（电气工程专业论文）电力变压器故障监测与电容器保护系统研究.pdf

摘要 电力变压器及电容器是电力系统的重要设备，它们的故障给供电可靠性和系 统的正常运行带来了严重的影响，因此，早期预测电气设备的内部故障对于安全 发供电、防止事故是极为重要的。变压器的故障征兆与故障机理间的联系是错综 复杂的，是变压器本身及其应用环境综合作用和长期积累的结果，这就给建立通 用的变压器故障诊断方法造成了很大的困难。而电容器作为电力系统无功补偿的 重要方式，在保持网络无功平衡，提高电压质量，降低网络损耗等方面具有有效 措施，是降损措施中投资少回报高的最佳方案，因此，解决变压器的故障诊断和 电容器的保护监测，对电网的安全和降损节能都有着重要的意义。 本文以变电站综合自动化为切入点，将变电站的电力变压器及电容器经过功 能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号 处理技术，实现对电力变压器和电容器的自动监视、监测、自动控制和微机保护。 利用变电站综合自动化系统可采集比较齐全的数据和信息，通过计算机的高速计 算能力和逻辑判断能力，方便监视和控制电气设备的运行和操作。此外，为了实 现对电力变压器和电容器的控制，有时还需要输出模拟信号，通过模拟量输出通 道去驱动模拟调节执行机构工作，这就涉及到模拟量输入输出通道的组成、数 模转换器、多路转换器、采样保持器、高集成的数据采集系统、采样方式等，这 需要对综合自动化系统的模块组成进行合理设计，最终确保电力变压器及电容器 故障诊断系统的有效性和准确性的实现。 关键词：电力变压器；电容器保护；故障监测；变电站综合自动化 a b s t r a c t t h ep o w e rt r a n s f o r m e ra n dt h ec a p a c i t o ra r ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m si m p o r t a n t e q u i p m e n t ，t h e i rb r e a k d o w nh a sb r o u g h tt h es e r i o u si n f l u e n c ef o rt h ep o w e rs u p p l y r e l i a b i l i t ya n ds y s t e m sn o r m a lo p e r a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h ee a r l yp r e d i c t i o ne l e c t r i c a l e q u i p m e n t si n t e r n a lb r e a k d o w nr e g a r d i n gs e n d st h ep o w e rs u p p l y ，t h ef o r e s t a l l t r o u b l ei ss a f e l yt h eg r e a ti m p o r t a n c e b e t w e e nt r a n s f o r m e r sr e l a t i o no fb r e a k d o w n i n d i c a t i o na n dt h eb r e a k d o w nm e c h a n i s m si si n t r i g u i n g ，i st h et r a n s f o r m e ri t s e l fa n d t h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tc o m b i n e da c t i o na n dt h el o n g t e r ma c c u m u l a t i o nr e s u l t ， t h i sg a v et h ee s t a b l i s h m e n tg e n e r a lt r a n s f o r m e rf a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o dt oc a u s et h e v e r ym a j o rd i f f i c u l t y b u tt h ec a p a c i t o rt a k e st h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi d l ew o r k c o m p e n s a t i o nt h ei m p o r t a n tw a y ，a tm a i n t a i n st h en e t w o r ki d l ew o r ki sb a l a n c e d ， i m p r o v e st h ev o l t a g eq u a l i t y ，r e d u c e sa s p e c t sa n ds oo nn e t w o r kl o s st oh a v et h e e f f e c t i v ea c t i o n ，i sf a l l sd a m a g e si nt h em e a s u r et oi n v e s tm o v e sb