（电力系统及其自动化专业论文）电力变压器状态评价方法的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力变压器状态评价方法的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他 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：) 野墨邀 日期：丝生兰：笙 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：0 学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 翩签名：邋墨出璺郁) 日期：丝么皇叁拦 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电力变压器是电网传输电能的枢纽，而电力变压器状态评价是保障电力 系统安全可靠运行的前提和基础。本文对电力变压器的故障规律和模式进行 了分类分析，提出了一种具有可信度的b p 神经网络应用于变压器故障诊断， 并在此基础上建立了电力变压器故障树，进行了故障可能性等级评价。在比 较b p 神经网络技术和d s 证据理论各自存在的优缺点的基础上，提出了b p 神经网络和d s 证据理论相结合的分层式信息融合的变压器状态评价方法， 通过实例表明了该方法具有较高的准确性和可靠性。 关键词：电力变压器，状态评价，b p 神经网络，故障树，d - s 证据理论 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri st h eh u bo ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a tt h es r i t i e t i m ep o w e rt r a n s f o r m e rs t a t u se v a l u a t i o nw h i c hp r o t e c t st h ep o w e rs y s t e mw h i c hm u s t b es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o ni st h ep r e m i s ea n df o u n d a t i o n i nt h i sa r t i c l ep o w e r t r a n s f o r m e rf a u l tr u l e sa n dm o d e sa r et a k e nt oc l a s s i f i c a t i o na n a l y s i s ，a n dab pa n n w i t hc r e d e n c ef o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sm e t h o di sp u tf o r w a r d ，b a s e do nt h e s e e s t a b l i s h e dp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l tt r e e , a n dt o o kt h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yl e v e l e v a l u a t i o n a f t e ra n a l y z i n gs h o r t c o m i n go fn e u r a ln e t w o r ka n dd se v i d e n c et h e o r y r e s p e c t i v e l y , w ed e v e l o p am e t h o do fh i e r a r c h i c a li n f o r m a t i o nf u s i o nc o n d i t i o n e v a l u a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r ka n dd se v i d e n t i a lt h e o r y , a n dp r o v e dt h a tt h e m e t h o dh a sg o o dv e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd i a g n o s i s h u ij i n g ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：p r o f l uf a n g c h