（电力系统及其自动化专业论文）基于电气特征量的变压器故障诊断新研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e re q u i p m e n ti so n eo f t h em o s tc r i t i c a lp o w e rs y s t e m sa n di sa l li m p o r t a n t g u a r a n t e ef o rs a f e ，r e l i a b l e ，h i g h - q u a l i t y , e c o n o m i co p e r a t i o nt op o w e rs y s t e m w em u s tm a x i m i z e t o p r e v e n ta n dr e d u c et h eo c c u r r e n c eo fa c c i d e n t so ft r a n s f o r m e r f a u l td i a g n o s i sa n do n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n i q u e st ot r a n s f o r m e rm u s tt ob ea c c u r a t ea n dt i m e l yi n t e r n a lt r a n s f o r m e rf a u l ti n o r d e rt ot r a n s f o r m e rm a i n t e n a n c et i m e l ya n dr e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t st oe n s u r er e l i a b l ep o w e r s u p p l y c u r r e n t l y , t h ed i a g n o s t i co f f l i n et r a n s f o r m e rf a u l tm a i n l yb a s e do nt h eo r i g i n a lp r e v e n t i v e t e s t sa n da l s oc o n s i d e r i n gd i s s o l v e dg a sc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i s g r a d u a l l y t r a n s i tt ot h e t r a n s f o r m e r so n l i n em o n i t o r i n g 。w i n d i n g so ft h et r a n s f o r m e rf a i l u r ea r et h em o s tp a r t so f t r a n s f o r m e rf a i l u r ea n dt h o s ea r ed e v e l o p e df r o mt u r n t o - t u r ns h o r tc i r c u i ti np o w e rt r a n s f o r m e r s t h ep a p e rf i r s tr e v i e w st h es t a t u so ft h et r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s ，a n dt h e nd o e sad e t a i l e d a n a l y s i st o s h o r t c i r c u i tt r a n s f o r m e rt u m s ，f i n a l l yp r o p o s e dan e wt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s t h e o r ya n dl e s tt h et h e o r yw i t ht h en e wd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t t h em e t h o di st h eu s eo f t r a n s f o r m e rw i n d i n gt u r nf a u l to ft h ec h a n g e sa n da b r u p tl o s sf o rf a u l td i a g n o s i s ，a c c o r d i n gt ot h e n e we l e c t r i c a lf e a t u r e s ：l o s sr a t i oo fn e g a t i v e - s e q u e n c ec o m b i n e dt h el o s sa n dn e g a t i v e - s e q u e n c e o s st r a n s f o r m e r s ，i tc a r ld e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sr