a c kt h en e w s p a p e r h i g hp r e f e r r e dp l a n ，t h e r e f o r e ，s o l v e st r a n s f o r m e r sf a i l u r ed i a g n o s i sa n dc a p a c i t o r s p r o t e c t i o nm o n i t o r ，a n df a l l st oe l e c t r i c a ln e t w o r k ss e c u r i t yd a m a g e st h ee n e r g y c o n s e r v a t i o nt oh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l et a k et h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s y n t h e s i sa u t o m a t i o n 弱a b r e a k t h r o u g hp o i n t ，t h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o np o w e rt r a n s f o r m e ra n dt h ec a p a c i t o r a f t e rt h ef u n c t i o nc o m b i n a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，u s e st h ea d v a n c e d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o na n dt h e s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，r e a l i z e st ot h ep o w e rt r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t o r s s e l f - s u p e r v i s o r y ，t h em o n i t o r ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dt h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n m a yg a t h e rt h eq u i t ec o m p l e t ed a t aa n dt h ei n f o r m a t i o nu s i n gt h et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o ns y n t h e s i sa u t o m a t e ds y s t e m ，t h r o u g hc o m p u t e r sh i g hs p e e dc o m p u t i n g p o w e ra n dl o g i c a lj u d g m e n ta b i l i t y ，f a c i l i t a t e sm o n i t o r sa n dc o n t r o l se l e c t r i c a l e q u i p m e n t sm o v e m e n ta n dt h eo p e r a t i o n i na d d i t i o n , t or e a l i z et ot h ep o w e r t r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t o r sc o n t r o l ，s o m e t i m e sa l s on e e d st oo u t p u tt h es i m u l a t e d s i g n a l ，a c t u a t e st h es i m u l a t i o na d j u s t m e n ti m p l e m e n t i n ga g e n c yw o r kt h r o u g ht h e s i m u l a t i o nq u a n t i t yo u t p u tc h a n n e l ，t h i si n v o l v e st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c h ， t h es a m p l em o d et ot h es i m u l a t i o nq u a n t i t yi n p u t o u t p u tc h a n n e l sc o m p o s i t i o n ，t h e n u m b e r m o l ds w i t c h ，t h em u l t i - c h a n n e ls w i t c h e s ，t h es a m p l i n gr e t a i n e r , t h eg a o j i b e