e n g k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ，c o n d i t i o ne v a l u a t i o n ，b a c kp r o p a g a t i o n n e u r a ln e t w o r k ，f a u l tt r e e ，d - se v i d e n c et h e o r y 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状概述：2 1 2 1 电力变压器状态检测手段研究现状2 1 2 2 电力变压器状态评价研究现状4 1 3 本论文的主要工作6 第二章电力变压器故障模式及监测技术7 2 1 电力变压器的结构及分类7 2 2 不同时期变压器的故障演变9 2 3 不同时期电力变压器故障宏观规律研究1 0 2 4 变压器故障分类及分析1 1 2 4 1 短路故障1 l 2 4 2 铁芯故障1 2 2 4 3 分接开关故障1 2 2 4 4 引线故障。j 1 3 2 4 5 套管故障l3 2 4 6 绝缘故障l3 2 4 7 密封不良1 4 2 5 变压器运行状态的主要测试与监测手段1 4 2 5 1 直观检查方法1 5 2 5 2 电气预防性试验方法1 5 2 5 3 绝缘油简化试验l6 2 6 变压器在线监控技术l7 2 6 1 油中溶解气体的在线监测1 7 2 6 2 变压器局部放电的在线监测l8 2 7 小结。18 第三章基于改进b p 神经网络的变压器故障诊断方法19 3 1 加动量项b p 算法1 9 3 1 1b p 算法的原理及存在的不足1 9 3 1 2 加动量b p 算法2 1 3 2 给出可信度的b p 神经网络2 1 3 3 神经网络应用于变压器故障诊断2 3 3 3 1网络训练效果2 3 3 3 2 故障变压器的诊断2 4 4 结论2 5 第四章基于故障树的电力变压器状态评价体系2 6 4 1 故障树分析法简介2 6 4 1 1 故障树分析法中的概念和符号2 6 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 2 故障树分析法的特点2 8 4 1 3 故障树的数学表示2 8 4 2 电力变压器故障树的构建2 9 4 2 1 故障树分析法步骤3 0 4 2 2 故障树建立基本方法3 0 4 2 3 故障树的定性分析：31 4 2 4 故障树的定量分析31 4 2 5 变压器故障树的构建3 2 4 3 电力变压器状态评价等级与维修策略3 5 4 4d 、结3 6 第五章基于人工神经网络的电力变压器状态综合评价3 7 5 1 人工神经网络3 7 5 1 1 人工神经网络基本知识3 7 5 1 2 人工神经网络结构3 7 5 1 3 前向分层神经网络3 9 5 1 4 人工神经网络的算法4 0 5 2d s 证据理论4 2 5 2 1d s 证据理论的基本内涵4 2 5 2 2d s 证据理论改进的合成规则4 4 5 2 3d s 证据推理信息融合决策的基本过程。4 4 5 3 分层式信息融合的变压器状态评价模型4 5 5 3 1 评估模型的提出4 5 5 3 2 分层式信息融合的变压器状态评价模型4 6 5 4 实例验证4 6 5 5 变压器的运行维护及事故预防4 7 5 5 1 变压器的运行巡视4 7 5 5 2 变压器维护4 8 5 6 j 、结。4 9 第六章结论5 1 参考文献5 2 致谢5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究的目的和意义 大型电力变压器是电网传输电能的枢纽，其安全可靠性是保障电力系统可靠运 行的必备条件，随着电力系统规模和变压器单合容量的不断增大，其故障对国民经 济造成的损失也愈来愈大。 随着社会生产的不断发展，尤其是人民生活对电能的需求逐步提高，电力生产 向着集约化、自动化、信息化、乃至智能化大系统管理和控制自动化发展，各种用 电设施对供电质量的要求也随之提高。电力系统的生产和供销特点决定发电、供电 和用电过程将构成不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导 致整个系统的崩溃。如何保证供电质量，提高供电可靠性，便成为供电部门面对的 一个严峻问题。1 9 9 1 2 0 0 0 年间，我国主要电网有近1 3 的电网事故的直接起因是 设备自身故障所造成的，而在“八五 期间，由设备故障直接引发的电网事故占事 故总量的2 6 3 ，可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键【l 】。 电力系统主要是通过预防性试验p t ( p r e v e n t i o nt e s t ) 定期维修t b m ( t i m eb a s e 。? m a i n t e n a n c e ) 来实现变压器的良好的运行状况的判断。