浅析油浸式变压器的起火原因

李海宁1，2

（1.河北省廊坊市武警学院研究生六队，河北　廊坊；2.黑龙江公安消防总队绥化市支队防火监督处火调技术科，黑龙江　绥化）

摘要：针对当前变压器接近更新换代周期，火灾事故频发，人民群众的生产生活受到巨大影响，社会经济蒙受巨大损失的情况，研究变压器火灾事故迫在眉睫。本文从问题的提出意义、变压器的结构工作原理入手，通过查阅文献，结合工作实际分析研究引起油浸式变压器发生火灾的普遍原因，为火灾调查人员顺利而准确地认定油浸式变压器起火原因提供理论依据。

关键词：变压器；火灾；原因；分析

1　问题的提出及研究意义

随着时代的变迁、科技的变革，工业已经实现了跨越式发展，而电力行业的发展也呈现日新月异的变化。正是由于社会对电力需求的不断加大，生产、生活用电量不断增加，相应地，变配电设施也日趋增多，随之而来的是各类变配电设施尤其是变压器引起的火灾事故也在不断增长[1]。而近年来变压器已经接近更新周期，故障频发，变压器火灾在电气火灾中也占有一定比例，分析变压器起火原因并对变压器火灾调查方法进行研究总结具有重要意义。

（1）系统分析变压器的起火原因对加强消防安全具有重要意义。电力变压器在日常生产、生活中被广泛应用，是各类发电厂、变电站以及工业与民用场所核心的供电设备之一，电力变压器的安全运行在工业生产、民用生活中显得尤为重要[2]。一旦电力变压器发生故障，将直接危害人们的正常生活，而任何电力变压器的故障都有可能导致变压器起火甚至爆炸[3]。不仅给供电企业造成无法挽回的经济损失，同时也给百姓的日常生活带来巨大影响。

（2）为调查勘验变压器火灾事故提供专项指导性帮助。变压器火灾的调查，是电气火灾调查的一个分支，不仅要按照火灾事故的常规调查步骤进行，还要从变压器的特性出发，根据变压器的结构特点来分析该类火灾的起火原因，应用于火调工作中既能够发挥指挥棒的作用，又有助于“对症下药”。

（3）促进产品的更新换代，弥补变压器的设计缺陷。深入的分析变压器火灾的成因，研究总结出容易引起火灾的变压器零部件、设计缺陷等安全隐患，将这些分析结果反馈给制造商，就能帮助他们在材料选用、工艺设计、产品制造等环节不断改进和完善，从而向社会生产更为安全可靠的变压器产品[4]。

2　油浸式变压器的结构和工作原理

2.1　油浸式变压器的组成结构

油浸式变压器是电力变压器中应用最广泛的一种变压器，顾名思义它属于多油电气设备的一种。油浸式变压器内灌充闪点在130℃至140℃之间的可燃液体，考虑到防火的需要，大多安装在空旷的室外或单独放置于变压器室内。

油浸式变压器主要由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管、分接开关、储油柜（油枕）等组成。其特点是体积相对较大、价格低廉、保养操作简单、检修方便、抗超载能力强、散热效果显著、适应恶劣条件性能好等[5]。结构见图1。

（1）铁芯。铁芯既是变压器的磁路部分，又是变压器的机械骨架，几乎变压器的内部所有构件都置于铁芯之上，铁芯由铁芯柱（套有绕组）和铁轭（连接两个铁芯柱的）两部分组成，一般采用厚度为0.35～0.5mm的磁导率高、损耗低的电工钢片（正反两面涂有绝缘漆起到绝缘作用）叠装而成，这样可以提高导磁性能，减少交变磁通在通过铁芯时所产生的损耗。

（2）绕组。绕组作为变压器基本构件，作用是转变电压。变压器的性能受其电气性能和机械性能的直接影响。绕组一般由铜线、铝线或超导材料（表面附有一层绝缘层）绕制而成，呈圆柱形。不同额定电压的变压器其绕组中通过的电流也随之不同，而变压器的系统容量也与绕组的结构有关。因此，电力变压器根据需求因素、绕组电压、通过的绕组电流等条件，采用不同结构的绕组。

