（电气工程专业论文）电力变压器的故障诊断与分析.pdf

浙江大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统输变电电压等级的不断提高，系统容量的不断增大，作为电力 系统主设备之一的变压器的健康状况也越来越为人们所重视。为了保证变压器的 健康、安全、稳定地运行，加强电力变压器在运行过程中的监测和维护，进行电 力变压器的故障诊断与分析就显得尤为重要。 本文首先对电力变压器的故障种类、成因进行了分析和总结，对电力变压器 运行中的状态判据进行了研究；其次，对实际运行过程中出现的几个故障问题， 根据其故障时的特征量和故障性质中的信息量进行了深入的分析和研究，并采用 综合诊断的方法提出了解决这些问题的方法以及途径；再次，分析了电力变压器 故障检测的现状，提出了基于现有离线或在线监测、检测手段，结合变压器的出 厂试验、交接验收、生产运行记录、大修后首次试验值、历次检修记录、在线监 测记录等资料，对变压器运行过程中的油气量和电气量等参量进行综合分析的电 力变压器状态监测和故障诊断的方法，同时，针对变压器状态监测方面存在的不 足提出了自己的见解。 关键词：电力变压器故障诊断与分析在线监测状态检修 i i 浙江大学工程硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ep o w e rs y s t e mv o l t a g ep o w e rt r a n s m i s s i o na n d c o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，i n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i t y ，a sp o w e r s y s t e m s ，o n eo ft h em a i ne q u i p m e n to ft h eh e a l t hs t a t u so ft h e t r a n s f o r m e ri sa l s om o r ea n dm o r ei m p o r t a n c ef o r t h ep e o p l e t r a n s f o r m e ri no r d e rt oe n s u r et h eh e a l t h ，s a f e t ya n ds t a b l e o p e r a t i o n ，t os t r e n g 七h e nt h ep o w e rt r a n s f o r m e rt or u na ti n t h ep r o c e s so fm o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c e ，p o w e rt r a n s f o r m e r f a u l td i a g n o s i sa n da n a l y s i si sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l ef i r s tp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l tt y p e s ，t h e c a u s e sarea n a l y z e da n ds u m m e du pt h ep o w e rt r a n s f o r m e ri nt h e o p e r a t i o no ft h es t a t u sc r i t e r i ah a v eb e e ns t u d i e d ；s e c o n d l y ， t h ea c t u a lp r o c e s so fr u n n i n gs o m ef a u l tp r o b l e m ，a c c o r d i n g t ot ，h ec h a r a c t e r i s 七i c so fi t sf a i l u r ec a p a c i t ya n df a u l t i n f o r m a t i o no ft h en a t u r eo fa ni n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h ， a n da d o p ta ni n t e g r a t e da p p r o a c ht ot h ed i a g n o si so fas o l u t i o n t ot h e s ep r o b l e m sa sw e l la st h ew a y ；o n c ea g a i n ，a na n a l y s i s o fp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l td e t e c t i