（电力系统及其自动化专业论文）电力变压器绕组在线监测新特征量的研究与工程实现.pdf

河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t i s t i cd a t ai n d i c a t et h a t w i n d i n g si s m o s tp o s s i b l eb l o o e y w i n g d i n g sf a u l t o c c u p i e d6 0 一7 0 i nt h ep o w e rt r a n s f o r m e r i ti s o f t e nt h a tw i n d i n g st u r nt ot u r n s h o r t - c i r c u i ti na l lw i n d i n g sf a u l t n o w a d a y s ，i ti sb ei n c l i n e dt oo c c u rt u r nt ot u r n s h o r t c i r c u i tf o rt r a n s f o r m e r w i n d i n g s b e c a u s eo f p o w e r t r a n s f o r m e r w i n d i n g s i n t r o d u c e dt a n g l ew i n d i n g s a l t h o u g hi n n e rs h o r tc i r c u i tc u r r e n ti s v e r yg r o a t b u t e x t e r n a lh i g hv o l t a g es i d ec u r r e n ti sn o tg r e a ta f t e rt u r nt ot u r ns h o r t - c i r c u i t s or e l a y p r o t e c t i o n c a n td e t e c tf a u l t t h i si s l i k e l y t ob u r nt r a n s f o r m e ri fd o n tt a k ea n y m e a s u r e sa f t e rt u r nt ot u r ns h o r t c i r c u i t w i t h i nt h ec o u n t r ya n da b r o a d t h em a i nm e a n so fo n l i n em o n i t o r i n gt r a n s f o r m e r i s ：d i s s o l v e d g a sa n a l y s i s i n o i l 、p a r t i a ld i s c h a r g ea n dw i n d i n g sd e f o r mo n - l i n e m o n i t o r i n g i ng e n e r a l ，o n ep r o b l e mo ft r a n s f o r m e ro n l i n em o n i t o r i n g i s ：l a c ko f m o n i t o r i n gc h a r a c t e r i s t i c e s p e c i a l l ya i m e d a tt r a n s f o r m e r sw i n d i n g s a f t e ra n a l y s i sp h y s i c a lp h e n o m e n ao f t u r nt ot u r ns h o r t c i r c u i t ，t h i st h e s i sr e a c h e d a c o n c l u s i o n ：p o w e rl o s s e s m u s tb ei n c r e a s e dw h e nw i n d i n g sf a u l t s oan e w c o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sp u tf o r w a r dt h a tu s e dt ob e m o n i t o r i n gt r a n s f o r m e rw i n d i n g s i e p o w e rl o s s e s p o w e ru t i l i t yl o c a lt e s ti n d i c a t et h a tn e w c h a r a c t e r i s t i ci se f f e c t i v et o m o n i t o r i n g t r a n s f o r m e r e s p e c i a l l y t r a n s f o r m e rw i n d i n g s b a s e do n p o s s i b i l i t y o f o n l i n et r a n s f o r m e rm o n i t o r i n g p u tf o r w a r daf l o wo fo n l i n et r a n s f o r m e rc o m b i n e do i