（3）油箱。作为油浸式变压器外壳，油箱承装变压器内部构件，使内部构件完全浸入绝缘油中，起到保护作用。为保证变压器始终安全可靠工作，油箱要具有良好密封性，必须隔绝外界空气、水分，不能出现内部失泄油的情况。同时要保证变压器器身的绝缘性和使用寿命，在确保不漏油的情况下，油箱还要有一定的机械强度。此外，变压器油箱上还安装着诸如套管、压力释放装置、气体继电器、储油柜、温度计等各种工作和保护用的附件。

（4）绝缘套管。绝缘套管是使绕组与引线之间及引线与变压器外壳间相互绝缘的组件。安装在油箱盖上，主要是引出高、低压线圈与电源和负载连接[6]。变压器大多数选用电容式套管，也有少数采用纯瓷式套管或是油气绝缘套管。

（5）分接开关。分接开关是将绕组分接连接档位进行转换的装置，可改变变压器变压比，提高供电电压的质量。分为有载分接开关和无载分接开关，有载分接开关一般用于对电压有严格要求并且需要经常调节挡位的变压器[7]。

（6）冷却器。依靠油做冷却介质将变压器内部热量通过循环方式散发出去的装置，变压器冷却方式除分为油浸式自冷、油浸式风冷、强迫油循环风冷外还有强迫导向油循环风冷等方式。

（7）储油柜。储油柜也称为油枕，是防止油热胀冷缩与空气接触受潮氧化，对铁芯和绕组起到防潮保护的装置。储油柜一般情况下是半空的，储油体积一般占到变压器油总容积的10%左右。常见的储油柜有胶囊式、隔膜式和金属波纹式。

2.2　油浸式变压器工作原理

变压器是将电能通过磁耦合和电磁感应作用转化为磁能，再将磁能以同样方式转化为电能，来达到交换电压、电流、阻抗的目的。上文提到变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个绕组，两个绕组只有磁耦合没有电联系，当绕组中通有交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。为了简化讨论，这里以理想化模型来介绍，即变压器在空载条件下的工作状态为例，假定一次绕组和二次绕组的阻抗为零，铁芯在通电情况下没有任何损耗，磁导率接近100%[8]。

如图2单项变压器工作原理图，在理论条件（没有负载）下，将一次绕组侧输入适当电流，一次绕组侧的Iu（励磁电流）被U1（交流电压）作用而产生，则可用IuN1表示为励磁磁动势，B0（磁通密度）、Φ0（交变磁通）在铁心磁动势中得到了建立（B0=Φ0/S0，S0表示铁心的有效截面积）。依据电磁感应定律，铁心中的交变磁通Φ0在一次绕组两端产生自感电动势E1，在二次绕组两端产生互感电动势E2。

E1=4.44fN1B0S0×10–4；E2=4.44fN2B0S0×10–4

变压器在理想条件下，一次绕组的阻抗和二次绕组的阻抗均为零，就有：

U1=E1=4.44fN1B0S0×10–4；U2=E2=4.44fN2B0S0×10–4

从而得到：U1/U2=N1/N2

公式符号参见表1。

从上式可见，改变一次绕组与二次绕组的匝数比，可以改变一次绕组与二次绕组的电压比，这就是变压器的工作原理。

油浸式变压器的工作原理与一般的变压器相同，特殊的是将绕组和铁芯等装置共同放置在变压器的油箱中，利用变压器油的良好绝缘性质，通过油循环不断接触变压器器身及散热片，将热量充分导出，起到散热效果。

3　变压器起火原因分析

油浸式变压器本体内部充有大量变压器绝缘油，并含有大量可燃物，如纸板、棉纱、木材等有机可燃材料，如果变压器在工作状态下发生短路故障或承受过电压的作用，将会导致油温升高，当温度超过绝缘油沸点时，绝缘油挥发出气体，气体受热迅速膨胀爆炸，引发油箱爆裂，导致油液外泄起火，甚至造成油液大量喷溅，外壳起火爆炸受燃油流动影响，波及周围电力设备，继而令变电站陷入一片火海，形成重大安全事故，造成巨大的经济损失。通过多年来工作经验的积累，并查阅学习，总结出油浸式变压器起火原因共有以下八点。