c o m e sa n ds oo n , t h i sn e e dc a r r i e so nt h er e a s o n a b l ed e s i g nt ot h es y n t h e s i s a u t o m a t e ds y s t e m sm o d u l ec o m p o s i t i o n ，g u a r a n t e e st h ep o w e rt r a n s f o r m e ra n dt h e c a p a c i t o rf a i l u r ed i a g n o s i ss y s t e m sv a l i d i t yf i n a l l ya n da c c u r a t er e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ；c a p a c i t o rp r o t e c t i o n ；f a u l tm o n i t o r ；s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ni n t e g r a t e d 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，也不包含为获得鑫盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：剐会之孚 签字日期： 9 歹年) 月 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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，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。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 五l 各哲 签字日凝；d 口7 年7 月 r ：j 易臂期 签字日期：夕彷f 年彳月日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 变电站综合自动化系统是电力系统的重要组成部分，是确保电力系统安全、 优质、经济运行和电力市场运营的基础设施，是提高电力系统运行水平的重要技 术手段。电力系统调度控制的任务，就是根据电力系统实时的运行状态和相应的 运行目标提出调度控制任务和措施，在电力系统运行中，根据电力系统的不同运 行状态，提出不同的调度控制目标，一般有下列几个主要的目标： ( 1 ) 满足用户供电需要，包括供电的数量和质量； ( 2 ) 系统安全性，保证连续的系统功能； ( 3 ) 最小成本； ( 4 ) 环境保护； ( 5 ) 节约燃料和其他资料。 为保证电力系统的正常运行，控制中心要对电力设备的运行进行监视，控制 中心的作用除正常监视电力设备的运行，还要对系统可能出现的事故记录其发生 的时间及性质分类，使运行人员能及时确定故障发生的地点及其原因，并根据预 案进行及时处理。 为了合理监控和协调日益扩大的电力系统的运行方式和处理影响整个系统 正常运行的事故及异常情况，本文针对电力系统的重要电气设备电力变压器和电 容器故障实际情况，来说明变电站综合自动化系统在电力监视和控制的快速性和 正确性是十分必要的。 变压器在系统运行中，会受到各种外部环境的影响而造成其中部分元件损坏 并失去工作能力，最严重的情况是造成电网停电甩负荷等重大事故，从而影响企 业的生产经营活动和人们的日常生活，这种情况会造成巨大的经济损失和社会影 响，因此电力变压器的正常运行直接关系到电网能否安全、平稳、经济运行。 当变压器油中出现了部分故障气体或其组分超过规定的浓度注意值时，人们 都有一种观念，认为只要一经排气，设备的部分故障就消除了。目前人们对变压 器油的排气处理一般都采用真空滤油的办法，往往需要变压器停电处理。但在现 实中，若脱气处理的不急时，很可能会出现事与愿违的结果，甚至完全不能达到 理想的结果。 第一章绪论 一台变压器由磁路、绕组、冷却系统、分接变换装置和绝缘系统等元件组成， 这些元件或系统如果受n ； i - 部环境影响而不能正常工作，都可能引起变压器事 故，只是绝缘事故一直是变压器故障的大头【l 】。据有关资料统计由于变压器绝缘 事故造成的损失占有很大的比率。例如依据大庆油田电网2 0 0 6 2 0 0 7 年底的统计 数据【2 】，1l o k v 以上电力变压器共发生了3 台变压器设备事故，按照事故类型分 类，绝缘事故有2 起占到事故比率的6 6 7 。国外的统计结果也类似，例如，美 国变压器维护协会编著的变压器维护指南1 3 中说明：“很多数据证明多数变 压器的损坏，都是绝缘系统造成的，其比例达到损坏变压器总数的8 1 。” 电容器组的过电压问题，主要考虑操作过电压。因为对电容器组来讲遭受雷 击大气过电压的机率很小，雷电波在大电容的影响下，陡度较小，减小了对绝缘 的危害。电容器组的操作过电压大多是由于在断路器分闸时电弧重燃所引起的。 断路器非同期合闸时，可能出现其中一相先合闸使电容器充电，而其它两相接通 时，也会遇到大小相近，极性相反的工况，有可能发生高于2 倍的过电压。在电 场作用下，介质中产生非贯穿性放电称为局部放电，也称游离放电。开始出现局 部放电时的外施电压称为起始局部放电电压，其相应的平均场强称为起始局部放 电场强。