提升電力系統韌性：電力變壓器的故障檢測與診斷預防
李立棋*、張志聲**
(台電綜研所*課長 **副所長)
壹、前言
電力變壓器是電力系統中關鍵的基礎設施之一，兼具電壓轉換、能量傳輸與系統防衛的多重功能。由於其在電網中扮演「樞紐」角色，一旦故障，往往會造成大範圍停電，對社會與經濟運作產生重大影響，例如：2021年底台北一次變電所因變壓器發生事故、絕緣油燃燒產生濃煙，導致匯流排跳脫，引發雙北逾30萬戶大規模停電。
貳、強化電網韌性建設計畫
為提升變壓器防衛能力，台電近年來已在新設69 kV以上的變壓器大量裝設線上部分放電（PD）檢測系統與油中溶解氣體分析（DGA）系統，透過即時監測系統，掌握設備之健康狀態，並在例行維護試驗中提前發現異常徵兆，立即安排停電檢修，以降低設備突發的跳脫與停電事故風險。此舉不僅提升診斷精準度，更使電網防衛能力更為強化。
此外，台電於111年起推動的「強化電網韌性建設計畫」，預計劃十年內投入5,645億元，逐步提升電網分散性，並推動區域韌性與全國融通雙軌並進的強固電網。在當前電力系統與人工智慧資料中心（AIDC）快速成長的背景下，算力即是國力，變壓器的角色已不僅是傳統電力輸配的關鍵設備，更是支撐算力需求的核心基礎設施與國安基礎。
參、變壓器故障檢測與預防診斷技術
如何有效監測與診斷變壓器異常，是電力公司長期關注的課題。台電除運轉部門例行維護外，綜研所自民國71年起即負責絕緣油相關試驗，建立資料庫管理試驗數據與故障案例，迄今已追蹤近6,000台變壓器，累積逾11萬筆的試驗數據及百餘件異常案例。
一、變壓器故障型態：
在異常型態方面，內部異常可分為放電與過熱兩大類。
(一)放電：依能量大小，分為部分放電、低能量放電、高能量放電。部分放電常伴隨氫氣生成；低能量放電會產生乙炔與碳化痕跡；高能量放電則造成絕緣紙嚴重破壞與金屬熔化。
(二)過熱：依溫度分為低溫、中溫、高溫。過熱異常係以乙烯為主要指標，低溫過熱常由過載或油流阻塞引起；中高溫過熱則與接點接觸不良或循環電流相關；高溫過熱甚至可能導致金屬熔化。這些異常均會在變壓器的絶緣油中留下特徵氣體，透過分析其濃度與比例即可判斷異常的型態。
二、絕緣油試驗：
相較於需停機才能進行的電氣試驗（如絕緣電阻、匝比試驗），絕緣油試驗可在變壓器運轉中取油檢測，具備即時性與預知性，能有效避免設備無預警跳機。其診斷可分為異常診斷與老化診斷兩大類：
(一)異常診斷：主要依靠油中溶解氣體分析（DGA），透過不同異常型態所產生的特徵氣體進行判斷；
(二)老化診斷：參考IEC與IEEE等國際標準，並結合台電龐大數據庫，發展出「油中氣體案例診斷法」。此方法整合氣體成長模式，將診斷狀態分為正常、須注意與異常三階段，並透過持續追蹤與綜合診斷，提升判斷精準度。研究結果歸納出多種氣體成長模式，包括異常突升、固定速率成長、持續加速成長、間歇性加速成長及一般間歇性成長等，藉此除可辨識異常發展趨勢，並可進一步輔助判定內部故障處位於鐵心或繞組引線接點等部位，提前規劃檢修。在老化診斷方面，國際上常用二氧化碳、糠醛與甲醇三種指標。台電發現甲醇最能反映絕緣紙實際老化程度，並已納入例行試驗項目。研究指出，絕緣紙老化主要分為熱老化、酸催化水解老化與區域性散熱不良三種態樣，均會影響絕緣紙的抗張強度與聚合度，進而縮短變壓器壽命。除了油試，台電亦強調電氣試驗與油試的互補性。油試能即時反映異常歷史，電氣試驗則能明確判定異常部位。
三、綜合診斷：
其流程包含六大步驟：整合異常資訊、整合歷史資料、現地試驗、綜合診斷、內檢、結果判定等。此流程能建立事件時間軸，提升診斷精準度，並協助制定檢修計畫。絕緣油診斷是運轉中變壓器監測的重要工具，透過關鍵氣體與成長模式的分析，結合電氣試驗與維護資訊，可精準辨識異常型態並擬定後續措施。
例如台電 D12087 變壓器故障：該變壓器為雙繞組式，某日運轉中氫氣開始加速成長，約雙週後突發保護電驛動作跳脫，內檢發現A繞組有電弧短路現象，為釐清短路發生原因，乃針對絕緣材料、結構強度劣化與氫氣氣泡三面向進行分析。台電綜研所因此組成跨部門鑑識小組，在十五個工作日內完成檢測與分析。內容涵蓋絕緣紙平均聚合度測試，以判斷絕緣材料老化程度；破損分析，用以確認材料受損情形；IEC 60243 擊穿電壓試驗，檢驗絕緣耐壓能力；以及 IEC 61061-2 彎曲試驗，測試絕緣紙的機械強度。這些試驗結果提供了完整的材料劣化與性能數據，協助鑑識人員釐清故障成因。
肆、檢測與診斷技術精進與傳承
變壓器故障檢測與診斷技術核心不僅需具備傳統電機專業，鑑定人員更須具備化學、機械、物理、材料及電力等跨領域知識，才能有邏輯性地規劃並選擇有效檢測方法。檢測完成後，鑑識人員更需熟悉變壓器結構、材料與運轉特性，才能正確辨識樣品中的外來污染物與關鍵影響因子，並對結果進行精準解讀。
以前述D12087變壓器案例為例，鑑識小組於內檢後15日內即整合跨部門資源，完成試驗、分析、釐清故障成因，展現了團隊高度的技術、經驗與跨領域能力。當前人工智慧的興起，對於跨領域事故肇因，人工智慧應用將更可大幅協助團隊專家因應解析龐大數據與複雜故障模式，進而發揮事故預防之效果。
在人才培育方面，台電不僅依靠師徒制與案例教學傳授經驗，更透過制度化教育訓練與國際交流平台，持續精進診斷技術，工程師得以接觸最新標準與技術趨勢，並將研究成果轉化為可落地的維護策略。
伍、結語
在電力系統的長期維運中，技術的傳承、數據資料庫的積累與人才培育是確保電網韌性與供電穩定的軟體工程。台電綜合研究所，特別是油煤試驗組逾40年的變壓器診斷經驗，113年即以專刊方式整理歸納絕緣油診斷進入須注意或異常階段後的案例，彙整成「台電綜研所案例診斷法」，內容包括概論、絕緣紙老化診斷、溶解性氫氣成長、鐵心過熱與放電、過熱、放電等面向。以期透過經驗分享來促進技術傳承的積累，進而台電工作團隊得以精進變壓器採購、維護、監測與檢修之效率與品質，有效提升電網韌性。
陸、參考資料
一、李立棋、李安平、童耀宗,「電力變壓器絕緣油診斷案例剖析 Part 1:概論」,台電工程月刊,第 910 期,民國 113 年 6 月。
二、詹勝凱、張家豪,「超高壓變電所#1SC SR T 相處異物分析報告」,台灣電力公司綜合研究所
三、試驗報告,1CT1443,民國 111 年 8 月。
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