u mt r a n s f o r m e rs h o r t c i r c u i ta n df a u l tp h a s e t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r o v e dt h a tt h ep r o j e c tc a nb ea p p l i e dt ot h ea c t u a lt r a n s f o r m e r f a u l td i a g n o s i sa n dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gt h et h r e s h o l dc a nb ea p p l i e dt ot h ef a u l td i a g n o s i s 。i n d y n a m i cs i m u l a t i o nl a bw i t hi t sa s s o c i a t e de l e c t r i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o nt e s tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o di sm o r ep r o g r e s st h a nt r a n s f o r m e rl o s sm e t h o do ff a u l td i a g n o s i s t r a n s f o r m e r i n t e g r a t i o no ft h et r a n s f o r m e rh i s t o r i c a ld a t aa n dt h et r a n s f o r m e ro i lc h r o m a t o g r a p h i c a n a l y s i so f t h et r a n s f o r m e r s ，t h em e t h o dw i l lb ea v a i l a b l eo n l i n et or a i s et h el e v e lo f d e t e c t i o n ， k e yw o r d s ：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 s ，e l e c t r i c a lf e a t u r e s ，n e g a t i v el o s s ，l o s sr a t i oo f n e g a t i v e s e q u e n c e 4 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑鲞盘茎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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：挪灶彩签字日期：矽一年多月影日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鎏渔盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特 授权塑盘盘茎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，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容楣一致。除在保密期内的保密论文之外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院处理。 学位论文作者签名：郭焱罨 签字日期：雩午乡月7 日 导师签名 签字日期：年月日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 电力变压器故障概述 第一章绪论 我国高速发展的市场经济需要有强大电力工业作为后盾，近年来全国用电紧 张，发电装机容量逐年增加，每年都有新建的机组和变电站投入运行。在系统容 量不断扩大的同时，大容量的电力变压器在系统中的应用也越来越多【1 1 。 电力变压器是电力系统中最为关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分 配和传输，并提供电力服务，对电能的可靠传输、灵活分配和安全使用具有极其 重要的意义。其安全运行与否，将直接关系到整个电力系统能否连续、可靠和稳 定地工作。因此，电力变压器的正常运行是对电力系统安全，可靠、优质、经济 运行的重要保证，必须最大限度的防止和减少变压器事故的发生。但由于变压器 长期运行，故障和事故总不可能完全避免。电力变压器发生故障，不仅会使系统 供电中断，而且将极大的影响工农业生产和人民的正常生活，甚至会危及人身和 没备安全。另外大型电力变压器造价十分昂贵，结构复杂，一旦因故障而损坏， 其检修难度大，检修时间长，将不可避免地导致严重的经济损失。因此，必须及 时、准确、可靠的发现变压器存在的故障，将变压器从系统中切除，避免系统事 故进一步扩大和变压器损坏拉j 。 