油纸电容器的起始局部放电很微弱，电压稍微降低，放电即可消失，因 此称为不稳定局部放电。 固体介质的击穿比较复杂，根据介质结构和使用条件的不同，可分为电击穿、 热击穿和老化击穿三种形式。损耗大、机构不均匀的介质，在温度高而散热又不 好的条件下，介质在电场作用下产生的热量大于能散发走的热量，使介质内部温 度不断升高，最终造成击穿，这种击穿叫做热击穿。损耗小、结构均匀的介质， 在电场作用下介质内部带电质点剧烈运动发生撞击而游离，破坏分子结构，使电 导增大而最终导致击穿，这种击穿叫做电击穿。一般固体介质电击穿的场强比热 击穿的场强要高。如果介质是在电、热、化学或机械力等因素的共同作用下，或 其中一部分因素的同时作用下，经过一段较长时间的作用才发生的击穿，这种 击穿叫老化击穿。老化击穿的场强比单纯的电击穿或热击穿的场强要低很多。因 此对电力电容器组的保护配置非常必要，本文为了保护电力电容器的安全运行， 根据电力电容器运行方式的不同，设有三段式电流保护、过电压保护、低电压保 护、不平衡电压保护、不平衡电流保护等。 变电站综合自动化系统通过采用对变压器和电容器的监测，可以即时连续记 录各种影响变压器寿命、电容器状态的相关数据，对这些数据的自动化处理可及 早发现故障隐患，实现基本的状态维护。国内外应用的各种在线监测装置和方法 相继投入到电网和变电站，从而积累了许多在线监测的经验，促使在变电站综合 自动化系统的技术上不断完善和成熟。开拓了高压装置状态维护的新局面。 2 第一章绪论 1 2 变压器故障 电力变压器绝缘系统决定着变压器的各项技术经济指标。所以，绝缘系统很 大程度上与变压器运行的经济性以及可靠性息息相关。 电力变压器应用最广泛的主要是油浸变压器和干式树脂变压器两种。电力变 压器的绝缘即是变压器的绝缘材料所组成的绝缘系统，它是变压器正常运行的基 本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料的寿命所决定的。经过实践证明，大部 分变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏原因而造成。无论是何种原因引起 变压器发生故障，比如短路故障、过热故障等最终都将导致变压器绝缘介质的损 坏或击穿，从而导致电网事故。 对正常运行及进行过检修处理的变压器，其绝缘材料都具有很长的使用寿 命。在国外根据理论计算结果及实验研究数据表明【4 】，当小型油浸配电变压器的 实际温度常时间维持在9 5 c 时，其理论寿命可达到4 0 0 年。按设计要求和现场 运行的经验说明，维护好变压器，其实际寿命能达到5 0 一7 0 年；而按照制造厂的 设计要求和技术指标，一般把变压器的预期寿命定为2 0 4 0 年。因此，保护变压 器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有较 长的使用寿命，而预防性和预知性的维护是提高变压器使用寿命和供电可靠性的 关键。 引起变压器绝缘故障的要素： ( 1 ) 突发短路 短路事故是导致变压器发生绝缘故障主要原因之一，由于变压器处在带工作 电压的配电装置包围之中，运行设备电压很高，产生的电磁场往往与被试变压器 存在电容耦合，形成干扰电流。变压器在外部的出口短路时，铁心、绕组、引线、 套管会承受很大的电动力引起的机械力，如果变压器的承受能力不够，将会使得 变压器的绕组变形、引线移位，从而改变原有的绝缘距离，使绝缘发热，急速老 化或受到损伤造成放电、拉弧及短路故障。 减少变压器短路事故的主要措施是从变压器的制造质量和运行两方面着手， 二者缺一不可。在制造质量上，变压器绝缘结构设计合理，采用好的材质，比如 提高铜线的硬度，用半硬的铜导线来代替软铜导线，对提高变压器的动稳定性有 着很好的作用。而在运行方面，提高检测水平和维修质量，应减少变压器的出口 短路的概率，提高继电保护动作的可靠性，这些也是减少变压器短路事故的可行 方法。 ( 2 ) 温度的影响 3 第一章绪论 温度对绝缘电阻的影响较大，当温度升高时，绝缘介质中的极化加剧，电导 增加，致使绝缘电阻值降低，热状态下测得值比冷状态下要低，通常温度增加 1 0 c ，绝缘电阻要降低1 5 倍。电力变压器为油纸绝缘结构，纸是变压器主要的 绝缘材质。在不同的温度下，油、纸中的含水量有着不同的平衡关系曲线。一般 的情况下，温度升高，纸中的水分会向油中析出，油中的含水量会增加，反之则 相反。所以，温度高的时候，变压器油中的含水量较大，反之，含水量较少。 绝缘纸的主要成分是纤维素，化学表达式是( c 6 h 1 0 0 6 ) n ，其中n 是聚合 度。温度不同时，会使纤维素解环、断链并伴随气体产生的程度有所不同。在一 定的温度下，c o 和c 0 2 的产生速率恒定。在温度不断升高的时候，c o 和c 0 2 的产生速率往往呈指数规律增大。另外，变压器正常运行下产生的c o 和c 0 2 的含量也会随着设备的运行年限的增加而上升。因此，c o 和c 0 2 的产生与设备 的内部固体绝缘材料的老化和故障有着明显的关系，反映变压器的绝缘状态。 变压器的绝缘老化取决于运行时的实际本体温度。如油浸变压器在额定的负 载下，绕组的平均温升为6 5 * ( 2 ，最高点温升为7 8 。c ，若平均环境温度为2 0 ， 则最高点温度为9 8 。c ；在这个温度下，变压器可运行2 0 3 0 年，若变压器超载运 行，温度升高，则寿命会大幅减少。 ( 3 ) 湿度的影响 水分的存在也会加速纤维素的降解。