然而，作为变压器维修的常 用方式，预防性试验和定期维修【2 ，3 】主要存在以下5 个方面的问题： ( 1 ) 浪费了大量的人力和物力； ( 2 ) 增加了变压器的停电次数和时间，造成了频繁的运行操作，使得误操作的 可能性增大； ( 3 ) 过度维修造成设备的频繁拆卸，增加了在维修过程中产生新的设备隐患的 可能性； ( 4 ) 维修后按要求进行的耐压等试验也会对变压器造成不可逆损伤，使得其总 体寿命下降； ( 5 ) 事故维修也增加了变压器的维修难度和维修费用。 从国内外的研究情况来看，对变压器的状态检修工作的研究已经取得了一定的 成果，但是从总体来说，主要集中在对电气或机械方面的具体参量进行监测和一些 宏观的基于单一或少量参量的状态检修法，还缺乏一种行之有效的方法来表征变压 器运行状态和各种试验、运行条件、设备历史信息等之间的综合关系。因此，为了 使得变压器的运行状态得到准确地反映，必须以这些反映变压器状态的参数或参数 处理结果作为评价变压器状态的指标，同时通过一种有效的评价方法得到的评估结 华北电力大学硕士学位论文 果可以准确地反映各功能单元和整体的健康状况，以便对故障预测和防范、合理安 排检修计划和检修重点。因此，本文选择电力变压器状态评价作为研究内容，具有 重要的理论意义和实用价值【3 1 。 1 2 国内外研究现状概述 总的来说，在变压器故障诊断中应用较多的是传统的油中溶解气体分析法 ( d g a ) ，如i e c 推荐的三比值法，r o g e i s 法等，并引入了专家系统、人工神经网 络、模糊数学、进化算法等对变压器进行诊断，取得了一定的成果。近年来，我国 各种形式的绝缘在线监测装置及系统已相陆续进入电网投入运行，同时在电力系统 中捕捉到了一些典型故障【4 5 】。 1 2 - 1 电力变压器状态检测手段研究现状 ( 1 ) 油中溶解气体分析 目前电力系统大型变压器大多是以精炼矿物油作为绝缘和冷却的介质，变压器 及其他充油电气设备在运行过程中不可避免要受到热、电和机械应力的作用，导致 变压器中的绝缘油，绝缘纸等一些材料发生分解产生一氧化碳、二氧化碳、低分子 烃类等分解产物，油中会溶解这些气体。不同类型的故障及不同严重程度的故障产 生气体的类型和浓度是不同的，其中一些气体能反映变压器故障的情况，通常称这 些气体为特征气体，它们是h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c o 、c 0 2 。根据油中气 相色谱分析获得油中特征气体的浓度能够判断变压器的故障状况，变压器油中溶解 气体分析( d i s s o l v e dg a s i n o i la n a l y s i s ，简称d g a ) 就是根据气相色谱方法获得油中 各种特征气体的浓度，然后根据获得的各种气体浓度判断故障的一种方法。由于油 中溶解气体分析方法对于判断慢性局部潜在性缺陷十分有效，而且该方法无需停电 试验，方便用于在线监测，因此，在1 9 9 7 年颁布执行的电力设备预试规程中，把 变压器油中溶解气体分析被放到了首要的位置。 但该方法对突发性故障的效果不大，因为突发性故障速度过快，色谱检测会来 不及反映。同时也不能仅仅根据色谱中气体浓度超标或产气速率超标就判定变压器 有故障，应该结合三比较和气体检测项目进行。 油中溶解气体分析不仅仅对油浸的变压器有效，对其他的高压充油电气设备都 可以使用该方法进行故障诊断。 ( 2 ) 脉冲电流法 通过检测阻抗来检测变压器套管末屏接地线、铁心接地线、外壳接地线以及绕 组中局部放电引起的脉冲电流，获得一些局部放电的基本量( 如：视在放电量、放 电相位以及放电次数) 。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，i e c 对此制 2 华北电力大学硕士学位论文 定了专门的标准。脉冲电流法的检测灵敏度随着试品电容增加而下降，其在实验室 内的测量精度极限为1 0 0 0 x c ，其中c 为所检测试品的e g 容量。在测量大容量电容 器时，有时会出现灵敏度下降到无法进行检测的地步；还由于测试频率低、频带窄， 一般设置频带小于1 m h z ( i e c 6 0 2 7 0 标准我国国家标准的推荐检测频带为数k h z 到数百k h z ) ，这样得到的信息量会较少；被电磁干扰严重。 该方法灵敏度很高；可以定量测量局部放电的特征参数；还可以与声信号一起 通过电一声的定位方法确定局部放电的位置等。 ( 3 ) 超声波法 利用固定在变压器箱壁上的超声波传感器来接收变压器内部局部放电产生的 超声波，来检测局部放电的大小和位置。由于超声法受电气干扰小以及它在局放定 位上的广泛应用，因此人们对超声法的研究较深入。