油浸电力变压器的故障常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：各相绕组之间发生的相间短路、绕组的 线匝间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。外部故障为 变压器油箱外部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，引出线之间发生相间故障等而引 起变压器内部故障或绕组变形等。变压器的内部故障从性质上一般又分为热故障 和电故障两大类。热故障通常为变压器内部局部过热、温度升高。根据严重程度， 热性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 。c ) 、 中温过 热( 3 0 0 7 0 0 。c ) 、高温过热f 一般高于7 0 0 。c 1 四种故障隋况。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。根据放电的能量 密度不同，电故障又分为局部放电、火花放电和高能电弧放电三种故障类型( 3 l 。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 由于变压器故障涉及面较广，具体类型的划分方式较多，如从回路划分主要 有电路故障、磁路故障和油路故障。若从变压器的主体结构划分，可分为绕组故 障、铁心故障、油质故障和附件故障。同时习惯上对变压器故障的类型一般是根 据常见的故障易发区位划分，如绝缘故障、铁心故障、分接开关故障等。而对变 压器本身影响最严重、目前发生机率最高的又是变压器出口短路故障，同时还存 在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动故障等。所有这些不同类型的故障， 有的可能反映的是热故障，有的可能反映的是电故障，有的可能既反映过热故障 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故障或电故 障的特征。 因此，很难以某一范畴规范划分变压器故障的类型，比较普遍和常见的划分 方法是按各自故障的成因、影响、判断方法划分为：变压器短路故障、放电故障、 绝缘故障、铁心故障、分接开关故障、渗漏油气故障、油流带电故障、保护误动 故障等八个方面。 1 2 电力变压器故障检测的现状 长期以来，电力变压器一直受到电力部门、专家学者的普遍重视，针对变压 器的研究也取得了一定的成果，随着大型变压器制造水平的不断提高，变压器的 可靠性也越来越高，同时对电网运行单位的生产效率和经济效益的要求不断提 高。在我国电力系统变电设备的定期维修制度是以时间为基础的，定期维修制度 不管设备的实际状况如何，到期必修，缺乏对设备的综合分析，往往不是维修过 量，就是维修不足。由此造成大量人力和物力的浪费，还降低了供电可靠性。鉴 于传统的设备定期维修所暴露出来的问题，即一方面盲目地对多数完好设备定期 维修，造成人力物力浪费，而且这种过度维修还可能引入新的故障隐患：另一方面 还存在因一些产品性能缺陷包括绝缘缺陷未能得到及时发现检修而发展成为重 大故障的可能。因此，人们开始关注变压器状态维修的研究和应用，基于设备实 际状态或其预测的试验和维护，即状态维修并认为通过以在线监测为主，离线试验 为辅的监测手段的结合，逐步实现由定期维修到状态维修的转变 钔 5 1 。 状态维修是一种以设备状态为基础，以预测设备状态发展趋势为依据的维修 方式。它是基于可靠性和预防性为中心的维修技术。根据对潜伏性故障进行在线 河海犬学硕士学位论文 第一章绪论 监测和离线测量的结果，结合巡视数据、历史可靠性数据和人工智能技术等，对 设备进行状态评估，并依此来安排设备的维修。状态维修可分为三层内容：( 1 ) 在线监测是状态维修的基础和前提，通过在线监测，在不影响设备运行的前提下 提取各种状态参数信息；( 2 ) 故障诊断是状态维修的核心，根据在线监测数据诊 断其绝缘状况，识别故障种类和程度；( 3 ) 维修策略的制订是状态维修的目标。 目前，在变压器故障诊断中应用较多的是传统的d g a ( 油中溶解气体分析法) 【6 1 7 1 ，即通过对变压器油中溶解气体图谱【8 l 的分析来判断变压器存在的故障。国 内外众多专家对d g a 方法的研究取得了许多有价值的成果，形成了许多比较实 用方法，如i e c 推荐的三比值法、r o g e r s 法、d o m e r b u r g 法等，都是利用变压器 油中溶解的h 2 、c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c o 、c 0 2 气体的比值编码，然后由 相应的编码查出存在的对应故障。为弥补存在的“编码盲点”问题，引入专家系 统1 9 1 1 1 0 1 、人工神经网络1 1 1 、模糊积分融合技术【1 2 i 、灰色理论 1 3 口4 1 、粗糙集理论1 5 1 、 p e t r i 网【1 6 】、信息融合旧等来对变压器故障进行进一步的判别，并取得了一定的 进展。 d g a 方法作为一种简单有效的变压器故障诊断方法，也存在些固有的缺 陷，只能简单区分过热、电晕放电和电弧放电故障，无法对故障的具体类型作进 一步判断，也无法对故障的具体部位进行准确的定位，另外由于所有溶解气体是 油中溶解气体长期累积的结果，如果单凭d g a 方法来诊断变压器故障，就很难 取得满意的结果【”】。