所以，c o 和c 0 2 的产生与纤维素材料 的含水量也有关系。当湿度一定时，含水量越高，分解出的c 0 2 越多。反之， 含水量越低，分解出的c o 就越多。 绝缘油中的微量水分的存在，对绝缘介质的电气特性和理化性能有着极大的 危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，介质损耗因数t g6 增加，促进绝 缘油的老化，绝缘性能劣化。而设备受潮，不仅导致电力设备的运行可靠性和寿 命降低，更可能导致设备损坏甚至危及人身的安全。 ( 4 ) 油保护方式的影响 变压器油中氢的作用也会加速绝缘分解反应，而含氢量与油保护方式有关。 另外，油保护的方式不同，使c o 和c 0 2 在油中溶解和扩散状况不同。如c o 的溶解小，使开放式变压器c o 易扩散至油面空间，因此，开放式变压器一般情 况下c o 的体积分数不大于3 0 0 1 0 。密封式变压器，由于油面与空气绝缘， 使c o 和c 0 2 不易发挥，所以其含量较高。 ( 5 ) 过电压的影响 变压器所遭受的过电压包括暂时过电压、雷电过电压、操作过电压和快速瞬 变过电压，这些过电压的作用强度超过其耐受强度，导致绝缘击穿。暂时过电压 对变压器的损坏主要表现在靠近铁心的绕组局部过热，导致匝间绝缘损伤或击 4 第一章绪论 穿。雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘( 匝间、并间、绝缘) 上的电压分布不 均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。操作过电压的波 头相当平缓，所以电压分布近似线形，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕 组上时，约与这两个绕组间的匝数成正比，从而容易造成主绝缘的劣化和损坏。 综上所述，掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，直接影响到变压 器的安全运行、使用寿命、和供电的可靠性。电力变压器是电力系统中输变电能 的重要高压电气设备，其性能的好坏直接影响到系统的安全运行，作为变压器的 运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺 质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化合理的运行管理，才能保证电力 变压器的使用效率、寿命和供电的可靠性。 1 3 电容器保护 配电网无功补偿的主要措施是在低压侧并联或串联电容器，可分散使用，分 组投切，具有灵活性、操作维护方便、投资小等优点。电力电容器组的保护配置 为电力电容器的安全运行提供可靠保障，根据电力电容器运行方式的不同，设有 三段式电流保护、过电压保护、低电压保护、不平衡电压保护、不平衡电流保护 等。 电容器在运行中或者是投切电容器组时所发生的故障，主要表现为内部故障 和端部故障两种类型，另外，当系统异常时电容器可能会产生过电压或低电压现 象。并联电容器组的过电压问题，主要考虑操作过电压。常见的操作过电压主要 有以下几个方面： ( 1 ) 电容器组分闸时弧燃引起的过电压； ( 2 ) 电容器合闸时电容器极间过电压； ( 3 ) 由于真空断路器触头弹跳引起的过电压； ( 4 ) 非同期合闸引起的过电压； ( 5 ) 电容器合闸或分闸引起的远方放大过电压； ( 6 ) 电容与电感的谐波匹配引起的谐振过电压。 根据产生过电压的原因，采取适当措施防止电容器过电压的产生。结合大庆 自动化仪表厂生产的m p s 4 0 0 0 1 2 0 系列电容保护单元分析了其结构和工作原理， 对电容器故障进行分析，将它们结合起来应用到电容器故障诊断系统中。 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 通过变电站综合自动化系统采集比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速 计算能力和逻辑判断能力，可方便监视和控制变电站内各种设备的运行和操作的 特性，对电力变压器及电容器故障进行实时监视和控制，其具有功能综合化、结 构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特点。 本文在总结前入的基础上，建立了变压器故障监测与电容器保护系统。本系 统通过变电站综合自动化系统进行处理，针对变压器故障类型及电容器过电压现 象处理时的结果，本文选用变压器的故障特征气体的组成和含量与故障的类型和 故障的严霞程度关系，分析溶解于油中的特征气体及比值，判别出变压器内部发 生了何种故障及严重程度：通过预防电容器故障制定相应方案，采取措施防止电 容器故障的发生。 6 第二章电力变压器的故障诊断 第二章电力变压器的故障诊断 变压器现场运行若出现下列三种情形，则需对其进行故障诊断：( 1 ) 正常停电 状态下进行的交接、检修验收或预防性试验中一项或几项指标超过标准值；( 2 ) 运行中出现异常，被迫停电进行检修和试验；( 3 ) 运行中出现其它异常造成事故停 电，但变压器尚未解体( 吊芯或吊罩) 。若存在故障，则需进一步明确故障原因、 类型、大致部位、故障的严重程度以及能否带故障短期运行。如果没有故障，则 要分析出现试验结果异常或其它异常现象的原因。 