l c h a r a c t e r i s t i c a tl a s t ，e m p o l d e ras y s t e mo ft r a n s f o r m e ro n - l i n em o n i t o r i n ga n df r a m e o ft r a n s f o r m e rc o n d i t i o na s s e s s m e n ti sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p o w e r t r a n s f o r m e ro n 1 i n em o n i t o r i n gt u r nt ot u r ns h o r t c i r c u i t p o w e r l o s s e sc o n d i t i o na s s e s s m e n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研 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。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 2 孕年岁月2 扩日 学位论文版权使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，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办理。 论文作者( 签名) ：年月日 河海大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 进入二十一世纪，随着我国国民经济飞速稳定地发展，对电能的需求也日益 迅速的增长，从而也促使电网的规模逐渐扩大。其中电力变压器是电力系统最重 要也是最昂贵的电气设备之一。并且，随着电网容量的扩大，电力变压器的单台 容量以及电压等级也由2 0 0 0 k v a 3 3 k v 提高到3 6 0 m 幽0 0 k v 、4 5 0 m 、硝，3 3 0 k v 等1 1 j 。因而，大型电力变压器的运行状态在电力系统的安全性、可靠性方面有着 举足轻重的地位，由于电力变压器是电力系统中输变电能的高压电气设备，担负 着电压、电流的转换以及功率传输的任务，其性能的好坏直接影响着电力系统的 安全稳定运行，所以我们也可以将电力变压器视为电网的“心脏”【2 j 。因此，这 对长期运行的电力变压器来说，确保它的运行可靠性是一个重要的问题。 近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术的提高，也 显著地提高了电力变压器运行的可靠性。但是，由于电力变压器大多在室外露天 工作，工作环境十分恶劣，它一旦发生事故，常会导致电力系统的崩溃或瘫痪， 从而影响国民经济的发展，而且由于电力变压器结构的复杂性，修复的时间比较 长，停产检修所造成的损失往往也就很大，影响严重。由于现在的故障诊断的手 段还不够完善以及评定电力变压器设备绝缘状态可靠性的可信度还不高，以至于 电力变压器出现故障时，不能准确地判断出电力变压器的故障，所以，电力变压 器的故障概率是比较高的。据1 9 9 1 年1 9 9 5 年的不完全统计，全国i l o k v 及以 上电压等级的大型电力变压器共发生事故3 1 7 台，如表1 1 所示口】。这些教训说 明，现有的绝缘诊断手段还不够完善，评定绝缘状态可靠性的精度还不够高，以 致电力变压器的运行事故不少。每年电力变压器发生故障的台数和容量，由此造 成的直接或间接的损失是不可估量的。显然，在所需信息不足或比较模糊的情况 下，研究电力变压器的故障诊断技术，弗根据电力变压器故障的早期征兆和现象， 诊断出电力变压器的潜伏性故障以及发现故障发生的大致位置，并根据现代数学 理论工具以提高电力变压器故障诊断的准确性以及及时发现故障发生的位置，同 时采取积极的相应的措施，防止电力变压器故障的扩大和减少不必要环节以及减 河海大学硕士学位论文 少财力和物力，具有重要的现实意义。 表1 11 9 9 1 1 9 9 5 年全国电力变压器事故台次及容量统计 车劈 事碰 1 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 5合计 事故台次( 台) 5 67 56 95 85 93 1 7 事故容量( m v a ) 5 1 5 95 6 2 25 2 5 15 4 6 6 83 8 3 9 92 5 3 4 8 6 1 2 电力变压器在线监测及故障诊断的现状 目前，国内外学者在电力变压器在线监测以及故障诊断方面进行了大量的研 究工作。在线监测主要包括【4 】：油中气体含量在线监测( 油色谱在线分析) 、油 中氢气浓度在线监测、变压器绕组局部放电在线监测、变压器绕组变形在线监测 等等，其中最成熟也最主要使用的方法是油中气体含量在线监测，即气相色谱法 ( 三比值法、特征气体法、r o g e r s 法等) ，即监测正在运行时的电力变压器油中 出现的各种气体的含量，如：日：( 氢气) 、c h 。( 甲烷) 、c ：风( 乙烷) 、c ：h 。 ( 乙烯) 、c ，h ，( 乙炔) 、c o ( 一氧化碳) 、c 0 2 ( 二氧化碳) 等气体来判断电 力变压器潜伏性故障i 5 1 。 