随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站安装 了变压器在线监测装置。目前在线监测项目主要包括绝缘油中气体在线监测f 1 0 1 、 综合超高频局部放电监测【1 9 1 、超声波局部放电定位、油色谱分析、套管介质 损耗监测和铁心接地电流监测等在线监测【2 ”、利用振动法【2 2 以及综合参数法 2 3 l 、 系统辨识法【2 4 】及h m m 方法f 2 5 】和p x i e 2 6 1 来进行的变压器在线监测等。这些在线 数据可以及时反映变压器内部的变化，同时由于新的传感器【2 7 l 2 8 1 的研究的成功， 对于及早发现故障，防止故障进一步扩大有很大帮助。将在线数据加入到变压器 的故障诊断中，可以极大地提高诊断的及时性和准确性。 为保证变压器正常安全运行，必须对变压器进行各种试验【9 】，从而反映变 压器是否存在缺陷。电气试验分为出厂试验、交接试验、预防性试验。出厂试验 是对每台变压器都要进行地较全面的检查性试验，其目的是通过各项试验来检查 河海大学硕士学位论文第一章绪论 变压器的制造质量是否符合要求，有否影响运季亍的缺陷，并决定变压器能否出，一 交付使用。交接试验是耨变压器在现场安装就绪届，安装单位或变压器制造厂与 用户之间应有的一个交接手续，根据现场条件对变压器做若干交接试验项目。獒 目的是：在现场第一次全颈的测量，判断英的性能是否良好，同时也检查了变压 器的运输过程和安装期间，变压器是否遭受损伤或各种性能发生变化。预防性试 验是变压器投入运行后，为了掌握变压器运行中性能变化的情况，必须定期地对 变压器试验。其目的是监视运行中变压器健康状况及缺陷隐患，提供检修的依据， 是预防变压器损坏及保证运行的重要措施。 在变压器的故障诊断中，预防性试验的结果仍然是不可缺少的诊断依据，要 准确地判断故障的具体类型以及故障发生的具体部位，必须通过预防性试验的结 栗来判断。因此，充分利用预防性试验的结果来对变压器故障进行诊断，可以得 到更为详尽的故障信息，能够弥补d g a 方法的不足，使得诊断系统提供的维修 建议更其有针对性。 总之，电力变压器故障诊腰是个复杂的问题，需要综合在线的，离线的多种检 测手段，而且变压器故障现象与故障原因之间存在着密切的联系。电力变压器的 检修要实现根据设备实际状况进行的状态维修。只有充分了解设备运行和绝缘状 况，有针对性地对一些灵敏反映绝缘及运行状态的物理或逻辑参量进行间断或连 续的在线监测，才有可能真正实现状态维修。采用在绝缘油中气体在线监测】、 综合超高频局部放电监测、超声波局部放电定位、油色谱分析、套管介质损耗监 测和铁心接地电流监测等在线监测、利用振动法【1 8 1 进行的变压器在线监测等。 应用人工智能技术对变压器运行状况进行综合分析，实现对变压器运行状；冬连续 监测，及时发现故障隐患，识别绕组故障部位，提高变压器状态检测的准确性。 根据交压器运行现场的实际状态，在发生下列变化时，需对变压器进行故障 判断：( 1 ) 正常停电状态下进行的交接。验收检验或预防性实验中一颈或几项指 标超过标准；( 2 ) 运行中出现异常雨被迫停电进行检修和试验；( 3 ) 运行中出现 其他异常或发生事故造成停电，但尚未解体。当出现上述任何一种情况时。往往 要迅速进行有关试验，以确定有无故障、故障的性质、可能的位置、大概范围、 严重程度、发展趋势及影响波及范围等。对变压器放障的综合判断，还必须结合 变压器的运行情况、历史数据、故障特征，通过采取针对性的色谱分橱及电气检 4 河坶大学硕士学位论文第一章绪论 测手段等各种有效地方法和途径，科学而有序地对故障进行综合分析判断。 1 3 目前电力变压器故障在线检测存在的问题 长期以来推行的以运行时间为依据的定期预防性试验和维修技术经过了长 期的实践及经验的积累，才形成了不断完善的技术规程。显然，要从“定期维修” 过渡到“状态维修”，即从停电对设备健康状态进行诊断到不停电对设备健康状 态进行实时或定时诊断、评估和剩余寿命预测并给出维修策略，这是技术上的变 革，需要一个较长时间的实践和运行经验的积累，才可能总结出类似预防性试验 技术规程的在线监测与诊断技术是真正实现状态维修制度的基础，因此必须重视 在线监测装置运行中一些急待解决的技术问题“。 1 3 1 在线监测装置的稳定性 在线监测装置的稳定性是推广及应用的关键，其中既有技术问题，也有制造 工艺的问题，其中最主要的问题有”。： ( 1 ) 元器件的老化在线监测装置所用的元器件种类多，特别是电子元器件 在现场恶劣环境下运行和电力系统过电压、短路故障等冲击作用下易于损坏前台 机( 含传感器及辅助电路元器件) 直接安装在设备上或附近，不仅环境因素复杂， 而且连续高温和大范围的温度变化对元器件的寿命和稳定性影响很大，后台工控 机质量不高、负荷对主板电路和控制器件的危害很强，死机现象时有发生。 ( 2 ) 电磁兼容性研究者和制造商们花了很大的力气研究防电磁干扰的问题， 但从目前的技术水平看，采用硬件与软件结合、以软为主的主导思想对解决从强 电磁场干扰中提取微弱特征信号已有诸多的措施，在实验室已做到非常高的精 度，问题在于对不同变电站的干扰源及其传播路径需要做出对应的分析和采取相 应的措施。因此，需要在总结运行经验的基础上，制定相应的出厂和安装完后交 接时的电磁兼容性试验标准。 ( 3 ) 现场维护：在线监测的传感器及前置放大器等辅助器件，在长时间复 杂而恶劣环境中运行后，电子器件因老化而使相应特性及灵敏度发生变化，光敏、 气敏等传感件敏感性降低，机构部件不灵等，都会使检测的数据发生偏差，需要 定期重新设置标定、检修或更新。