近年来，由于声一电换能器效 率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高，尤其是 在大容量电容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。该方法具有避 免电磁干扰影响；方便定位；在线检测与离线检测的结果相同等优点。但由于超声 波在变压器内部的传播过程是一个很复杂的过程，造成在一些情况下定位实验不能 成功；目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一 种辅助测量方法。 超声波法用于检测变压器绝缘中发生的局部放电。 ( 4 ) 超高频检测法t 局部放电信息被检测变压器局部放电的超高频电磁波信号获得。在变压器局部 放电测量时，现场干扰信号的频谱范围一般小于3 0 0m h z ，且在传播过程中衰减很 大，若检测局部放电产生的数百m h z 以上的电磁波信号，则可有效避开电晕等干 扰，大大提高信噪比。正是由于超高频法的特点及变压器箱体的屏蔽效果，使其测 量变压器抗干扰能力优于目前的传统局部放电检测法，利于变压器局部放电的在线 监测。但该方法需设计专用的超高频传感器，且传感器一般需要预埋或伸进变压器 油中。 超高频检测法用于检测变压器绝缘中发生的局部放电。 ( 5 ) 超宽频带( u w b ) 检测法 在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测，其具有测量频率高、频带宽、信 息量大等优点，可以较全面地研究局部放电的特性，是基于超高频基础上检测频带 的拓宽，检测频率可达数g h z ，实质是一种超宽频带的u h f 检测法。近年来对于 局部放电进行超宽频带的研究仍处于探索阶段，需要研究解决的技术关键：局部放 电u w b 传感器技术、u w b 局部放电信号实时采集技术和噪声干扰抑制技术等。 3 华北电力大学硕士学位论文 超宽频带( u w b ) 检测法用于检测变压器绝缘中发生的局部放电。 ( 6 ) 介质损耗和电容量 电容型设备的绝缘特性在交流电压作用下如图1 所示。流过介质的电流j 可看 成由电容电流分量1 饼和有功电流分量麟两部分组成，通常i c x i r x 。介质的损耗 由于机理不同，可分为漏导损耗、极化损耗和局部放电三种基本形式。介质损耗角 正切值( t 锄j ) ，也称介质损耗因数( d i e l e c t r i cd i s s i p a t i o nf a c t o r ) ，简称介损，是反 映绝缘介质损耗大小的特征参量。材料的特性决定t 锄j ，与材料尺寸、形状无关， 所以t 枷能有效的反映设备整体绝缘状况。此外，从绝缘特性看，流过介质的电流 ，及介质电容量c x 也是反映设备绝缘状况的重要特征参数，综合监测t a n , 多、，和c x 可以更为全面地了解绝缘状况。 目前检测的方法主要：基于电桥平衡原理获得介损，对施加于绝缘中的电压和 流过绝缘的电流波形分析获得介损。目前在线介损测量的主要问题是现场的各种干 扰，这导致测量所得介损结果波动比较大，还有就是缺乏对在线测量结果获得有效 的诊断方法。 介质损耗和电容量的测量能有效地发现绝缘下列缺陷： 受潮：电导增加，介损增大，损耗增加。 穿透性导电通道，介损增大，电流增加。 绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳，介损增大，放电消耗能量。 绝缘老化劣化，绕组上附积油泥。 绝缘油脏污、劣化等。 但对下列的故障效果较差( 介损影响不大) ： 非穿透性的局部损坏。 很小部分绝缘的老化和劣化。 个别的绝缘弱点。 介质损耗和电容量检测法多被用于检测变压器套管中发生的故障。 1 2 2 电力变压器状态评价研究现状 近年来，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也不断提高，定期维修制度和离 线试验存在很多的问题，因此，变压器状态维修的研究和应用得到了人们的关注。 且随着状态维修理论的深入研究和应用，设备状态综合评估开始得到了关注。变压 器是电力系统中最重要的电气设备，国内已经开始研究其状态评估问题。近年来， 变压器的评估方法大致有以下几类o 】： 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 设备评分法：根据设备的运行工况、缺陷、检修、预试状态、家族质量史、 在线检测等状态信息，进行健康状态评分，分值为0 1 0 0 分，0 分表示设备需要立 即维修；1 0 0 分则表示所有预试验数据均远离注意值或与优质产品的出厂值相近， 且既没有经历不良的工况，又没有家族质量缺陷史，即设备完全处于正常状态，无 需维修；其它情况的状态评分介于o 1 0 0 之间。由于这种方法采用静态和动态的 分值进行评判设备状态，但是动态分值仅仅使用简单的比值法，将不利于对未来检 测数据的判断。因此，这种方法有待改进。 ( 2 ) 模糊数学法【l5 】：该方法的基本思想是把指标体系中每个指标得到的评估值 经模糊评判的规范化处理后，得出一个隶属度向量，对所有指标的隶属度向量进行 合成运算，求出评估对象的综合评定结果。变压器状态评估是一个多因素共同作用 的评估，而各种因素对整个系统的影响又带有一定的模糊性，因此运用模糊数学来 评判具有重要的现实意义。但是由于模糊数学隶属函数的确定实质上是将模糊度精 确化了，因而获取隶属度带有一定的人为性。 ( 3 ) 贝叶斯网络法：鉴于电力变压器状态信息和知识具有随机性和不确定性，该 方法运用贝叶斯网络，通过不断积累完善训练样本，自动修正网络结构参数和概率 分部参数，从而提高变压器的状态评判。但是，这种方法运算量十分大，并且计算 过程复杂，不利于在实际系统中应用。 ( 4 ) 灰色层次分析法：通过计算变压器状态信息间的关联系数和关联度，灰色层 次分析法从整体上和动态上定量分析了状态信息间的关联程度和影响程度，为确定 变压器状态发展变化的主要因素提供数据依据。 ( 5 ) 物元理论法：物元理论主要是研究事物变化条件、规律及可变性，探索使事 物转化的方法，用于研究不相容问题的定性部分。为了定量描述事物，建立了可拓 集合论。可拓集作为物元分析的数学工具，用关联度来描述，将模糊集的 o ，l 】区间 拓展到( 一，+ o o ) 整个实数轴，描述事物变化区间的特征，从而能够对变压器的运 行状态进行定性分析和定量计算。这种方法突出的优点是：方法简单、实用，能够 被有效地运用于实际系统中。 ( 6 ) 证据推理法：“证据 是经验和知识的一部分，先确定证据对每一命题的支 持程度，再根据d s 理论中证据合成规则，计算出它们的共同作用对每一命题的支 持程度。证据理论被认为是一种重要的不确定性推理方法，其合成规则能够有效的 知识和不确定结论，形成综合评价。该方法运用于变压器的状态评估中，取得了一 定的成果。 ( 7 ) 神经网络法【1 1 , 1 4 】：人工神经网络是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息 处理过程，具有强大的自学功能和数据处理能力，且能映射高度非线性的输入、输 出功能，因此可以很好地逼近状态信息到变压器运行状态的映射，在变压器的状态 s 华北电力大学硕士学位论文 评估中有着广泛的应用。 1 3 本论文的主要工作 通过分析电力变压器状态评价方法的国内外研究现状，同时结合我国实施变压 器状态维修的迫切需要，针对目前变压器状态评价方面存在的一些问题，为了避免 在变压器故障模式的分析研究过程中受主观因素的影响，对电力变压器故障模式的 分类、分析、状态综合评价体系，主要进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 深入分析电力变压器的结构和故障规律，同时对各种故障模式进行分类 分析，并详细具体地描述引起故障的原因、故障征兆以及故障影响，针对每种故障 提出相对应的检测方法和维修策略。然后分别介绍检测和诊断变压器的3 种方法的 原理：直观检查、电气预防性试验和绝缘油简化试验，其中后两种方法用于综合评 判复杂的变压器内部故障。 ( 2 ) 研究基于改进人工神经网络的电力变压器故障诊断方法，提高变压器故 障诊断的准确性。 ( 3 ) 基于故障树，分析局部对整体影响的程度，找到系统薄弱环节的方法一 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，f t a ) 。但电力变压器的结构、功能以及故 障间相互关系的复杂性，为故障树的分析带来了困难。本部分以故障模式及故障可 能性为支持的电力变压器故障树分析方法，通过对故障模式发生原因和影响的分 析，辅助建立电力变压器故障树，再进行树的定性分析工作，建立电力变压器状态 评价体系。 ( 4 ) 在深入研究神经网络和信息融合技术的基础上，针对变压器状态信息繁 多而复杂的特点，提出了一种人工神经网络( b p ) 和d s 证据推理相结合的分层式 信息融合的变压器状态评估模型。该模型能够有效地克服局部测量参数的失真，采 用信息融合的方法可以综合利用各种有用的变压器状态信息，以神经网络和d s 证 据理论相结合，充分发挥出信息融合的优势。结合现场实际，根据变压器的状态合 理地安排维修周期，避免出现维修不足或维修过剩的情况。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障模式及监测技术 根据论文研究的目标和任务，本章主要进行了电力变压器结构及分类，电力变 压器故障分类及分析，电力变压器运行状态测试与监测手段的研究。 2 1 电力变压器的结构及分类 电力变压器，由于其在电力系统中的重要作用被称之为电力系统的心脏。由于 电力变压器故障的多样性，再加上故障的原因非常复杂且不明显，使得要准确地判 断电力变压器故障性质及故障发生部位变得相当困难。 