发展有助于单相配电变压器的故障诊断和管理向智能化和精细化方向发展。建议电力公司引入新技术和标准，建立大数据健康管理系统，实现早期故障预警和精准诊断，提高配电网的可靠性和经济性。