因此，在线监测装置厂商需要给出可靠的免维 河海犬学硕士学位论文第一章绪论 护时问或更换周期。 l 。3 。2 在线骢测装置与诊断系统的标准化 在线监测技术及装置还处于研发阶段，监测的新技术，新方法和诊断软件都 在不龋完善和改进，加之市场竞争导致相互沟通少，嚣此在线监溺装置与诊断阙 值的标准亿问蹶都不可髓缀快建立。 ( 1 ) 监测装置：从发展趋势来看，应尽阜制定一个采用现场总线技术的行业 性标准和数据通信蕊约，建立标准化的数据库标准和完善的信息管理系统，使各 个厂商之间的产晶帮具有开发性、可扩展性和互换性。这样既可让用户从不同特 色厂家优他组合一个监测装置的各个单元，提高系统的稳定性和可靠牲，又可减 少厂髑的维护队伍，礴时用户魄可及时进行抢修。为此，厂商应积极采雳以餐能 化传感技术为基础的前台机，并采用标准化总线接口进行通信，后台工业控制 桃( 主枫) 的主要功能以诊断为主，以提赢在线监测装置的高度智能化诊颤能力。 1 2 ) 诊断系统：在运行条件下获得在线监测数据与离线试验数据之间有定 差异，不能把在离线试验诊断标准中的数攥作为在线滥溯数据的诊断标准。由 于运行条件、环境状态和电磁干扰的影响，在线监测数据舱渗断标准尚有一个长 时间的经验积累，要出台在线监测数据的诊断标准还为时过早。目前遴常采用横 比( 同类设备相比) 、纵比( 同一设备的趋势分析) 和综合分析( 综合在线与离 线历次数据和运行经验) 相结合的诊断思路是可行的。 对于运行部门目前最关心的报警韵闽值问题，瘫予故障诊断的溯值目前主要 柬自典型的物理电极模型的模拟试验结果( 即指纹) ，工业模型和真实模型试验 的指纹尚处于初期研究阶段，即使以纛育真实模型的指纹特征，困同类输变电 设备不同厂家采用的工艺水平、材质等也有粳大差异，实际上也很难援定不阅类 型输变电设备的统一报警的阂值。从目前情况看，一是新设备投运前安装在线监 测装霖同时投运，或采用自警式电气设备( 在输变毫设备制造过程中将在线监测 装避与设冬融为一体) ，可把投运时的数据作为指纹特征，然后参考相关设备设 计规范的最大允许值作为闽值；二是在已运行设各上再安装在线监测装置，其闽 值只能按已有的运晕亍经验却参考同类设备安装在线蕊测设备后连续监测的数据 交化规律或已发生事故如数据束确定。隧蓿在线监测装溪豹推广应用，在掌握犬 6 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 量数据变化规律与设备故障的实践经验后，最终可制定出不同输变电设备的报警 阈值范围。 1 3 3 健康状态在线评估与剩余寿命在线预测技术 在线监测的优点是能对输变电设备的健康状态进行监测，因此在积累大量数 据和总结出状态变化规律后，诊断系统应具有对健康状态进行实时或定时在线评 估和剩余寿命在线预测的功能，这应当是研究的重点内容之一。 1 4 本文所做的主要工作 在正常情况下变压器内的绝缘油及有机绝缘材料在热和电的作用下，会逐渐 老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及c o 、c o ：等气体，这些气体大部分溶 解在油中。随着故障的发展，分解出的气体形成的气泡在油中经对流、扩散不断 溶于油中，故障气体的组成和含量与故障类型和故障的严重程度密切相关，因此， 应用气相色谱分析法( d g a 法) 分析溶于油中的气体，就能尽早地发现设备内部 存在的潜伏性故障并随时掌握故障的发展情况。i e e e 认为对变压器内部故障性 质早期诊断最有效的办法是d g a 法。 据统计资料表明，变压器中最常发生的故障为线圈部分，它的损坏率约占整 个变压器故障的6 0 7 0 ，其中因绝缘老化而导致的绕组匝间短路、相问短路、 绕组对地短路以及断股等故障又占了整个故障的6 0 7 0 。随着输电电压越来 越高，人们发现传统的连续式线圈已经不能满足超高压输电的需要，因此引入了 纠结式线圈。纠结式线圈的特点在于，它在线圈的相邻数序线匝间插入了不相邻 数序的线匝，形成了交错纠连的纠结线段并组成了纠结式线圈，从而使线圈的纵 向电容增加，这样沿线圈的轴向高度上冲击梯度分布特性就得到了很大的改善， 所以在各种高电压线圈上得到了广泛的应用。但是由于纠结式线圈的两个相邻匝 间的电压比连续式线圈大r d 2 倍( n 为绕组线圈的匝数) ，其绝缘水平也要求更高， 因此更容易发生匝间短路【3 3 1 。 绕组是变压器中最重要、最复杂也是最容易出现故障的部件，所以对绕组实 行在线嗌测是很有意义的。目前的变压器在线故障诊断还不完善，其整体故障定 位功能由于容易受到强干扰而不尽如人意。既然变压器的整体故障定位实现起来 河海大学硕士学位论文第一章绪沦 尚有困难，那么当绕组上发生故障时，如果能够通过绕组的在线监测而发现在哪 个绕组上发生故障，从而实现故障的定侧进而定相，实现变压器的部分故障定位， 为状态检修提供新的有效的状态蓝测。本文就是基于上述的思路，通过油气量和 电气暴两个方珏实现变压器故障的定性研究，并进一步通过对变压器绕组豹在线 监测，实现变压器故障的局部定位。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 分析了电力变压器状态监测的现状，提出了结合油气量的电气量的电力 变压器状态蓝测和故障诊断的方法。 ( 2 ) 结合电气设备状态检修的具体要求，指出了目前在线监测中存在的闻题， 即变压器内部发生故障时，无法很好的实现故障定位。进而提出，在变压器整体 故障定位尚不完善的情况下，通过对变压器绕组进行在线监测，可以很好的实现 故障绕组的定相，满足了变压器状态检修的基本要求。 ( 3 ) 建立变压器绕组故障渗断的模型，并通过试验进行验证，表明通过对绕 组在线监测可以判断绕组是否发生了匝间短路、具体哪相发生匝间短路以及匝间 短路的严重程度，为变压器状态监测提供了有效的状态监测量，实现了变压器故 障的局部定位，有效地提高了电力变压器故障诊断的准确性。 ( 4 ) 在变压器故障诊断中引入和加大对变压器的原始资料，如变压器的容量、 电压等级、型号、安装地点、投运时间以及维修使用情况等推理和分析。这对于 故障严重程度、故障发展趋势的判断是很有帮助的。 ( 5 ) 基予以上的诊断模型，提出了一套电力变压器故障在线监测流程。介绍 的应用于变压器故障诊断的流程及其关键闽僮的确定。 河海大学硕士学位论文 笫_ _ 二章电力变压器故障诊断方法 第二章电力变压器故障诊断方法 2 1 油浸式电力变压器结构特点及内部故障类型 2 1 1 充油电力变压器绝缘结构特点 电力变压器是电力系统传输电能的关键装置，分为升压变压器降压变压器 配电变压器等。由绝缘介质的不同，电力变压器又划分为油浸变压器、气体绝缘 变压器、树脂浇注变压器等，电力变压器主要是油浸变压器。油浸变压器属于静 止电气设备，以绝缘油作为冷却介质，按照冷却方式可以分为油浸自冷，油浸风 冷，油浸水冷及强迫油循环等【3 4 】。按照油浸变压器容量可以分为，一般认为容 量为6 3 0 k v a 以下的属于小型变压器，8 0 0 6 3 0 0 k v a 的变压器为中型变压器， 8 0 0 0 6 3 0 0 0 k v a 的变压器为大型变压器，9 0 0 0 0 k v a 及以上的统称为特大型变 压器。国内外生产的充油变压器的主绝缘大多采用油屏障绝缘结构【“】，其绝缘 系统的结构分类列于图2 1 中： 圈 图2 - 1 充油电力变压器绝缘分类 通常将变压器油箱以外的空气绝缘称为外绝缘，油箱内的绝缘i t i 内绝缘。充 油电力变压器的绝缘油有绝缘和散热双重作用。由于绝缘纸、纸板等固体绝缘的 河海大学硕士学位论文第二章电力变压器故障诊断方法 t g6 平均值只有油的1 0 2 0 ，n 此，变压器油的老化状态在一定程度上反 映了变压器绝缘的老亿状况。 2 1 2 油浸变压器主要组件的结构特点 油浸电力变压器由绕组、铁芯、油箱、高低压套管、引线、散热器、净油器、 储油柜、气体继电器、分接开关等组件或附件组成。变压器在运行中常见的绝缘 事故大多与绕组、铁芯、分接开关和离低压套管及引线有关。 ( 1 ) 绕组：绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成， 并套装在铁芯柱上。变压器的绕组由一次、二次及绕组间的绝缘、对地绝缘和由 燕尾垫块和撑条构成的油道及其高低压弓 线构成。根据充油电力变压器的容量及 电压等级，常采用的绕组有层式绕组( 圆筒式、箔式) 和饼式绕组( 连续式、纠 结式、内屏屏蔽式、螺旋式) 两大类。大型电力变压器的高压绕组在里层，低压 绕组在外层。 ( 2 ) 铁芯；铁：基是变压器的磁路部分，主要作用是导磁，由导磁率很高的 电工钢片制成。它将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，是能量传递的媒介。从结构上，它构成变压器的骨架，其中套线圈的部分 为芯柱，不套线圈只起闭合磁路作用的部分为铁轭。主要分为壳式铁芯与心式铁 芯两种。 ( 3 ) 引线：引线将夕 部电能传入到变压器中，又将传输的电能从变压器中 输出。一般分为三种：绕组线端与套管连接的引出线、各相绕组之间的连接引线 以及绕组分接头与分接开关相连的分按引线。引线应满足电气性能、机械强度和 温升的要求。 ( 4 ) 分接开关：分拨开关用来连接和切断变压器绕组的分接头，从而达到 改变电压比的有级调整电压，使电网供给用户稳定的电压并控制潮流或调节负荷 窀滤。变压器的分接开关分为无载分接开关和有载分接开关，一般情况下是在高 压绕组上抽出适当的分接头。 ( 5 ) 高压套管：变压器的套管是将变压器内部的高、低压引线引导油箱的 外部，承担着不同电压等级之间的电能传输。它不但作为引线对地的绝缘，而且 也担负着固定引线的作用。它应具有足够的电气强度和机械强度。套管的绝缘结 1 0 河海大学硕上学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 构决定于绕组的电压等级，通常可以分为外绝缘和内绝缘。外绝缘一般为瓷套和 硅橡胶两种，内绝缘由绝缘油、附加绝缘和电容型绝缘等组成。 ( 6 ) 冷却装置：变压器的冷却装置是将变压器运行中由损耗热量散发出去， 以保证变压器安全运行的装置。 2 1 3 电力变压器内部故障类型 ( 1 ) 绕组故障：绕组故障包括各个部分绝缘的老化，绕组的受潮，绕组层 间、匝间短路，高低压绕组间发生接地、断路、击穿或烧毁，系统短路和冲击电 流造成绕组机械损伤或绕组内部组件变形。故障主要包括：匝间短路故障，相间 短路故障，绕组股问短路故障。 ( 2 ) 铁芯故障：铁芯故障包括，铁芯组件中铁质夹件松动或碰接铁芯，压 铁松动引起振动和噪声，铁芯接地不良或夹件烧化，铁芯片间绝缘老化，铁芯安 装不正造成空洞声，铁芯片叠装不良造成铁芯发热等。