为防止在变压器故障模式的分析研究过程中受到主观因素的影响，建立一个较 为科学的电力变压器故障模式分类体系，首先就需要对电力变压器的构造和故障规 律做深入了解。 电力变压器的结构由变压器本体和变压器附件这两大部分构成，如图2 一l 所 示。变压器本体的主要部件包括以下几个部分：由线圈、铁芯及其夹紧装置等构成 的变压器器身；用于变压器器身冷却、绝缘和防腐作用的变压器油；容纳变压器器蹴 身和变压器油的油箱。变压器附件是指：变压器套管；变压器油枕；有载分接开关；j 变压器冷却系统；变压器本体保护装置及其测示仪表等。 变压器有不同的使用条件和安装场所，有不同的电压等级和容量级别，有不同 的结构形式和冷却方式，所以按不同原则进行分类，分类的结果也不同。如果将变 压器按用途的不同进行分类，可分为：电力变压器、电炉变压器、整流变压器、调 压变压器、各种小型电源变压器以及各种特殊用途变压器。其中电力变压器是电力 系统中用以改变电压的主要电气设备，它是所有类型变压器中用途最广的一种变压 器，它还包括许多类型【1 2 j 。 按照电力变压器冷却和绝缘介质的不同，可归纳为三大类： 1 ) 油浸式电力变压器：采用矿物油作为冷却和绝缘介质； 2 ) 气体绝缘电力变压器：采用人工合成的气体作为冷却和绝缘介质； 3 ) 干式电力变压器：采用空气作为冷却和绝缘介质。 7 华北电力大学硕士学位论文 铁 心 变压器 本体 掣m 载 流 系 统 附件 引到唑到掣唑 驯i | | 油ii 温 并i i | | | 刿雕 图2 - 1 电力变压器的结构组成图 按照电力变压器的结构又可以大致分为： ( 1 ) 密封式电力变压器：变压器内部介质与外部大气相隔绝，与之对应的是非密 封性变压器。 ( 2 ) 双线圈电力变压器：只包括高、低压两个线圈的变压器，结构上比较简单是 变压器的基础结构。 ( 3 ) 多线圈电力变压器：每相有两个以上线圈，分别连接到电压等级不同的线路 上，常见的为三线圈变压器，既有高压、中压和低压三组线圈。 ( 4 ) 有载调压电力变压器：装有有载调压分接开关，能在运行中带负载进行调压 的变压器。 ( 5 ) 自耦电力变压器：至少有两个线圈具有公共部分的变压器，线圈之间除了磁 耦合外，有电路上的直接连接，因此与同容量的双线圈变压器相比，结构尺寸比较 小。 按照电力变压器的使用要求又可分为： ( 1 ) 发电机用变压器：低压侧与发电机母线相连，高压侧与输电线路相连的升压 变压器，是发电厂的主变压器。 ( 2 ) 联络变压器：变电站或发电厂用于连接两个电压不同的输电线路，并可以按 照电力潮流的变化，每侧都可以作为一次或二次侧使用的变压器。 ( 3 ) 升( 降) 压变压器：是指将一种电压等级升( 降) 到另一种电压等级的变压 器。 目前，绝大多数的电力变压器仍是油浸式变压器。 高，多 2 2 不同时期变压器的故障演变 电力变压器事故与生产工艺和运行环境等密切相关，因为不同历史时期设计的 电力变压器构造特点不同，所以由此引发变压器故障类型也在逐渐变化，国产大型 电力变压器在不同历史时期主要的事故原因如下。 2 0 世纪7 0 年代，因为电力变压器电压等级提高，高压绕组结构由连续式改为 纠结式，相邻匝间的工作场强由原来的2 0 0 - - 。3 0 0 v m m 升高到2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 v m m ， 设计仍然采用较薄的绝缘结构，加之铝导线制造工艺不佳，导致在正常运行条件下 匝间短路事故屡有发生。1 9 7 8 年原机电部规定将2 2 0 k v 等级变压器的匝绝缘由 0 9 5 - 1 3 5 m m 提高到1 9 5 m m ，才使得匝间短路事故大幅度的降低。 2 0 世纪8 0 年代初，由于电力变压器套管的“将军帽 密封结构不合理，沿穿 缆引线进水，造成引线应力锥受潮，进而波及到首端线段绝缘，引发击穿事故的情 况发生较多。仅仅1 9 8 0 , - , - , 1 9 8 9 年间东北电管局直属厂局就有6 次绕组事故是因为 该原因引起的，占总事故率的2 3 。此后，制造厂改进了“将军帽 的结构，基本 杜绝了这类事故的发生。 2 0 世纪8 0 年代中、后期，长垫块引起的围屏放电事故逐渐呈增加的趋势。 1 9 8 4 - 1 9 8 9 年间东北电管局围屏放电事故占总事故率的3 0 8 ，同期全国其他局也 相继报道了多起类似的事故。围屏放电不但会使高压侧相间绝缘受到严重损坏，而 且由于此类故障发生后会产生相间或相对地电弧放电，极易引起油箱变形，乃至于 引起火灾，危害很大。引发此类事故的主要原因，( i ) 是结构设计不合理，局部场 强过高；( 2 ) 是绝缘纸板受潮，沿面放电电压降低。 1 9 8 9 年以来，5 0 0 k v 电力变压器由于油流带电而引发的事故逐渐增多，根据 1 9 9 6 年资料统计，在国产5 0 0 k v 电力变压器事故中有5 8 3 与油流静电有关。