o no ft h es t a t u sq u o ，b a s e d o ne x i s t i n go f f 一1 i n eo ro n l i n em o n i t o r i n q ，d e t e c t i o nm e a n s ， t h r o u g ht h ef a c t o r yt e s t s ，a c c e p t a n c eo ft h et r a n sf e r ， p r o d u c t i o nr e c o r d s ，o v e r h a u lt h ev a l u eo ft h ef i r s tt e s t ，a l l m a i n t e n a n c er e c o r d s ，m o n i t o r i n gr e c o r d sa n do t h e ri n f o r m a t i o n o n l i n e ，t r a n s f o r m e r sr u n n i n gi nt h ep r o c e s so ft h ev o l u m eo f o i l a n dg a sa n de l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fp o w e rt r a n s f o r m e rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i sm e t h o d a tt h es a m et i m e ，f o rt r a n s f o r m e rc o n d i t i o n m o n it o r i n gg a p s p u tf o r w a r dt h ei rv i e w s k e yw o r d s ：p o w e rt r a n sf o r m e r o n li n em o n i t o r i n g i l l f a u l td i a g n o s i sa n da n a l y s i s c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆苤堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：秒7 年町月湘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 闭浩 签字日期：沙7 年咕月弓。日 签字日期：们。7 年厂月亏奄日 浙江大学工程硕士学位论文 致谢 致谢 在两年多的研究生学习中，我得到了许多老师、同学和同事的无私支持和帮 助，是他们让我克服了工作与学 - j 在时间上的矛盾，让我有充足的时间和精力完 成研究生课程的学 - j 和论文的写作，我向他们表示衷心的感谢。 导师周浩教授在论文的选题、写作和修改上都给予了精心指导和大力帮助。 周老师有着渊博的学识，深厚的学术功底，敏锐的学术洞察力，丰富的实践经验， 严谨求实的治学态度和忘我的工作敬业精神。自从与周老师接触后，老师的一言 一行时时地影响着我、激励着我，使我不仅从老师处学到了更深层次的科学知识， 也让我学到了许多为人处世的道理，令我受益颇深。在此，我衷心感谢周浩教授 对我的悉心指导和亲切关怀。 另外，我也要感谢金华电业局的卢德银高工，卢高工在百忙之中抽出了一定 的时间研读了论文，并提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示由衷的感谢。 我还要感谢我的亲人，是他们的关怀、理解和支持，使我得以顺利完成此论 文。 浙江大学工程硕士学位论文绪论 电力变压器的故障诊断与分析 1 绪论 1 1 引言 诊断( 英文名为d i a g n o s t i c s ) ，其在医学上的意义是指医生对病人的生理或 精神疾病作出检查之后判定病人的病症及其发展情况的过程。这个过程一般是由 医生等专业人员通过对患者的病症( 其中包括医生的感观、病人的主动陈述等) 、 病史( 包括家庭病史) 、病历或医疗测试结果等资料的具体分析，判断患者的病 因、病情及其发展情况，并确定针对患者病情的治疗措施与方案的过程。在当前 工程科技领域，特别是在工程设备的故障管理方面，诊断这一概念也已得到了广 泛的延伸应用。 工程科技领域设备的故障诊断是指工程技术人员在掌握了设备的各种表征 运行状态的技术参数后，判定设备发生故障的部位及其原因，并能预测潜在故障 发展趋势的一种技术。设备的故障诊断是对被诊断设备异常状态的检测、异常状 态原因的识别以及包括对异常状态发展趋势进行预测在内的各种技术的总称。故 障诊断的实质是由现象判断本质，由当前预测未来。 电力变压器是电力系统中的一个重要设备，它的健康安全对电网的稳定运行 起着至关重要的作用。目前，在电力变压器的制造水平和质量上已经达到了一定 的高度，在运行检测能力上也得到了很大的提高。但是，电力变压器运行事故和 故障还是不断发生，综其原因，这里固然有选型、设计、制造上的原因，但主要 的还是集中在安装、检修、运行上的问题。