主要故障包括：铁芯多点 接地故障，铁芯过热故障。 ( 3 ) 放电故障：放电故障按照放电能量密度分为局部放电、火花放电和电 弧放电三类。局部放电是在运行电压作用下，变压器绝缘结构内部发生非贯穿性 局部放电现象，放电的部位通常在固体绝缘内的空穴、电极尖端或油中沿固体绝 缘的表面等处。当变压器内部某一金属部件接触不良并处于高、低压电极之间的 部位时，因阻抗分压而在该金属部件上产生对地的悬浮电位，同时出于变压器油 中的水分、受潮的纤维等将形成杂质“小桥”而引起火花放电。电弧放电故障是 由绕组绝缘击穿，引线断裂或对地闪络，分接开关飞弧等引起，具有突发性，往 往造成变压器或部件烧损。 ( 4 ) 油和油纸故障：在充油变压器中，内部绝缘的主要绝缘材料是变压器 油和绝缘纸、纸版、木板等主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些材料受环境 的影响将发生分解而老化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。 ( 5 ) 分接开关故障：充油变压器无载分接开关常见的故障有：相间短路故 障、悬浮放电等故障。有载开关的故障有：；电弧引发故障、相间短路、变压器 本体渗漏、固定绝缘杆变形等。无载、有载分接开关的故障将引发变压器内部绝 缘故障，产生故障气体，使油中溶解气体的组分含量变化。 海海大学硕士学位论文 第二章电力变压嚣赦障诊断方法 ( 6 ) 油流带电故障：在强迫油循环冷却大校变压器中，油循环使油与固体 绝缘产生静电电荷的分离，造成静电放电，损坏固体绝缘。 2 2 变压器的预防性试验 电力变压器是电力系统电网安全性评价的重要设备，它的安全运行具有极其 重要意义，预防性试验是保证其安全运行的重要措旌。预防性试验的有效性对变 压器故障诊断具有确定性影响，通过各种试验项目，获取准确可靠的试验结果是 正确诊断变压器故障的基本前提。根据电力设备预防性试验规程( d l t5 9 6 一1 9 9 6 ) 电力变压器试验项目共有3 2 项，如表2 。1 所示【3 5 】。 表2 1 电力变压器试验项目 序号 试验项目序号试验项目 1油中溶解其他色谱分析1 7 局部放电 2绕组直流电阻1 8有戴调压装置的试验和检查 3 绕缍绝缘电阻、吸收比或( 和) 极化指数1 9目温装置及其二次凰路试验 4 绕组舟质损耗冒数 2 0 气体继电器及熊二次回路试验 5 电容性套管的介质损耗因数和电容值2 l压力释放器校验 6绝缘油试验2 2 整体密封检查 7 交流耐压试验2 3 冷却装置及其二次回路检查试验 8 铁心( 有外引线地线的) 绝缘电阻 2 4 套管中电流互感器绝缘试验 穿心螺栓、铁轭夹件、绑扎钢带、铁心、线 9 2 5 全电压下空载台闸 网压环殛屏蔽等的绝缘电阻 l o 油中含水量2 6 锄中糠醛含量 l l 油中含气量2 7 绝缘纸( 板) 聚合度 1 2 绕组泄漏电流2 8 绝缘纸( 板) 含水量 1 3 绕组有分接头的电压北2 9阻抗涮量 1 4 校核三相变压器的组别或单相变压器极性3 0振动 1 5 空载电流和空载损耗3 l噪声 1 6 短路阻抗和受载损耗3 2 油禳表面温度测薰 表2 1 中的试验项目基本上按其重要性和有效性的次序排列，在总共3 2 个试验项目中，有些是在变压 器解体后才能进行的，如第9 、2 4 、2 7 、2 8 项厦第1 8 项中部分项如过渡电阻、接触电阻测量等；有些是与 其它顼刚司对进行或辩带进彳亍的，第i 4 项、1 8 项的部分项等；宥些是变压器投运翦或授运后驰侧行检查、 试验项目，如第1 9 、2 0 、2 1 、2 2 、2 3 、2 5 、3 0 、3 1 项：有些是在特殊情况下才进行，如第1 5 、1 6 、3 2 项， 对于第7 项的交流耐压试验是一种破坏性试验，对试验设备要求很高，现场条件很难满足，仅作为变压器 绝缘水平的一种“考核”项目。 1 2 河海大学硕士学位论文第二章电力变压器故障诊断方法 2 2 1 绕组绝缘电阻，吸收比试验和极化指数试验 测量绕组绝缘电阻、吸收比或极化指数，能有效地检查出变压器绝缘整体受 潮，部件表面受潮或脏污，以及贯穿性的集中性缺陷，如磁件破裂、引线接壳、 器身内有金属接地等缺陷。测量绕组绝缘电阻时，应依次测量各绕组对地和对其 他绕组问绝缘值。测量时，被测绕组各端引线均应短接在一起，其余非被测绕组 皆短路接地。 2 2 2 泄漏电流试验 它与测量绝缘电阻的原理与作用基本上是相似的，只是试验电压较高，用微 安表直接读取泄漏电流，因而测量灵敏度极高。它能较灵敏的有效发现变压器套 管密封不严、有裂纹等其它试验不易发现的缺陷。电压等级为3 5 k v 以上，且容 量1 0 0 0 0 k v a 以上的变压器必须进行泄漏电流试验，试验时应读取1 m i n 时的泄 漏电流值。测量时将直流高压试验装置的高压输出端接于被测绕组，非被测绕组 接外壳及地。 2 2 3 介质损耗因数t g6 试验 t g6 试验对发现中小型变压器( 9 0 0 0 0 k v a ) 的绝缘整体受潮比较有效。测 量变压器主体t g6 时应连同套管一起测量。其中变压器外壳直接接地，现场一般 采用q s l 电桥反接线法测量。因为变压器绕组对地的电容量一般远大于变压器 套管对地的电容量，故变压器套管本身的绝缘状况对整体t g6 值影响不大。 