在故障诊断方面，目前用的最多的基于油色谱分析的三比值法或其它扩展方 法，但由于电力变压器结构复杂，而且电力变压器的故障往往由多种原因引起， 不同故障所表现出的征兆有时具有相似性、随机性、人为的干扰因素以及诊断设 备和手段存在的误差等因素，因此，常规的电力变压器故障诊断方法远远不能满 足现代故障诊断的要求。鉴于此，有些研究者将当代先进的数学理论工具【6 “0 】 ( 如：专家系统、人工神经网络、模糊理论、遗传算法等) 和故障诊断技术结合 起来，出现了诸如：基于专家系统的电力变压器故障诊断系统、基于模糊推理的 人工神经网络电力变压器故障诊断系统等等，并且在算法上进一步进行了改进， 使得电力变压器故障诊断系统的精确度得到提高。 1 3 当前变压器在线监测及故障诊断存在的主要问题 目前在线监测存在的主要问题有 1 3 】： 1 、有针对性的被监测特征量少，当变压器发生故障特别是一些轻微故障( 如 2 河海大学硕士学位论文 匝间短路) 时，找不到新的特征量，从而对这类故障无能为力。 2 、对于油中气体含量的在线监测，要受到气敏传感器以及透气膜等方面的 限制，导致监测周期长，有时候结果不稳定，尽管比传统的试验方法提高了一大 步，但还是存在不能实时监测的缺点。 3 、对于变压器局部放电在线监测和绕组变形在线监测，由于被监测信号微 弱且现场电磁干扰巨大，提取有用信号较难，并且受到p t 、c t 精度的限制。 在故障诊断方面，大部分是基于油中溶解气体( d g a ) 的分析。在油中溶 解气体分析基础之上，结合人工智能及专家系统进行分析，这无疑提高了变压器 故障诊断的准确性。但是，油中溶解气体分析无疑存在一个明显的缺点：作业程 序复杂、试验周期长、人工操作不可靠、且不易发现两次试验之间的故障或缺陷， 它一般只能简单区分过热、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，而且，由于油中气体的 累积效应，它的准确程度也不令人满意。所以单凭d g a 方法来诊断变压器故障， 很难取得满意的结果。尽管它对变压器一些潜伏性的故障诊断具有明显效果，但 是对变压器突发故障的诊断显得无能为力；基于人工神经网络的电力变压器故障 诊断系统和结合专家系统进行诊断虽然明显的提高了故障诊断的准确度，但是也 存在下列问题1 1 】【1 4 1 ：网络的学习收敛速度慢( 当输入样本数据较多时表现尤为突 出) ，标准样本的获取问题。采用专家系统也存在“知识获取的瓶颈”问题。目 前，国内外在变压器故障诊断方面的研究进展都不大，没有找到能够很好监测变 压器故障的新特征量，而对已经有的故障特征量油中溶解气体的分析较为成熟， 所改进的不过是一些算法而已。 1 4 本文主要工作 本论文的工作是在与河南新乡电力局共同联合研制开发的“大型电力变压器 在线监测系统的研究”基础上进行的，主要目的是实现从油气量和电气量两个 方面同时去监测变压器的运行状况，从而做到电力变压器的在线运行监测。由于 油气量的工作已经非常成熟，故本文不再侧重介绍这方面的工作，只侧重于电气 量方面所做工作的一些介绍。 变压器涉及电气量的部件主要就是绕组，据统计资料表明，变压器中最常发 河海大学硕士学位论文 生故障的部件之一就是变压器的绕组，它的损坏率约占整个变压器故障的6 0 7 0 ，而在变压器绕组故障中，其中因绝缘老化而导致的绕组匝间短路、相间 短路、绕组对地短路整个故障的7 0 8 0 【1 6 】f 1 7 】。变压器绕组故障都能归于绕 组匝间短路故障引起。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n 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 1 8 】。所以 对于变压器绕组故障特别是匝间短路故障，有必要找出新的故障特征量，从而实 现对变压器绕组的在线监测。 本文所做的主要工作如下： 1 、在前人研究的工作基础之上，总结了目前国内外电力变压器在线监测的 主要方法。 2 、分析了变压器绕组故障( 匝间短路) 后各物理量的变化。从变压器功率 损耗机理出发，得到了变压器绕组匝间故障后，其功率损耗有明显增大的结论。 从而提出并完善了变压器绕组故障后的新特征量：功率损耗。为变压器在线监测 提供了新的状态监测量。 3 、为了验证所提出的新的特征量对变压器绕组故障在线监测是否有效，在 河南省新乡电力局现场做了变压器不同情况下匝间短路的试验，得到了丰富详尽 的数据，通过对这些数据的分析，验证了本文提出的新的特征量对监测变压器绕 组是有效的。 4 、从工程实际应用的角度出发，研制开发了大型电力变压器在线般测系统 的硬件部分和软件包，包括油中溶解气体在线监测和绕组电气量的监测。并将其 应用于河南新乡电力局的工程实际，介绍了所开发项目的电气量和油气量硬件组 成情况和软件包功能。 5 、针对变压器在线监测或者故障诊断都是在变压器故障后去进行分析判断， 由此，指出了对变压器的研究不应该仅仅局限于变压器在线监测和故障诊断，也 河海大学硕士学位论文 应该对变压器实行状态评估。同时，引入模糊数学初步探讨了实现变压器状态评 估的框架，从而为实现变压器的状态维修打下基础。 由于本文所提出的从功率损耗去监测变压器绕组故障的方法是一个“吃螃 蟹”的方法，故在理论上还处于初级的探索阶段，加之变压器内部结构及磁场的 复杂性，因此本文所做的工作在理论上尚有很多不完善之处。令人欣慰的是，按 照所提出的新特征量对监测变压器绕组运行状况已经在电力局现场变压器绕组 故障试验中得到验证，照此思路开发的软件也在电力局得到现场应用，并且已经 申请国家发明专利，开发出来的装置也已经申请实用新型专利。 