2 1 变压器运行中常见故障及分类 充油电力变压器的故障涉及面广而且复杂多样，特别是在运行中发生的故障 很难以某一判据诊断出故障的类型及性质。 运行变压器常见故障的划分方法通常有按变压器结构可分为绕组故障、铁心 故障、油质故障、附件故障；按回路可分为电路故障、磁路故障、油路故障；按 故障发生的部位可分为铁心故障、分接开关故障、绕组故障、绝缘故障等：按变 压器本体可分为内部故障和外部故障。变压器内部故障，按形成的原因和发展的 过程，可分为由电气回路缺陷构成的突发性故障和由铁心、开关、并联导线绝缘 损伤等局部过热构成的缓慢发展的潜伏性故障两大类。变压器内部故障，按性质 又可分为热故障和放电故障。 ( 1 ) 绕组故障 绕组故障主要是器身中绕组及绝缘物发生故障。表现在各部分绝缘老化，绕 组受潮，绕组层间、匝间、相间、高低压绕组间发生接地、短路、断路、击穿或 烧毁故障；系统短路造成绕组机械损伤；冲击电流造成绕组机械损伤等。 1 ) 匝间短路故障 导致匝间短路的原因通常有：线圈制作时操作不当，造成匝间绝缘损伤；导 线的匝绝缘不够，匝间工作场强增高，耐受不住长期工作电压或短时冲击电压作 用，长期运行使绝缘老化、变形、松脆；局部高温造成油流死角或油道堵塞而加 7 第二章电力变压器的故障诊断 速绝缘老化；电动力的作用使部分线匝发生轴向住移，导致绝缘磨损而形成穿越 性短路，长期过载运行下绕组导线过热而使绝缘变脆；各种过电压和过电流作用 下，绝缘性能劣化；绕组发生局部放电等电气故障而引发绕组匝间短路；箱体内 油少而使绕组漏出油面，导致冷却变差而过热也会形成绕组短路。 2 ) 相间短路 在中小型变压器中，两相线圈引线上的软铜接线卡相碰引起相间短路较多； 在大型变压器内，若偶然有金属丝之类的导体，也会将两相线匝绝缘划破而构成 短路；当分接开关错位严重时，将导致两相分接开关短路而烧坏，引起两相绕组 相间短路。 3 ) 股间短路故障 在用多股导线并绕的绕组中常发生股间短路，其主要原因有：因导线质量问 题导致绝缘层包绕不均，甚至导线裸露；在绕制过程中因弯曲、毛刺等使匝间绝 缘受损伤，卡线过紧或换位不当导致线拧绞或刮伤导线绝缘：在压装及整形过程 中，挤伤并绕导线间的绝缘层。 ( 2 ) 铁心故障 根据大量的事故分析，导致铁心故障的主要原因有：铁心组件中铁质夹件松 动或损伤而碰接铁心，压铁松动引起铁心振动和噪声，铁心接地不良或夹件烧坏， 铁心片间绝缘老化，铁心安装不正或不齐造成空洞声，铁心片间叠装不良造成铁 损增大而使铁心发热等。 1 ) 铁心多点接地故障 变压器铁心只有一点接地，才是可靠的正常接地；当出现两点及以上的接地 为多点接地，多点接地使铁心接地出现异常现象，导致铁心出现故障。铁心多点 接地的类型有：由于铁心夹件肢板距心柱太近、铁心叠片因某种原因翘起后，触 及到夹件肢板，形成多点接地：铁扼螺杆的衬套过长，与铁扼叠片相碰，构成了 新的接地；铁心下夹件垫脚与铁扼间的绝缘纸板脱落或破损，使垫脚铁扼处叠片 相碰造成接地；由于潜油泵轴磨损，金属粉末进入油箱中，淤积油箱底不，在电 磁力作用下形成桥路，将下铁扼与垫脚或箱底接通，形成多点接地：油箱盖上的 温度计座套过长，与上夹件或铁扼、旁柱边沿相碰，构成新的接地点；下夹件与 铁扼阶梯问的木垫块受潮或表面不清洁，附有较多的油泥，使其绝缘电阻值降为 8 第二章电力变压器的故障诊断 零时，构成了多点接地：油箱中落入铁钉、焊条头等金属异物使铁心叠片与箱体 沟通，形成接地；变压器安装完后未将油箱顶盖上用于运输的定位销翻过来或去 掉，构成多点接地。 2 ) 铁心过热故障 引起变压器铁心过热的故障原因有多方面，如绕组短路、过载运行、铁心本 身接地不良及异常接地、铁心片间短路或铁心局部短路、铁扼螺杆接地、铁心漏 磁、铁心局部短路、电源电压高、铁心冷却油道堵塞等。除上述之外，油循环不 畅或箱内油量少、油劣化，铁心叠片周围毛刺大，叠铁心片时缝隙不均等都可能 引起铁心过热故障。铁心局部过热故障部位基本上都在铁心和夹件上。如果运行 中的变压器出现铁心过热，特别是发生局部过热故障，将产生特征气体c h 4 、h 2 、 c 2 h 2 、c 2 h 6 ，色谱分析发现油中溶解气体组分含量超标。 ( 3 ) 分接开关故障 充油变压器无载分接开关常见的故障有：料上堆积油泥时，锈蚀使电阻增大， 当上分接头的相间绝缘距离不足且绝缘材若油泥受潮，在过电压下将发生相间短 路故障；若触头接触不良或因绝缘支架上的紧固金属栓接地断裂造成悬浮放电等 故障。充油变压器有载开关的故障主要有：因密封不严使雨水侵入而导致绝缘性 能降低；过渡电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，导致触头间的电弧引发故 障；因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置而造成短路；切换开关油室密封不严而 造成变压器本体渗漏；选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形等。 ( 4 ) 油流带静电故障 对于强迫油循环冷却的大型变压器，变压器油经油泵加速传到绕组内的冷却 油道，在油与固体绝缘界面上产生静电电荷的分离，使纸及纸板上积累负电荷， 流油中积累起正电荷。在电荷对地油漏与电荷中和的过程中，当某处电荷积累密 集且产生的场强超过了某一程度时，将会在油或固体绝缘表面上产生静电放电或 爬电放电，甚至使固体绝缘受损伤，最终导致绝缘故障。