2 2 4 交流耐压试验 交流耐压试验是检验变压器绝缘强度最严格、最有效和最直接的试验方法， 对发现变压器的主绝缘的局部缺陷，如绕组主绝缘受潮、绕组松动、引线短，油 中有杂质及绕组绝缘上有脏污十分有效。变压器交流耐压试验必须在变压器充满 合格的绝缘油，并静止一段时间且其他绝缘试验均合格后才能进行。试验时被试 绕组的端头均应短接，非被试绕组的引出线端头应短路接地。它对判断电气设各 河海大学硕士学位论文第二章电力变压器故障诊断方法 能否继续投入运行具有决定性的作用也是保证设备绝缘水平、避免发生绝缘事 故的熏要手段。 2 2 5 直流电阻试验 童流电阻试验可以检查出绕组内部的焊接质量，引线与绕组的焊接质量，绕 组所弼导线的规格是否符合设计要求，分接开关、弓i 线与套管等载流部分的接触 是否良好，三相电阻是否平衡等。被测电阻1 0 欧姆以上时采用单臂电桥；被测 电阻1 0 欧姆及以下时采用双臂电桥。 2 2 。6 变比试验 变压器的变比试验是验证变压器能否达到规定的电压变换效果，目的是检查 各绕组的匝数，引线装配，分接开关指示位置是否符合要求，提供变压器能否于 其他变压器并列运行的依据。变压器的变妃测量应在各相所有分接位置进行，对 于有载调压变压器，应用电动装置调节分接头位置。对三绕组变压器，只需测量 两对绕组的变比，一般测量某一带分按开关绕组对其他两侧绕组之间的变比。 2 2 7 变压器的极性和组别试验 为测量在同一铁芯上两绕组的感应电动势的相对的极性关系，使两个绕组正 确的连接。绕组的连接组别试验用于检查变压器的连接组标号是否与变压器铭牌 相符，是变压器出厂、交接及大修后应做的试验之一。 2 2 8 空载试验 变压器空载试验是从变压器任- - n 绕组施加正弦波形、额定频率的额定电 压，在其他绕组开路情况下测量变压器空载损耗和空载电流的试验。主要目的是 发现磁路中的铁芯硅钢片的局部绝缘不良或整体缺陷：根据交流耐压试验前后的 两次空载试验测得的空载损耗比较，可判断绕组是否有匝问击穿情况等。 1 4 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 2 2 9 变压器倍频感应耐压和操作波感应耐压试验 变压器内绝缘分为主绝缘和纵绝缘。运行过程中不仅承受工频电压作用，而 且还要承受内、外过电压作用，在工频高压试验时由绕组各部位处于同一电位， 只考核了绕组对铁芯和油箱、不同额定电压绕组间的主绝缘，纵绝缘未考核。另 外，电力系统中的分级绝缘变压器中性点绝缘水平比出线绝缘水平降低，故也不 能采用外施高压试验的方法，也只能采用感应耐压试验来考核。变压器感应耐压 试验电源的频率一般为1 0 0 2 5 0 h z ，一般由中频同步发电机来做试验电源。工 频电压和雷电冲击可以用工频耐压和雷电冲击进行考核绝缘强度，而操作过电压 作用可用操作波感应耐压进行考核，同时对2 2 0 k v 及以下大型变压器当现场倍频 感应耐压有困难时，也允许用操作波感应耐压试验考核其主绝缘和纵绝缘。 2 2 1 0 变压器绕组变形试验 变压器出口附近短路，绕组内部遭受巨大的，不均匀的轴向和径向电动力冲 击，如果绕组内部的机械机构的薄弱点、使绕组扭曲、鼓包和位移变形，严重时 会发生损坏事故。利用变压器绕组局部变形后，其电感、电容等分布参数、集中 参数必然发生相应变化，利用这一变化来检验。主要由集中参数法( 三相法、单 相法及专用仪器法) 和网络分析检测分布参数法( 低压脉冲一l j v t 法和频率相应 法( f r a ) ) 。 2 2 1 1 铁芯( 有# l - = j i 接地线的) 绝缘电阻试验 变压器运行时，铁芯和夹件等金属构件处于电场中，若铁芯不接地，使产生 悬浮电位，造成绝缘放电，故铁芯和夹件必须一点接地。如果铁芯和夹件再产生 一点以上接地，则接地点问会形成闭合回路，形成环流，由局部过热烧坏铁芯， 故必须保证绝缘电阻。 试验结果的分析和判断规程着重指出，对试验结果应进行综合分析和判 断。也就是一般应进行下列三步：第一步应与历年各次试验结果比较；第二步与 同类型设备试验结果比较：第三步对照规程技术要求和其他相关试验结果， 进行综合分析，特别注意看出缺陷发展趋势，做出判断。根据综合分析，一般可 河海大学硕士学位论文第二章电力变压器故障诊断方法 对设备做出判断结论：合格、不合格或对设备有怀疑。对不合格的，应及时进行 检修。4 为了能傲到有重点地或加速处理缺陷，应根据设各结构特点，尽量做部件 的分节试验，以进一步查明缺陷的部位或范围。对有怀疑或异常、一时不易确定 是否合格的设备，应采用缩短试验周期的措施，或在良好天气下或在温度较高时 进行复测，来监视设备可疑缺陷的变化趋势，或验证过去测量的准确性【3 6 】扭7 1 。 2 3 油中溶解气体分析法 现有的预防性试验不能有效地发现变压器载运行条件下的内部潜伏性故障， 而通过气体继电器又不能知道气体的组分及每种组分含量。实测与研究证明，采 用浊中溶解气体的气相色谱法，可根据变压器内部析出气体可以分析出变压嚣的 潜伏性故障，尤对于过热性、电弧性和绝缘破坏性故障，不论故障在变压器内部 什么部位，部能授好的反映口8 】【3 9 】。 正常情况下交压器内的绝缘油及有机绝缘材料，在热和电的作用下，会逐渐 老化和分解，产生少量的各种低分子烃类和一氧化碳、二氧化碳簿气体，当存在 潜伏性故障和过热性故障时，就会加快这些气体的产生速度。随着故障的发展， 分解出的气体气泡在油中经对流、扩散、不断缝溶解在油中，大量研究结论表明： 电力变压器油中溶解气体的组成和含量与故障类型和故障严重程度有密切关系， 并且与绝缘油的种类和牌号