统计 发现，油流电荷量与电力变压器的结构特点有关系，由于问题的复杂性很难把它作 为一种单一因素来判断事故的原因。据目前的情况来看，降低油流速度是避免油流 静电的有效措施之一。 近年来，系统短路冲击强度随系统容量的增大而不断增强，甚至达到设备难以 承受的程度，变压器抗短路能力不足已成为突出问题。1 9 9 4 年全国1 1 0k v 及以上 等级变压器因系统短路引起的损坏事故达2 1 台，容量为2 4 7 1 m v a ，占当年事故总 台数的3 7 ，总容量的4 5 。有的新变压器经外部短路1 - 2 次即遭损毁，其中以双 绕组变压器的低压绕组和三绕组变压器( 三次绕组无负载) 的中压绕组损坏尤甚。 9 华北电力大学硕士学位论文 恶劣的环境和苛刻的运行条件，以及长期超过技术规定所允许的范围运行，往 往是直接导致故障的起因，不同运行条件导致的各种故障如表2 - 1 所示。 表2 - 1 运行和环境条件等引起的电压器故障分析表 运行条件条件特性 原因 引起的故障 经常过载 绕组过热、绝缘老化、分接烧毁 负载条件工作过程停运时间长绝缘受潮 特性操作过电压或雷电过电压主绝缘、纵绝缘损伤或击穿 系统近区短路 绕组变形、绝缘损伤、绕组及分接开 关过热烧蚀 工作现场 高温 过热、绝缘老化 特点低温外绝缘及橡胶垫圈劣化 有害气体结构件、外绝缘腐蚀 环境条件 地理、气 高湿度绝缘受潮、击穿 象特点海拔 1 0 0 0 m允许温升降低 污染情况污秽、粉尘 套管表面绝缘电阻降低，泄漏电流增 加 以上的统计数字还不包括在变压器检修过程中发现和消除的缺陷。由此不难看 出电力变压器事故的多样性，一个矛盾解决后，原来的次要矛盾就会上升为主要矛 盾；同时不同厂家的产品在不同的运行条件下，发生事故的原因也会有所不同。鉴 于这些情况，就要求相应的故障诊断方法也必须不断地改进完善，形成动态的电力 变压器状态评价体系迫在眉睫。 2 3 不同时期电力变压器故障宏观规律研究 电力变压器从设计制造、运输安装、运行维护，到大修技改直至退役报废，全 过程的每一环节都会形成表征其状态的一系列信息数据。这些信息数据综合反映了 电力变压器自身的状态，可以作为设备管理者决定其能否运行、是否需要停电维护 以及决定其退役报废的判据。 电力变压器故障宏观统计是反映设备故障率随时间变化规律的重要手段，变压 器的宏观统计规律表现为浴盆曲线，即故障率随着时间的变化呈两头高、中间低的 “浴盆 曲线形状。电力变压器的故障率随时间的变化可以线性化为三个阶段：初 期故障期、偶发故障期和磨损故障期。 ( 1 ) 初期故障期：变压器的初期故障期出现在设备使用的1 - 3 年，其特点是 1 0 华北电力大学硕士学位论文 故障率较高，且故障率随着时间的增加而迅速下降。变压器的初期故障通常是由于 设计、制造上的缺陷等原因引起的。例如设计不合理，使用材料不合格，装配不当， 焊接不良，质量检验不认真等造成的。 ( 2 ) 偶发故障期：在早期故障期之后是变压器的有用寿命期，称之为偶发故 障期。其特点是故障率低且稳定，故障的产生是随机的。偶发故障是由偶然因素引 起的，如技术参数突然超过极限值，工艺缺陷、材料弱点在偶然因素的激发下，维 护不良、操作失误，运行环境的突变等因素造成的。 ( 3 ) 磨损故障期：磨损故障期出现在变压器的有用寿命期的末期，其特点是 故障率随时间的增加而加大。磨损故障是由于变压器内部的物理变化、化学变化或 生物变化所引起的磨损、疲劳、腐蚀、老化、极化、损耗、阻抗增大、振动位移等 原因所造成的。 2 4 变压器故障分类及分析 按照电力变压器发生事故的部位可以分为绕组故障、铁芯故障、分接开头故障、 套管故障、绝缘油故障、冷却系统故障、保护与测示系统故障以及其他故障等 1 3 ，1 6 ，1 7 o 2 4 1 短路故障 电力变压器的绕组是变压器的心脏，是传输和变换电能的核心，是构成变压器 输入、输出电能的电气回路，同时也是变压器主要组成部分。变压器绕组故障是指 绕组中的故障，即发生在电力变压器线圈、纵绝缘和段子中的故障。故障模式可以 分为：绕组短路、绕组断路、绕组松动、变形、位移、绕组烧损。而其中绕组短路 又可分为：层间短路、匝间短路、饼间短路、股间短路。 变压器绕组中的故障主要表现在以下几个方面： 当用来绕制线圈的铜导线的棱表面有毛刺或棱的曲率半径较小的时候，因此 在运行中重复的电磁力作用在变压器上时，尤其是当变压器外部短路或合闸操作时 的电磁力冲击时，导线上的毛刺或者陡棱将会损坏绝缘进而造成线圈匝间的短路。 当变压器线圈的接头因焊接等致使质量欠佳的时候，线圈引出线和套管导电 杆连接不好，运行中的变压器由于接头过热从而导致局部绝缘劣化，严重情况下会 由于接头断开而造成绕组的断路。 当线圈的绝缘中渗入水分或器身干燥处理的不彻底的时候，则变压器在运行 中易发生匝问短路。 当运行中的变压器发生严重的外部短路时，在电动力和机械力的作用下，变 压器绕组的尺寸或形状将会发生不可逆转的变化。通常会表现为绕组轴向和径向尺 华北电力大学硕士学位论文 寸的变化、鼓包、绕组扭曲、器身位移和匝间短路等。