因此，为了减少变压器在运行、维护 过程中的故障，加强变压器在安装、检修，运行过程中的监测和维护，进行变压 器故障的诊断和分析就显得尤为重要。 电力变压器的故障诊断属于工程范畴内的故障诊断问题，其实质就是通过对 变压器在运行中或停运后表现出来的状态量的测量，经分析推理查出变压器产生 故障的原因和严重程度，找出异常或缺陷的部位、并做出可靠性评估和寿命预测， 或对变压器的故障和缺陷治理提出应急对策和永久对策的一系列活动。电力变压 器故障诊断技术可以包含以下几个部分： 第一步就是要采取准确、有效的检测方法测取代表电力变压器状态信息的油 气量和电气量方面特征信号。 1 塑垩奎堂：三堡婴圭堂篁丝兰竺笙 第二步是从所检测到的油气量和电气量方面的特征信号中提取变压器的状 态信息；油气量的测量可以定性所发生故障的性质与类型；电气量的测量可以准 确地判断故障所发生的部位。 第三步是根据所提取的变压器状态信息，依据有关的标准、规范来识别电力 变压器的状态和预测状态的发展趋势，并采取相应的应对措施。这是整个诊断过 程的核心。 本文需要研究和解决的问题是： 1 ) 研究变压器的故障模式并对常见故障其进行科学的分类和分析； 2 ) 针对变压器的故障模式研究变压器的故障诊断方法，为故障诊断技术的推 广应用奠定基础； 3 ) 变压器故障综合诊断法的应用研究； 4 ) 电力变压器故障的在线监测和状态检修的研究和探讨。 1 2 电力变压器的基本结构 电力变压器是借助于电磁感应原理，以相同的频率，在两个或更多的绕组之 间，变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止设备。 1 2 1 变压器的构成 电力变压器由本体和附件两大部分构成。变压器本体的主要包括铁心和线 圈。铁芯是变压器的磁路部分，是能量传递的媒体，其主要作用是将变压器一次 电路的电能转化为磁能，再把该磁能转化为二次电路的电能。而线圈是变压器的 电路部分，它是变压器传递的能量的载体。电力变压器的附件主要有油箱、油枕、 分接开关、散热装置、绝缘套管、气体继电器( 瓦斯继电器) 、变压器油、测温 装置等；电力变压器附件的作用是保证变压器的安全和可靠运行。变压器在运行 中常见的故障大多与绕组、铁芯、分接开关和高压套管及引线有关。 变压器主要是由导电系统、磁路系统，绝缘系统等多个系统组成的一个有机 整体。变压器的导电系统是由绕组、分接开关和引线等组成，是变压器功能的核 心。铁心构成变压器的磁路系统，具体负责变压器的能量交换，是能量传输的关 键媒介。绝缘系统则是由很高耐电强度和绝缘强度的液体、固体绝缘材料组成， 其是保证变压器能安全运行不可或缺的重要组成部分；液体绝缘材料变压器油在 油浸变压器中主要起绝缘、散热作用；绝缘纸( 板) 、绝缘垫、绝缘绑扎带等固 体绝缘材料，在变压器中主要起绝缘和支撑作用。 浙江大学工程硕士学位论文绪论 1 2 2 变压器的绝缘系统 变压器是由导电系统、磁路系统、绝缘系统等组成，但据有关资料统计表明， 变压器在运行过程中发生的故障，有6 0 * , 8 0 是由于绝缘系统的故障而引起的。 绝缘系统的电气和机械性能的优劣、绝缘材料品质的好坏往往决定着变压器的使 用寿命。因此，对绝缘系统的有效诊断与分析，这将有助于对交压器故障的诊断 与分析，这也是本文所要分析的重点和主线。 鉴于变压器的绝缘系统在变压器安全运行方面具有举足轻重的作用，变压器 的绝缘材料和结构必须要满足电、机、热三方面的性能要求，同时还要满足化学 和环境等方面的要求。为了保证变压器能正常运行，并能承受出现的大气过电压、 操作过电压等各种过电压的考验，要求变压器绝缘系统能够承受各种耐压试验， 其中1 m i n 交流耐压试验可以检验主绝缘的绝缘水平，而冲击耐压试验可以检验 纵绝缘的绝缘水平；绝缘系统也要能承受短路电流电动力的作用，如果绝缘系统 结构固定不结实或者绝缘材料已经老化，在短路电流电动力的作用下，就有可能 发生绕组变形、松散等，造成事故；另外，绝缘系统的材料还要能承受高温、水 分、氧化等化学反应以及环境因素的影响。 各种电压等级的油浸式变压器的绝缘系统可用图1 1 所示： 图1 1 变压器的绝缘系统结构 1 3 电力变压器常见故障的分类 电力变压器在运行过程中会受到高电压、大电流、机械应力以及环境因素的 共同作用，又由于变压器内部绝缘结构复杂，电场，热场分布也不均匀，因而变 压器可能会产生各种类型的故障。 - 3 一 浙江大学t 程石贝士学位论文绪论 由于电力变压器故障种类繁杂，到目前为止也没有一个统一的划分标准。为 了使故障的分类能够清晰并易于分析问题，现将变压器故障作如下划分： ( 1 ) 按发生的部位分： 电力变压器的故障按发生的部位可以被分为内部故障和外部故障两种。内部 故障为变压器油箱内发生的各种故障，其主要类型有：绕组故障、铁芯故障、分 接开关故障、引线故障，绝缘故障等。外部故障为变压器油箱外部如绝缘套管及 其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生的接地 ( 通过外壳) 短路故障，引出线之间发生相间故障等。 ( 2 ) 按发生的性质分： 一般又分为热故障和电故障两大类。热故障通常为变压器内部局部温度升高 的过热性故障。根据严重程度，热故障常被分为轻度过热( 一般低于1 5 0 c ) 、低 温过热( 1 5 0 3 0 0 i c ) 、中温过热( 3 0 0 7 0 0 c ) 、高温过热( 一般高于7 0 00 c ) 四种 故障情况。电故障通常指变压器内部在高电场强度的作用下，造成绝缘性能下降 或劣化的故障；电故障根据放电的能量密度不同，又可以分为局部放电、火花放 电和高能电弧放电三种故障类型 ( 3 ) 从发展过程上分： 主要有突发性故障和潜伏性故障两大类，突发性故障发展过程很快，瞬间就 会造成严重后果，如雷击、误操作、负荷突变、出口短路等，突发性故障具有偶 然性和不可预测性，只能通过避雷器、继电保护等保护手段进行限制。潜伏性故 障是一种普遍存在并会缓慢发展的故障形式，它一般有三种存在方式，即变压器 内部的局部放电、局部过热和绝缘的老化。变压器的故障诊断主要是针对这些潜 伏性故障的诊断预测。根据电力部门历年来对变压器事故的统计分析，8 5 以上 的变压器事故是由潜伏性故障慢慢演变成绝缘故障而造成的。 对变压器故障的科学分类，有助于我们对变压器故障的产生过程和发展的原 因进行有效分析，有助于我们对变压器故障的诊断与定位。但是，变压器故障的 产生和发展是一个极其复杂的过程，其故障的性质和类型也不尽相同，有的是以 热故障的形式反映，有的则是以电故障的形式反映，有的则是既反映过热故障同 时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可能不存在热或电故障的特 征。因此，对变压器的故障进行诊断分析时，要尽可能准确地掌握变压器的状态 信息，掌握故障的发展规律和特征规律，以便对变压器故障作出正确的诊断。 浙江大学工程硕士学位论文绪论 1 4 电力变压器常见故障的特征规律综述 运行中油浸式电力变压器发生故障时，其所表现的故障性质、类型和状态信 息可以说是复杂多样，在现实的工程领域是很难以简单的方法来对变压器的故障 作出明确的诊断。 当油浸式变压器发生故障时，在变压器内部会表现出除物理与化学分析方面 的主要特征( 如绕组断股、短路、绕组位移变形、油中烃类气体、c o 和c 0 2 等 气体的析出等) 外，还会在某些主要电气性能( 如绕组绝缘电阻、吸收比或极化 指数，介质损耗正切值t a n 8 ，空载电流或空载损耗，局部放电量大小( p c 值) 等) 方面发生一些变化。但是，在不同故障情况下，物理、化学特征和电气特征的量 值或成分含量是不同的。因此，当变压器发生故障时，如果通过一系列的化学分 析、电气试验等途径获取必要的故障特征量，采用合适的故障分析诊断技术与理 论，对变压器故障相关的物理、化学、电气等方面的特征量进行具体的分析，则 可对变压器的故障进行诊断。但值得注意的是，由于变压器故障的特征具有模糊 性、随机性以及边界的亦此亦彼性，不同的特征在决策过程中也发挥着不同的作 用，因此使得变压器故障的诊断交得十分复杂。 变压器在整个服役期限内，故障发生的次数和使用时间之间还是有一定规律 可循的，虽然对每一台变压器来说，出现故障的次数和使用寿命各不相同，但其 发展规律都是一致的。i e c 就把变压器故障的发展规律随时间变化的曲线就用 “浴盆曲线 来表示，其形状是两边高，中问低凹平坦，如图1 2 所示。即开始 时故障率相对较高，然后下降至某一最低值并在设备服役期限的绝大部分时间内 保持这最低值，最后变压器老化后故障率逐步增多。也就是说，运行年份是决定 变压器状态和剩余寿命的一个重要因素。 故 障 率 z i 1 0 0 肛，三，c - 绕组局部放电，分揍开关 胃部放电 月2c h + 占总烃中的主要成分 触点间局部放电 火花放电 易总烃不高，岛日2 i o 正r ，日2 含量较高 分接开关接触不良， 绝缘不良 。 绕组缝路，分揍开关 电弧放电 h 2c 1 h i总丘蓓亘局 鼍蓼警鐾誊烃的主要成分 闲络，j i l i 光短路 般过热 c h ic 2 h 6总烃较高巴- 2 5 肛，但耒构成总烃的主要 金属导体过热 成分，月2 含量较高 ( 温度达1 0 0 0 。c 以上) 实践证明，采用d g a 对变压器故障的性质、类型可以做出一般性判断，但是， 要对故障性质作进一步的探讨，预估故障源的温度范围等，还必须找出故障点产 气成分的相对比值与故障点温度或电应力的依赖关系及其变化规律。 2 2 2 3变压器故障诊断三比值法 部颁导则是采用国际电工委员会( i e c ) 提出的特征气体比值的三比值 法作为判断变压器等充油电气设备故障类型的主要方法。所谓的三比值法是根据 电气设备内油、纸绝缘故障下裂解产生气体组分的比值作为判断故障性质的依 据，用五种特征气体的三对比值，即g 日2 c 2 h 4 、c h 4 h 2 、c 2 h 4 c 2 h 6 比值 ，用不同的编码表示不同的三对比值和不同的比值范围，来判断变压器故障性 质，可得出对故障状态较可靠的判断。其编码规则如表2 7 所示。 