3.1　绝缘损坏引起变压器起火

变压器长期过载，过载电流会使绕组温度升高，当温度超过最高承受值后，变压器绝缘材料将损坏失效。绕组发热可能引起线圈的绝缘短时间内即被烧毁。而在运行中经常受到电场、磁场、高温和过负荷作用，绝缘材料会不断劣化、变形甚至损毁，极易造成匝间、层间短路等情况，引起内部可燃物燃烧甚至爆炸。

3.2　变压器的油质劣化，或油箱油量不足

油浸式变压器的一项重要绝缘指标是绝缘油，油质的质量是变压器稳定运行的先决条件。油质差将会影响油的热循环，使油的散热能力下降，导致过热起火。在储存、运输或运行维护过程中如果掺入水、杂质或其他油污，降低了变压器油的绝缘强度，器件很容易发生短路起火。另外，油量不足将使绝缘油暴露在空气中的面积增大，增加绝缘油受潮程度，降低电气强度，而变压器的原材料中含有许多粗纤维孔洞型材料，如绝缘纸板、棉纱布等，这些孔洞型的绝缘材料加强了对水的吸附作用。水量的增加，增大了绝缘油的导电率，降低了绝缘性。绝缘油在空气中被氧化发生化学反应，生成有机酸、醇、醛以及油泥等，这些有机酸使油的酸价逐渐升高，还会进一步腐蚀绝缘材料，促使绝缘劣化。而这些聚合物附着在绕组和铁芯里会阻塞油道，影响热量散发，使变压器运行温度逐渐升高，进一步加剧氧化反应的速度，破坏其绝缘性能。当其绝缘性能逐渐降低甚至失效就会发生短路，导致火灾发生。

3.3　铁芯未接地及多点接地故障

变压器运行当中，铁芯及固定铁芯的金属部件均处在交变的磁场中，若不进行铁芯接地，铁芯与绕组之间、高低压绕组之间以及铁芯与夹件之间，均会存在电位差，当电位差足够大时会击穿其间的绝缘，产生断续的火花放电，所以要求铁芯及其金属部件与外壳连接并接地。而且要求只能一点接地，因为铁芯中是有磁通的，当发生两点或多点接地时，接地点会短接铁芯片，形成闭合回路，产生感应环流，引起局部过热，导致绝缘性能下降使绝缘材料损坏并起火，更为严重的后果是铁芯硅钢片间出现绝缘损伤，使涡流增大，导致绕组过热、铁芯短路，形成内部闪络，甚至击穿引发火灾。

3.4　变压器接地不当

变压器接地不当，就会导致大地电位高出正常值，跨步电压也相应变大。当三相负载失衡时，会有电流流入零线，假若零线接地点的阻值较大且零线电流过高，该接地部位温度会迅速升高，致使周围可燃物起火燃烧。

2006年8月13日15时许，某220kV变电站施工过程中挖掘机碰线，1#变压器底部堆放的施工所用可燃堆垛高温起火，烧毁1#变压器。16时，受1#主变压器着火影响，2#变压器220kV引线架构绝缘子闪络。经现场勘验，1#主变压器整体灼烧变黑，与之相连的母排、避雷器等设备也受到不同程度的损坏。变压器套管均炸裂，散布在变压器箱顶及周边，顶层输油管也受到冲击而变形。110kV侧箱体上部鼓出开裂，散热片扭曲变形。经调查，起火原因是：由于挖掘机碰线，1#主变压器负载不平衡，零线产生大电流，接地点处接地电阻过大，高温引燃可燃堆垛烘烤1#变压器，由于油箱强度不足，造成油箱破裂着火。