油流带静电的能量密度 通常较小，其故障特征气体组分中c 2 h 2 不一定能检测出来，但h 2 的变化比较明 显。 ( 5 ) 油和油纸绝缘故障 在充油变压器中，内绝缘的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸板、木块 9 第二章电力变压器的故障诊断 等主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些绝缘材料受环境冈素的影响将发生分 解而老化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。变压器在长期运行中，若固体绝 缘过度变热，水分从纤维素中脱离后将加速纤维材料脆裂，同时脆化后收缩使夹 紧力降低，可能引起收缩移动摩擦即损伤绝缘，在机械振动、电场力和操作波等 冲击力作用下常导致绝缘故障。固体绝缘的老化特性不可逆转，老化后的聚合度 和抗张强度都将逐渐降低，并生成c o 、c 0 2 和糠醛，使油纸绝缘的击穿电压和体 积电阻率降低，介质损耗增大【5 1 。变压器油中混入水分和杂质后，绝缘性能下降， 击穿场强降低，介质损耗增大，并加速油的氧化过程。变压器油在早期劣化过程 中生成的过氧化物与绝缘纤维素材料反应生成氧化纤维素，使固体绝缘脆化或收 缩；在后期劣化过程中，酸类侵蚀铜、铁、绝缘漆等生成油泥，粘附在固体绝缘 材料或油箱边缘，沉积在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐 压强度下降。当变压器的工作温度升高时，固体绝缘的纤维素要发生解环、断链， 伴随产生的c 0 2 、c o 产气率往往呈指数规律增大；固体绝缘所含的水分将加速纤 维素降解。通常，当温度升高时，固体绝缘内的水分向油中析出，油中微水含量 增多，导致油的火花放电电压降低，介质损耗增大，造成变器油劣化。 ( 6 ) 放电故障 导致变压器绝缘失败的基本模式有过热、局部放电、火花放电及电弧放电， 并可能涉及到固体绝缘结构的故障。通常，按放电的能量密度将变压器内部的放 电故障分为局部放电、火花放电和电弧放电三类。 1 ) 局部放电故障 局部放电故障是引起火花放电或电弧放电故障的前兆。当变压器在制造或运 行时，油中存在气泡，固体绝缘材料中存在空穴式空腔，某些部位存在尖角、毛 刺、漆瘤，金属部件或导体之间接触不良等都会引发局部放电。局部放电的能量 密度可用放电产生的油中溶解气体组分含量来辩识：能量密度在1 0 - 9 以下时，总 烃不高，主要气体组分为h 2 占总烃的8 0 一- - 9 0 ，其次是c h 4 ：能量密度在1 0 - 8 l o _ 7 时，h 2 含量相应降低而出现c 2 h 2 ，但c 2 h 2 在总烃中不到2 ，这是电弧放 电和火花放电区别的主要标志。放电的部位通常在固体绝缘内的空穴、电极尖端、 油角间隙、油与绝缘纸板中的油隙或油中沿固体绝缘的表面等处。局部放电的能 量密度不大，一旦发展将会形成高能量放电，并导致绝缘击穿或损坏。 1 0 第二章电力变压器的故障诊断 2 ) 火花放电故障 火花放电一般是低能量放电，即一种间隙性放电。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。调压绕组在分接开关转换极性时的短暂问，套管均压球和无载 分接开关拨叉等高电位处，铁心叠片磁屏蔽及紧固螺栓与地连接松动脱落等低电 位处，以及高压套管端部接触不良等均会形成悬浮电位而引起火花放电。同时， 变压器油中的水分多、受潮的纤维多等也将形成杂质“小桥”而引起火花放电。 火花放电引起的油中溶解特征气体的主要组分是c 2 h 2 、h 2 。因放电能量小，一 般总烃含量小，但油中溶解的c 2 h 2 在总烃中所占比例可达2 5 - - 9 0 ，h 2 占氢烃 总量的3 0 以上。 3 ) 电弧放电故障 电弧放电又称高能放电。其特点是产气急剧而且量大，放电能量密度大、容 易导致绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，金属材料变形或熔化【6 1 。变压器绕组匝间绝缘 击穿、引线断裂或对地闪落、分接开关飞弧等，将引起电弧放电故障。出现电弧 放电故障后，油中溶解气体的主要组分是h 2 、c 2 h 2 ，其次是c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 ， 一般h 2 占氢烃的3 0 9 0 ，c 2 h 2 占总烃的2 0 7 0 ；若电弧放电故障波及固体 绝缘时，油中溶解气体还有c o 、c 0 2 组分。 2 2 变压器故障诊断方法 从目前来说，传统的变压器绝缘故障的诊断方法主要有变压器油中溶解气体 分析法和电气检测法，本文这里主要介绍变压器油中溶解气体分析法。利用气相 色谱法测定变压器油中溶解气体的含量，并利用其特征气体含量判断充油电气设 备内的潜伏性故障，据此监视变压器的运行状况，对其安全运行起到了非常重要 的作用。d l t5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程把油中溶解气体色谱分析 放在了变压器预防性试验项目的首位 7 1 。由此可见，油中溶解气体色谱分析在变 压器的安全运行和故障判断中都占有相当重要的地位。 2 2 1 变压器油中溶解气体的来源 变压器油主要由烃类组成，作为一种良好的介质，在变压器中主要用来绝缘 第二章电力变压器的故障诊断 和散热。