浙江大学工程硕士学位论文变压器运行中状态判据的研究 表2 7三比值法编码规则 比值范围编码 特征气体比值 说明 c 2 h 1i c 2 h ic h | h 1q 也i c 2 1 1 6 0 1 01 0 例：c 2 1 1 2 c 2 1 1 = i 一3 时，编码为1 0 1 11 00 c 4 日，= l 一3 时，编码为2 1 一 5 0 0 k h z ) 的波峰和波谷发生明显变化，则通常 2 9 塑堑奎兰三堡堡主堂竺丝茎 銮堡墨堡堡! 鉴查型塑堕至茎 预示绕组的对地电容改变，可能存在引线和绕组整体移位。 3 ) 变形测试结果的分析注意问题 绕组幅频特性在低频段一般能够较好地重合，否则注意检查测试接线是否接 触不良； 幅频特性一般在2 0 一- 8 0 d b 之间，如果超此范围应检查试验回路是否接触不 良或断线； 平衡绕组可能引起三相频响特性不一致。平衡绕组通常位于低压绕组内侧， 且以开口三角形的方式联接。受平衡绕组不对称性的影响，测得的三相低压绕组 的频率响应特性曲线，往往有较大的差异。 绕组严重变形会影响临近绕组的频响特性，因此在分析绕组变形故障时，应 注意辨别真正的故障线圈。 一般来说3 5 k v 及以下变压器( 包括厂变) 频响特性一致性可能较差，应在交 接时留原始数据待比较； 2 4 3 变压器短路故障实例分析 2 0 0 9 年3 月2 2 日1 1 时1 4 分，1 1o k v 立马变l o k v 母线发生相间短路故障， 低压侧短路电流达到1 0 0 0 0 a ，主变受到严重冲击。故障发生1 3 秒后1 群主变低 后备保护6 2 3 t 动作，跳开1 孝主变高、低压两侧开关。l 群主变系江苏中电输配电 设备有限公司2 0 0 8 年4 月的产品，型号为s z 9 - 2 5 0 0 0 1 10 ，电压为1 1 0 8 1 2 5 1 0 的双绕组变压器。此变压器刚于0 9 年2 月份投入运行。故障发生后，试验人员 即对1 襻主变进行相关的试验并进行初步的诊断，色谱分析发现油中的总烃急剧增 大，并已严重地超出了规程所要求的注意值，现就故障前后的有关试验汇总如下： 表2 1 5 色谱分析数据单位：肚l 序时间 备类气体含量 ( 年月日) 备注 号 胃2c h l岛凰岛玩q 岛总烃 e d c q l 2 0 0 9 0 2 1 1 5 2 63d ，3 7d d 3o d 3 d d dd 43 3 7 4 l8 6 ，9 4加完油后 2 2 0 0 9 0 2 17 2 d dd 3 2o ，ld d ，d do o dd 4 29 3 6 l7 8 7 5 耐压后 32 0 0 9 0 2 1 2 5 l1 d 9 2 4 8 l ，9 9d 6 5 痕量 ，1 23 7 2 03 9 4 ，8 2掇产冶 42 0 0 9 0 3 d li3 ，d 2 ，83 2 13d 5 8 痕量 5 5 44 d ，2 2 4 2 2 5 l 跟踪 5 2 0 0 9 0 3 l0 l4 16 3 ，d d 2 2 8 d ，6 9痕量 5 ，9 75 5 8 2 43 2 ，d d 跟踪 62i ) 1 ) 9 0 3 2 22 5 l r8 69 8 ，53 l9 5 ，42 d 4 o3d 4 t7 6l8 6 42 7 7 ，199 1 6 8 9事故后 浙江大学工程硕士学位论文变压器运行中状态判据的研究 由表中数据可以看出，事故后油中的总烃急剧增长，其中h ，、c 2 i - z 2 和总烃 都已严重地超出了规程所规定的注意值。并且，各项都较前一次跟踪试验时增长 幅度较大，其中h ：增加了1 7 倍，c ：日：增加了6 0 0 倍强，总烃增加了10 3 倍， 三比值计算及编码结果如下： c 2 h 2 ：3 0 4 1 7 ：1 5 6jl t h 4 1 9 5 5 4 一c h 4 ：翌- - 0 3 9 ：，0 h 2 2 5 1 8 6 c 2 h 4 ：1 9 5 5 4 ：9 5 8j2 表2 1 6 三比值编码 g h 2 c 2 h 4c h 4 h 2q h 4 c 2 h 6 故障类型 1o2高能量放电 通过以上的数据分析，初步认定变压器内部发生了强烈的放电现象。 为了查找变压器内部的确切故障，在事故的当天进行了电气试验，主要进行 了绝缘电阻测试，直流电阻测试、介质损耗测试和变形测试。绝缘电阻测试时发 现高、低压绕组的绝缘状况良好，但铁芯的绝缘为o 朋q ；绕组直流电阻测试发 现高压侧电阻未见异常，低压侧的直流电阻不平衡；变形测试发现绕组也有较大 的变形。具体测试参数如下： 表2 1 7低压侧的直流电阻测试数据( q )油温：4 8 时段a bb c c 口 不平衡率 交接 0 0 1 4 2 3 o 0 1 4 2 70 0 1 4 3 00 4 9 故障 o 0 1 6 8 20 0 2 0 6 9o 0 16 7 92 0 o 1 撑主变低压绕组是三角形接线，其接线图如下： 图2 1 6 立马变1 群主变低压侧绕组接线 为了能够确切地判断低压绕组的故障部位，用下式将线电阻换算为相电阻。 - 3 l - 浙江大学工程硕士学位论文变压器运行中状态判据的研究 兄= ( r a c 一尺p ) 一面r a bx 可r b c ( 2 1 2 ) r = ( r a b 一尺，) 一百r a cx 可r b c ( 2 1 3 ) r = 一尺p ) 一百r a bx 可尺a c ( 2 1 4 ) 心= 半( 2 1 5 ) 以上各式中，r 、r 、r 为各相电阻； 如、尺6 c 、心为线电阻； 尺，为三相线电阻的平均值。 引用上述公式，计算所得的低压侧相电阻如表2 1 8 ： 表2 1 8低压侧相电阻测试值 a x 缈 c z 不平衡率5 o 0 2 3 2 3o 0 2 3 3 00 0 3 7 2 65 0 2 通过比较交接试验、故障后试验的线电阻、故障后的相电阻可知，变压器c 相的直流电阻明显偏大，说明c 相绕组存在明显的故障。可能的故障是绕组断股。 当天下午进行了频响法变形测试。测试的图谱如2 1 8 所示： o 5 鼍 i o 薯” 锄 图2 17变压器低压绕组交接试验时的频响曲线 厶 一l l 帕 l 八爿。办、 。u m 如l l o l z 0 1 y k l 。 n心夕 ) 7 1 柚蛳埘釉oe 0 0棚嘲 蜘 梭串时均 图2 1 8 变压器低压绕组故障后的频响曲线 浙江大学工程硕士学位论文变压器运行中状态判据的研究 从图2 - 1 7 可以看出，低压绕组a ，b ，c 的频响曲线较为一致，包括极值点 的个数、出现极值点时的频率、极值幅值都是一致的，图2 - 1 8 是受短路电流冲 击后的测试结果，从图中可以看出，在i k h z 8 0 0k h z 区段内，低压绕组a ，b ， c 的频响曲线明显不同于未变形时的情形，因此可以初步确定为绕组变形。 综合以上分析，初步判断1 1 0 k v 立马变1 带主变在低压侧母线故障后存在内部 高能放电、铁芯接地、绕组变形、低压侧绕组故障，这有待于返厂大修进一步的 验证。 2 5 变压器老化判据的研究 在实际运行中，变压器绝缘结构的电气和机械性能往往决定着变压器的寿 命，绝缘材料品质的下降( 绝缘的劣化、老化) 将导致电力变压器的损坏。 变压器在运行过程中，其绝缘材料在光、热、氧，电磁场、电弧、辐射、机 械应力、环境应力以及铜、铁等催化剂等诸因素作用下，会发生速度缓慢的氧化、 裂解与碳化等化学反应，这种化学反应的结果是绝缘材料的介电性能逐渐下降， 物理、化学性能逐渐变坏，这种绝缘材料逐步丧失其性能的渐变过程称为绝缘的 老化。绝缘油的老化、变质，会分解出烃类气体和c o 、c 0 2 等气体，并会有油 泥析出。随着变压器使用年限的增加，绝缘纸、纸板等固体绝缘材料也会逐渐老 化，其中的纤维素会逐渐分解，并有c o 、c 0 2 和水析出，同时其聚合度也会下 降。固体绝缘材料的老化，其最终结果是使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、 介损增大、机械强度下降。值得关注的是，变压器固体绝缘材料老化后，一旦其 机械强度丧失，如在变压器出口发生短路，绕组在短路电动力的冲击下，将有可 能造成绝缘损坏而导致电气击穿等严重后果。 2 5 1 造成绝缘材料老化的原因 电力系统运行中的变压器，随着运行年限的增长，表征变压器寿命的绝缘会 逐渐老化。变压器老化的主要原因可归结为电的作用、热的作用、化学作用、机 械力作用以及变压器运行环境的作用。另外，变压器绝缘老化的速度与绝缘结构、 材料、制造工艺、运行环境、所受电压、负荷情况等有密切关系。 当变压器运行在过负荷或其它异常态时，固体绝缘材料高分子链在高温、氧 气、水分的作用下会发生热裂解、氧化裂解等化学反应，使绝缘纤维材料脆化， 丧失弹性，聚合度降低，机械性能和电气性能下降。 在高温作用下，绝缘油也产生日，及各种特征气体。并与溶于油中的水分、 氧气、氮气等氧化物发生化学反应，产生有机酸，使油t a n # 增大，产生大量油泥 3 3 浙江大学工程硕士学位论文 变压器运行中状态判据的研究 等固体沉淀物，促进了绝缘材料的老化。 运行中的电力变压器要受到工作电压和过电压的双重作用，固体绝缘材料会 因热和电应力的作用发生局部损坏；绝缘油在高强度的电场、磁场、电弧或者电 晕等的作用下，油中气体杂质，水分等会发生微观电击穿，造成油介质内部分解 或气化，使老化或破坏会逐渐加深。 当变压器的固体绝缘受到来自于机械作用力、温度突变和电场力作用的影响 后，其力学性能会逐渐发生改变并可能产生裂痕或气隙，绝缘材料上的裂痕或气 隙在高电场、高磁场的条件下发生局部放电，并最终导致绝缘材料整体绝缘性能 和机械性能的下降。 2 5 2 绝缘材料老化判据的研究 变压器绝缘系统主要由绝缘纸和绝缘油组成。在运行过程中，受温度、电场、 水分、氧气等因素的影响，油纸绝缘系统会逐渐老化，电气及机械性能会逐渐降 低。通过滤油、换油等技术措施，可以显著改善老化绝缘油的理化及电气特性， 但固体绝缘材料的老化具有不可逆转的特性，老化后，其机械和电气强度都是不 能恢复的。因此，变压器的寿命主要取决于固体绝缘材料的寿命。 2 5 2 1 绝缘油老化判据的研究 绝缘油是否老化，其主要是由二个特征来反映，其一是变压器油酸值是否过 高；其二有否产生不溶于油的化合物，并伴有多种烃类气体产生。 变压器油老化的后果是变压器的整体绝缘水平下降，因此油的绝缘强度是判 断变压器油老化的重要指标。