3.5　检修操作不当

检修工人对变压器进行检修操作时，不注意对油箱顶部的套管和密封构件进行检查，而这些部件出现裂缝等故障又不易被人发现，如果绝缘严重损坏就会导致故障甚至发生火灾；再者，就是检修工人对变压器进行吊芯作业时，经常会划伤绕组线圈或磕碰绝缘套管，造成这些部位的绝缘损毁，发生线路短路、故障，引发火灾；或其不按照操作规程施工，导致接线错误，裸线漏电等事故发生；检修中，使绝缘油受到污染，降低绝缘性能和冷却能力，致使箱内温度升高破坏绝缘，导致火灾发生。

2010年5月2日0时12分许，某500kV变电站1#变压器（西安西电变压器有限公司产品，设备型号为ODFPS- 250000/500，2003年3月出厂）C相运行中突发内部放电故障，1#变压器C相顶部220kV套管与35kV套管附近着火，C相变压器本体油箱及散热器变形比较严重，变压器绝缘油自压力释放阀崩裂处喷溅而出燃烧起火。三相瓷套管均碎裂脱落，引线不同程度烧损。分析原因得出：检修工人未按要求安装1#变压器C相220kV套管尾部均压球的防松锁紧结构，专用垫圈底板的等电位连接结构安装不牢，导致变压器内部多处放电、闪络引发火灾。

3.6　变压器内部导线连接处接触不良

因绕组内部导线焊接点脱焊虚焊、绕组间连接不牢、引线连接处螺栓松动或老化、分接开关接点松动等，导致连接部位接触电阻过大，局部放电过热，引起燃烧或爆炸。

2004年7月25日20时许，某服装商店门前变压器突然起火，火势迅速蔓延，致使变压器附近4家门面全部过火，火灾造成1人死亡，8人受伤，直接财产损失20万余元。经调查，火势自服装商店门前变压器处发出，从服装店门面处进入室内，并向两侧的商户蔓延。起火原因为：服装商店门前油浸式变压器内部线圈接头处接触不良，高温电弧引燃绝缘油，致使油箱炸裂，绝缘油喷出，形成流淌火引发火灾[9]。

3.7　各绕组间电阻失衡

绕组间的电阻稳定性受到影响或破坏，也会导致发热引起局部绝缘熔毁，使绕组间绝缘受损失效，导致绕组短路或开路，释放的高温电弧使变压器油劣化产生可燃气体，气体受热膨胀，引起变压器着火甚至爆炸。

3.8　过电压

变压器运行过程中，可能会受到来自变压器外部或内部的瞬时过电压或过电流的作用。当变压器受到过电压的冲击时，即发生闪络后，会使在系统内部磁场能量发生剧烈振荡，闪络产生的火花或电弧会使绝缘表面局部过热炭化，从而损坏变压器的绝缘，引起变压器的燃烧。

4　结论

通过对变压器的组成结构、工作原理的深入研究学习，经查阅文献，结合工作实际，总结油浸式变压器起火原因主要为：绕组铁芯的绝缘损坏故障、变压器绝缘油劣化或缺少、铁芯接地故障、变压器接地故障、检修操作不当、内部导线接触不良、变压器内部导线连接处接触不良、各绕组间电阻不平衡、过电压等。

参考文献

[1] 孙坚. 变压器[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2006：29-33.

[2] 韩丰. 中国电力年鉴[M]. 北京：中国电力出版社，2012（12）22-23.

[3] 戴巍. 电力变压器火灾事故预防[J]. 安全，2007（5）：46.

[4] 封栋梁. 干式变压器优化设计研究[D]. 南京：东南大学，2005.

[5] 杜本杰，汤光鑫. 油浸变压器的火灾危险性及预防措施[J]. 消防科学与技术，2005. 25：146-147.

[6] 郭殿胜. 如何防止变强器火灾和爆炸[J]. 安全生产，2014. 22（2）：30.

[7] 徐和平. 变压器发生火灾的原因及防范措施[J]. 安全用电，2002. 12：34.

[8] 郑含博. 电力变压器状态评估及故障诊断方法研究[D]. 重庆：重庆大学，2012.

[9] 程度云. 从一例变压器火灾谈正确把握火灾调查“三要素”[C]. 北京：2004年消防学术论文竞赛论文集，2004：384.