因此绕组变形是目前变压器 稳定运行的一大隐患。 雷电冲击或对地弧光放电甚至冲击合闸等瞬变过程，可能会使得变压器绕组 薄弱处发生绝缘损坏甚至击穿。 严重的持续过载可以在整台变压器中引起高温，使得线圈绝缘变脆、脱落， 引起匝间短路，同时绝缘油因高温劣化，产生的油泥将沉积在油箱底部、线圈及铁 芯构件上，变压器也会因此散热不畅，并造成过热更加严重，最终导致变压器损坏。 2 4 2 铁芯故障 变压器的铁芯和绕组是传递和交换电磁能量的主要部件，要使变压器可靠运行，除 了绕组质量合格外，铁芯质量的好坏也是决定变压器能否正常运行的关键。磁路中的故 障，即出现在变压器的铁芯，铁轭及其夹件中的故障。统计表明，它在变压器事故所占 比例一直居高不下。 、 磁路中的故障主要表现在以下几个方面： 老式心变压器中，夹紧铁芯心柱和铁轭叠片的穿心螺杆的绝缘件被击穿，引起贴 心叠片局部短路进而产生很大的局部涡流：此外两根或多根穿心螺杆的绝缘被击穿，当 磁通穿过由这些螺杆形成的短路时，就会在这些螺杆中流过较大的循环电流。当位于铁 芯心柱端部的一根穿心螺杆及其相邻铁轭上的一根穿心螺杆的绝缘发生击穿时，由于这 两根螺杆与外部夹件形成的通路的部位的不同，有时也表现为烧焦临近线圈的绝缘而引 起绕组的匝间短路。 铁芯叠片间的绝缘及与铁轭夹件之间的绝缘也可能产生损坏。此时能产生很大的 循环涡流，并产生可观的热量，进而危及铁芯和线圈的绝缘，变压器的铁耗也随之增加。 变压器的铁芯在制作过程中，铁芯或铁轭叠片的边缘会形成较大的毛刺或铁芯叠 片间夹杂金属物质甚至铁芯叠片产生微小的弯折，变压器在运行中会由于这些缺陷引起 铁芯叠片局部短路，由此产生的涡流也会直接损坏变压器。 变压器在正常运行时应确保其铁芯为一点接地。一旦形成多点接地，运行中的变 压器轻则发生局部过热，重则导致变压器跳闸甚至造成变压器的损坏。 2 4 3 分接开关故障 有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且经常操作进行切换，也是经常出现故障 的部位，统计资料显示，制造质量不良是造成有载分接开关故障和事故的主要原因。 其主要故障形态有： 选择开关接触不良，甚至合不到位，造成出头过热、放电烧损及断轴。 切换开关的内触点接触不良，绝缘元件机械强度不够。 切换开关油室密封不良引起大、小油箱连通，使变压器本体油箱中可燃性气体含 1 2 华北电力大学硕士学位论文 量增加引起误判断。 操作结构内低压控制电器及辅助元件质量不稳定，造成分接开关拒动、连调、位 置指示失灵。 2 4 4 引线故障 变压器的引线是内部绕组与外部接线的中间环节，其接头是通过焊接而成，因而焊 接质量的高低会直接影响引线的故障发生。变压器引线的主要故障模式有：引线短路、 引线断路、引线接触不良。 引线断路会使变压器停止运行。引线相间短路若不及时处理会导致绕组相间短路事 故，进一步发展会形成灾难性故障，属致命性故障。引线对地短路、接触不良将会产生 局部高温烧断引线而使变压器停运，因而属于临界性故障。 2 4 5 套管故障 套管是变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置。套管长期遭受电场、风雨、 污染等影响，易使瓷釉绝缘油老化。它也是变压器故障的多发部位，套管是连接电力变 压器与外部电网或设备的桥梁。 它在运行中的故障形态主要有如下几种： 套管因密封不良而导致迸水受潮。 套管因漏油致使套管因缺油而过热。 套管瓷套的表面有灰尘、油污和盐雾等的沉积，引起套管的污闪。 套管引线渔穿缆线焊接不良或导电杆与将军帽螺纹配合不良而过热。 套管末端接地不良或开断。 套管与绕组引线联接固定销脱落造成悬浮放电。 套管内的电容绝缘有缺陷导致局部放电。 安装方法不当引起套管损坏。 2 4 - 6 绝缘故障 绝缘系统中的油纸绝缘是由变压器油和绝缘纸、板以及绝缘件构成，绝缘系统中 的故障主要表现有以下几个方面： 变压器采用薄绝缘、小油道设计制造至使其工作寿命短，往往在投运不久就发生 故障。 如果变压器相间绝缘没有足够的裕度，则有可能产生相间短路。这种短路故障有 时可能是由于相间加入了绝缘隔板从而破坏了相间电场强度分布，如引起油间隙和隔板 的电场强度过高而导致隔板的树枝状放电等。 变压器对内部的清洁度要求很高，在变压器线圈表面及器身上如果留下极少数的 金属杂质，对爬电距离也会产生很大影响，运行中因此而引起局部放电进而发展为沿面 1 3 华北电力大学硕士学位论文 放电等后果是经常见到的。 大型高压变压器的油道设计不佳和油流速度过高从而导致运行中的变压器发生 严重油流带电并发生油流放电的故障。 绝缘成型件，如用绝缘纸和合成树脂压制而成的绝缘筒、绝缘管和绝缘板等，在 生产过程中，其表面或内部被导电质污染，运行中会发生绝缘件表面放电或内部发生局 部放电，致使失效造成故障。 ，由于变压器油箱上的局部密封失效或其它因素，结果使水分进入变压器内部，