除此以外，大量的实验研究和现场运行管理的经验 表明，油的酸值、界面张力，油中水分含量、介质损耗等试验也能说明油的质量 和老化程度。 2 5 2 2 纤维素绝缘老化判据研究 固体绝缘材料的主要成分是纤维素，纤维素在变压器运行的条件下，会发生 速度缓慢的氧化、裂解与碳化等化学反应，这个过程伴随着纤维素长链的断裂， 会生成的气体、水分以及呋喃化合物。通过研究溶解于油中的纤维素分解产物的 变化规律及其与绝缘纸聚合度的相应关系，能有效发现变压器内部的潜伏性故 障，油纸绝缘的老化程度。 1 ) c o 、c o ，生成总量与c o 、c o ，的比值规律 我们知道，在高温作用下，固体绝缘的老化，会产生一些烃类气体和较多的 c o 、c 0 2 等气体，油中c o 、c 0 2 的含量与绝缘纸热老化有着直接的关系，则可 浙江大学工程硕士学位论文变压器运行中状态判据的研究 将含量变化作为密封变压器中纸层有无异常的判据之一。 2 ) 绝缘纸的聚合度 通过直接测量绝缘纸的聚合度是判断变压器固体绝缘材料是否老化的一种 可靠手段，绝缘纸聚合度的大小直接反映了纸的劣化程度。绝缘纸在温度、水分 以及各种氧化物的共同作用下，纤维素会发生降解( 绝缘材料裂解产生杂质，使 绝缘老化) ，大分子发生断裂，使纤维素长度缩短，而代表绝缘纸聚合度的纤维 素分子中d 一葡萄糖单体的个数也大幅减少。绝缘纸聚合度的降低，代表着固体绝 缘材料的老化。 3 ) 变压器油中糠醛含量 变压器油中的糠醛是纤维素( 绝缘纸) 在高温、水分及各种氧化物共同作用下 的降解产物，是唯有纸( 板) 绝缘老化才出现的特征产物。当固体绝缘纸纤维发生 老化时，纤维素降解产生的糠醛会溶于油中，由于油分子的热运动与扩散，糠醛 就会均匀分布在运行着的变压器油中。因此，我们只要分析油中是否含有糠醛， 就可以判断出变压器的故障是否涉及固体绝缘；只要分析出油样中糠醛的含量即 可确切地判断固体绝缘的低温过热现象或绝缘老化的程度。因此，如果油中糠醛 的含量高，就必须要引起重视。 但是，有一点必须要注意，测定油中糠醛含量是一种间接判断绝缘是否老化 的方法，在取样测定过程中，我们要留意某些因素的影响，如：变压器上是否装 有油过滤及吸附装置；绝缘油是否经过过滤或换油处理；变压器的运行年限是否 较长；变压器油是否经过再生处理等。但总的说来，测定变压器油中糠醛含量， 借以判断变压器固体绝缘是否老化的状况仍是一个非常有价值的、简便易行的好 方法。 2 5 3 变压器绝缘老化测试方法 在电力系统中，许多变压器已运行接近或超过3 0 年，有的运行年限甚至或 已达到了设计的极限，其绝缘纸寿命也已进入晚期。电力系统各有关单位为了合 理利用现有的设备资源，充分挖掘老旧完好设备的利用率，同时也为了减少或避 免绝缘事故的发生、保证电网的安全经济运行，则对老设备进行绝缘老化测试与 判断就显得十分必要。为了更好地开展绝缘老化测试与诊断，电力设备预防性 试验规程推荐了几种常用的诊断绝缘老化的方法： 油中溶解气体分析( 特别是c o 、c 0 2 含量及变化率) ； 绝缘油酸值； 3 5 浙江大学工程硕士学位论文 变压器运行中状态判据的研究 油中糠醛含量； 油中含水量； 绝缘纸或纸板的聚合度。 目前，现场研究较多的有以下三种方法。 2 5 3 1 油中溶解气体分析( d g a ) 利用气相色谱法对变压器油中溶解的各种低分子烃类气体，特别是c o 、c o s 气体的浓度及变化率进行分析，并结合各种气体组分的历史数据及其变化规律来 判断变压器绝缘的老化状态，这已被认为是判断充油电力变压器正常老化以及异 常故障的最好方法之一。d g a 技术己经成为变压器化学监督最重要、最有效的手 段，并已在电力系统得到了广泛的应用。 2 5 3 2 绝缘纸( 板) 聚合度的检定 变压器绝缘材料的聚合度( d p ) 是最能表征绝缘纸老化程度的指标，是判断 固体绝缘老化最准确、可靠、有效的判据之一。 纸聚合度的大小直接反应了纸的老化程度，若新纸的平均聚合度以1 0 0 0 为 基准，则当平均聚合度下降到5 0 0 时，变压器的整体绝缘寿命己进入中期；而当 平均聚合度下降到2 5 0 时，变压器的整体绝缘寿命已到晚期。d l t 5 9 6 一一1 9 9 6 电力设备预防性试验明确规定：当聚合度小于2 5 0 时，应引起注意。 2 5 3 3 高性能液相色谱分析( h p l c ) 测量糠醛含量 考虑到运行中的变压器如要取样测定绝缘纸的聚合度，则须停运吊罩以取纸 样，因此此项试验的应用受到了一定的限制。但我们知道，油纸绝缘系统中的糠 醛仅由绝缘纸的老化产生，其在油中的含量能间接地反映绝缘纸的劣化情况，包 括正常老化及由固体绝缘局部高温过热导致的非正常老化。近年来，电力系统推 广应用的一种高性能液相色谱分析( h p l c ) 方法，能有效地检测出绝缘油中糠 醛含量( f u r a n ) 。应用高性能液相色谱分析( h p l c ) 技术来分析油中糠醛含量 以判断变压器绝缘老化状态是一种灵敏、有效的方法 应用高性能液相色谱分析( h p l c ) 技术来分析油中糠醛含量，已被广泛应 用于绝缘老化分析，测定油中糠醛含量具有采样简便、勿需停电，具有良好的检 测重复性。