但是，当设备中存在故障时，如发热、放电，导致变压器油中部分烃类 物质的c h 、c c 键的断裂【8 】，伴随着生成少量和不稳定的氢原子和碳氢自由基， 这些氢原子和自由基通过化合生成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、 乙炔等 9 】o 固体绝缘材料的分解也是气体来源的途径之一，变压器铁芯包含有大量的绝 缘纸板，绝缘纸板在温度高于1 0 5 就会发生裂解，高于3 0 0 。c 就会完全裂解和 碳化，裂解的过程中产生水的同时还生成大量的c o 、c 0 2 和极小量的烃类气体 【1 0 1 。 在某些情况，有些气体来源可能是因为非故障因素造成的，比如一些变压器 由于制造工艺或所用的绝缘材料等原因，在运行初期往往造成h 2 、c o 和c 0 2 增长较快；再如有载开关小油箱向变压器主油箱发生渗透而造成乙炔超过注意值 的现象时有发生。 另外，正常运行的变压器由于固体绝缘材料、变压器油的老化也是气体的来 源途径。 2 2 2 成分超标分析法 在实践中，可根据变压器油中产生气体成分超标的情况来判断变压器的故 障： ( 1 ) 若单项f 1 2 超标，而其他气体成分增加不明显，多为油纸绝缘受潮【l l 】； ( 2 ) 若单项c 2 h 2 超标，且增长速率较快，可能是存在高能放电性故障， 如电弧、多点接地短路、悬浮放电等； ( 3 ) 若c o 和c 0 2 含量明显增长时，应该结合总烃含量是否超标来综合判断， 不能认为是油老化故障。固体绝缘物质在正常老化过程中也会产生大量的c o 和 c 0 2 ，但并不能说变压器一定有故障【1 2 】。 2 2 3 根据特征气体分析判断 特征气体可以判断变压器油、绝缘纸的热分解的性质，变压器的各种故障所 产生的气体种类和组分都不一样。正常情况下，变压器的油纸绝缘也会逐渐老化 和分解，产生少量的各种低分子烃( c h 4 、c 2 h 2 等) 及c o 、c 0 2 等气体【1 3 】。在 1 2 第二章电力变压器的故障诊断 热性故障中，当只有热源处绝缘油分解时，特征气体c h 4 和c 2 h 4 两者之和一般 占总烃的8 0 以上，并且随着故障点温度的升高，c 2 h 4 所占比例还会增加。一 般高、中温过热时，i 1 2 占总烃的2 7 以下，并且随着温度升高，h 2 的绝对含量 有所增长，但其所占比例却相对下降。严重过热时也会产生少量c 2 h 2 ，但不会 超过总烃的6 t 1 4 】。当过热涉及固体绝缘时，除了产生上述气体之外，还会产生 大量的c o 和c 0 2 。因此，通过检测油中不同的气体组分及含量可以初步判定故 障的类型( 如表2 1 ) 。 表2 - 1变压器油溶解气体组分与故障判断 主要气体组分次要气体组分故障类型 h 2进水受潮或油中有气泡 c o 、c o ：油老化 c l - hc 。l - h油过热 c h 。、c 2 h 。、c o 、c 0 2h 孙c ：h 6油和纸严重过热 h ：、c h 4 c 2 h 2 、c o 、c 2 h 6油纸绝缘局部放电 c h 4 、c 2 h 2 、h 2油中火花放电 h ：、c ：h ：、c i lc ：h 4 、c ：h 。油中电弧 h 。、c 。h ：、c o 、c o 。c l - h 、c ：h 。、c ：h 。油和纸中电弧 2 2 4 三比值法判断 对变压器油的热力学研究结果表明，随着故障点温度的升高，变压器油裂解 产生烃类气体按c h 4 一c 2 h 6 一c 2 h 4 一c 2 h 2 的顺序推移，并且h 2 是低温时由局部放 电的离子碰撞游离所产生的【1 5 】。基于上述观点，产生了c h 4 h 2 、c 2 h 6 c h 4 、 c 2 h 4 c 2 h 6 、c 2 h 2 c 2 h 4 四比值法。由于在四比值法中c 2 h 6 c h 4 的比值只能有限 地反映热分解的温度范围，于是i e c 将其删去而推荐采用三比值法。随后，在大 量应用三比值法的基础上，i e c 对与编码相应的比值范围、编码给合及故障类型 分别进行了改良，得到了改良三比值法。三比值法与改良的三比值法具有相同的 编码规则( 见表2 2 ) 1 6 】，但在故障类型的分类与判断上有差别，表2 3 和表2 4 第二章电力变压器的故障诊断 分别为三比值法和改良的三比值法故障类型对照表【1 - r 。 三比值法的原理是：根据设备内绝缘油质在故障下裂解产生气体组分的含量 与温度的互相依赖关系，从5 种特征气体中选用两种溶解度和扩散系数相近的气 体组分组成三对比值，以不同的编码表示【1 8 】。这种方法消除了油的体积效应的影 响，是判断设备故障类型的主要方法，并可以得出对故障状态较为可靠的诊断。 表2 2 三比值法编码规则 比值范围编码 特征气体的比值 c 2 h 2 c h 4c h 4 h 2c 2 h 4 c 2 h 6 3221 表2 3 三比值法故障类型对照表 比值范围编码 序号故障性质 c 2 h 2 c h 4c h 4 h 2c 2 h 4 c 2 h 6 o 无故障 o 0 0 1 低能量密度的局部放电 010 2 高能量密度的局部放电 110 3 低能量的放电1 2 o 1 2 4 高能量的放电 102 5 低温过热( 1 5 0 ) o01 6 低温过热( 1 5 0 3 0 0 。c ) 02o 7 中温过热( 3 0 0 7 0 0 。c ) 021 8高温过热( 7 0 0 。c )02 2 表2 4 改良三比值法故障类型对照表 1 4 第二