同时，此方法也利于设备状况在线监测的实现，有利于目前逐步推广 的变压器状态检修的开展。总之，h p l c 技术拥有良好的应用前景。 但是采用h p l c 方法所要注意的是：由于油中糠醛含量随油质的改变而发生 变化，当对变压器换油或进行油处理后，变压器油中的糠醛含量已然发生了改变， 浙江大学工程硕士学位论文 变压器运行中状态判据的研究 但绝缘纸的拉伸强度却是不随油的更换而改变的，因此，这就需要对各次测量的 数据、换油情况作记录，以便综合分析绝缘实际老化的程度。 2 5 3 4 绝缘纸聚合度与油中糠醛含量的关系 我国电力科学院经模拟试验，并将检测数据进行回归分析，结果表明绝缘纸 的聚合度与油中糠醛含量的对数之间有很好的相关性。因此，只要通过测定油样 中的糠醛含量，就可以通过估算绝缘纸的聚合度，从而判断绝缘的老化程度，并 可确定绝缘材料的寿命水平。 绝缘纸的聚合度与油中糠醛含量的对应关系式为： l g ( f u r a n ) = 1 5 1 0 0 0 3 5 d ( 2 1 6 ) 式中：f u r a n 一一糠醛含量，m g l ； d 一聚合度。 二者间相关系数为0 9 6 5 7 ，因此，借助糠醛分析可近似地估算绝缘纸的平均 聚合度 电力设备预防性试验中详细规定了非正常老化和严重老化的糠醛含量限 值，当油中糠醛含量达到0 5m g l 时，变压器的整体绝缘水平处于其寿命中期； 而当糠醛含量大于4m g l 时整体绝缘水平处于寿命晚期。当糠醛含量为4m g l 时，d 的近似值为2 5 0 。 此外，由于d g a 数据、糠醛含量与聚合度存在一定的相关关系，因此，以上 几种判断绝缘老化的方法，可以相互印证，从而进一步提高了诊断的准确率。 浙江大学工程硕士学位论文电力变压器故障综合诊断分析 3 电力变压器故障综合诊断分析 3 1电力变五器故障综合诊断分析的基本原则 当电力变压器发生故障时，为了避免故障影响的进一步扩大，也为了保证系 统、设备的安全运行，对电力变压器进行全面的综合诊断就显得非常必要。对变 压器的故障进行综合诊断，可以及时、准确地掌握变压器故障的性质、类型和严 重程度，可以将变压器故障引起的损失减少到最低的程度。 电力变压器故障综合诊断的概略见图3 1 l 油中气体分析 外部一般检查 l 电气试验 运行记录检修记录 土 综合诊断 有无故障故障形态( 定位程度进展速度等) 能否继续运行妄否内部检查检侈等 上 作正常设备处理 油中气体分析置臣踪调查 内舌l l 检查修理 图3 1电力变压器故障综合诊断的概略 对电力变压器进行全面的综合诊断，则可以遵循以下几条原则，能提高故障 综合诊断的有效性： ( 1 ) 必须要熟悉和掌握变压器的内部结构、绝缘整体状况和设备运行时的状 态，这是对变压器故障能进行正确诊断的关键。 ( 2 ) 必须要清楚故障变压器运行的外部和历史环境，在分析故障时要结合故 障变压器的运行及检修情况进行综合分析。要清楚故障变压器有否发生过出口短 路，有否受到过电网中的谐波或过电压的冲击；要清楚故障变压器的负荷承载情 况和负荷变动幅度等等。 ( 3 ) 对在故障诊断分析过程中获得的数据要进行具体的分析，要与变压器本 身历次检测数据进行比较，要与规程的有关要求值进行比较。假如数据存在 超规程的情况发生，则必须要结合相关的试验项目进行验证，以查明故障发 生原因和发展情况，并进行认真的处理和解决。 ( 4 ) 当一台变压器在运行过程中发现异常，并难以判断是否存有故障，也难 以确定是外部因素的影响还是内在因素的变化时。在故障诊断的过程中则可以结 3 r 塑垩奎堂三垦堡主堂垡丝奎皇垄奎堡量垫堕堡垒堡堕坌堑 合同一地点的另一台相同容量或相同运行状态的变压器的测试数据进行综合分 析判断，以利于对故障现象的准确判断。 ( 5 ) 当判明变压器的故障发生在某一特定区域但又无法明确定位时，则可对 变压器本身的不同部位进行检查比较。因为对于同一变压器，整体的绝缘情况应 当基本一致，但如果有一特定的区域与其它部位存在有比较明显的差异时，则说 明有差异的部位可能存有缺陷。这样也有利于对故障部位的准确判断。 总之，对电力变压器进行全面的综合诊断时，应当要坚持严谨、细致的工作 态度，对故障诊断所得的测试结果要结合有关数据进行全面地、历史地进行综合 分析，以便尽可能详细地掌握设备性能变化的规律和趋势。这是试验工作者凭借 多年来的工作经验总结出来的一条综合分析判断试验结果的重要原则，并以此来 正确判断变压器的健康状况。 3 2电力变压器故障综合诊断的程序 电力变压器故障的综合诊断程序一般包含以下几个步骤： 1 ) 判断变压器是否存在故障，是隐性故障还是显性故障。 2 ) 判断故障是属于什么性质、类型，必须要判明是电性故障还是热性故障， 是绝缘故障还是机械故障等。 3 ) 掌握变压器故障时表现的状况，如热点温度、油中气体成分及含量、故 障功率、严重程度和发展趋势等。 4 ) 提出相应的反事故措施和处理、解决问题的手段等。 由油中溶解气体进行变压器故障综合诊断流程如下图3 2 所示： 图3 2电力变压器故障综合诊断流程图 一3 9 - 塑垩奎堂三堡堡主堂垡丝苎皇垄壅堡量垫堕堡鱼丝堑坌堑 3 2 1 变压器