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器在线监测方法 2 1 引言1 4 1 1 1 9 1 我国几十年来一直沿用定期进行预防性试验的方法和制度，经过广大电力专 业人员不断地积累经验和改进，对电力设备的安全运行发挥了重要作用。但随着 电力设各运行电压的提高、单台容量的增大、结构品种的多样化，原来主要依靠 定期停电后进行绝缘预防性试验的方法已显得很不适应。不但试验时候需要停 电，更重要的是原有停电后的试验内容及方法，不少己难以真实地反映出被试设 备在运行条件下的绝缘状况。 近2 0 年来，国内一些专业人员竭尽全力研究及试用在线监测技术，特别是 近年来随着电子技术的进步及计算机技术的迅猛发展，传感器、光纤传输及新的 测量技术的可靠性迅速提高，为实现在线监测创造了良好的条件，先后研制出不 少新的在线检测方法以及仪器，丰富了原有的绝缘预防性试验方法。有的已在投 运后及时检测出设备缺陷，因而深受电力企业的关注，新的电力设备预防性试验 规程d l t - 5 9 6 1 9 9 6 在总则4 9 条已明确规定：“如经实用考核证明，利用带电测 量和在线监测技术能达到停电试验的结果，经批准可以不做停电试验或适当延长 周期”。因此离线及在线监测都是绝缘试验中的重要内容，只要因地制宣，密切 配合并切实做好综合分析判断，才能充分发挥各自的特点和作用。 对在线监测系统的基本要求： l 、监测系统应具有较强的抗干扰能力； 2 、监测系统应具有较强的对环境变化的耐受性。 3 、监测系统不应影响一次设备的正常运行。 4 、监测系统的寿命应长于被监测设备的预期寿命。 在线监测的主要优点有： 1 、高压设备上所加的是运行电压，比停电试验电压高得多，因此测得的参 数更真实、灵敏； 2 、可以实时进行检测，能够及时发现缺陷。 河海大学硕士学位论文 在线监测系统的基本框架如下： l 信鄹渊i ：l 列霸懒l：i 信耕精l ：l 细酹嘭燃| l 晒姻 ：l 馏名圆i ：l 张il 往粒| 图2 一l 在线监测系统的基本框架 随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站引入了变压器在线监测 装置。目前对电力变压器比较有效的在线监测方法有：油中气体含量利用化学方 法在线监测，包括：油色谱在线监测、油中氢气浓度在线监测等；铁心多点接地 利用电气方法在线监测和变压器局部放电在线监测等：箱体温度分布和接头过热 利用红外测温方法在线监测等。介质损耗在线监测等。这些在线数据可以及时 反映变压器绝缘的变化，对于及早发现故障，防止故障进一步扩大扩展有很大帮 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实时性和准 确性。这种在线监测存在的主要问题有【2 0 】： 1 、测试精度及其稳定性校验是在线监测系统面临的一个重要技术问题。由 于现场情况的复杂性，使监测结果无法进行校准，更难与停电试验结果进行对比。 由于其监测的实时连续性，所以干扰信号的准确判断成为影响监测结果的重要因 素。 2 、传感器的特性是在线监测的关键。现在用量最大的传感器是罗可斯基线 圈，为了追求从小信号灵敏度大多采用软磁芯，其磁性易受外界条件( 如温度、 压力、冲击) 的影响，甚至被测信号的大小不同也会影响传感器自身的角差。所 以研制高精度、高稳定、零角差的传感器仍是一个重要的研究课题。 3 、基准电压的特性将影响结果的分析。目前抽取基准电压的方法大多是从 t v 的二次测抽取，实践证明，其误差较大，同时也增加了现场安装的复杂性。 4 、干扰问题一直是影响在线监测系统安全可靠运行的重要因素。由于高压 变电站复杂的电磁干扰环境，使微量信号的监测( 如局部放电，t g6 ) 难度增加， 同时偶然的强干扰信号( 如雷电冲击。操作冲击) 甚至会直接击毁在线监测的入 河海大学硕士学位论文 口电子电路。因此，在这里防干扰具有两方面的含有：一是采用滤波器排除干扰 信号对监测信号的影响，这就要求研究更先进的数字滤波技术( 如小波变换) ： 二是设置灵敏的过电压防护器件，以及采取降低干扰电平的措施和方法。 2 2 变压器油色谱在线监测 变压器油中溶解气体在线监测是油色谱分析技术的补充和发展，因为油色谱 分析一般必须在实验室进行，分析过程相对比较复杂，分析周期一般要3 个月以 上。即使缩短周期进行跟踪，也不象在线监测，可以连续观察动态变化过程，可 在不受外部干扰( 如取样方法不规范、脱气率不高及其他操作原因等形成的分散 性) 的情况下了解其真实的产气速率，因此有助于正确判断变压器故障的状态和 发展趋势。 大量的实践经验和研究资料表明：导致电力变压器事故的主要原因是其绝缘 性能的劣化。近年来，国内外在变压器的油中气体在线分析和诊断方面进行了大 量的研究工作，现在已有厂家生产在线检测6 种故障特征气体的油色谱分析仪， 可安装在变压器附近或直接安装在变压器上。研究结果表明，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 牌号没有关系。根据产气组分及h 2 、c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 和c 2 h 6 构成的三比值法， 可以诊断出变压器常见的一些故障。并可以综合运用人工神经网络、专家系统、 模糊理论等人工智能技术【2 卜2 3 1 进行变压器故障诊断，这样可以及时发现变压器 内部缺陷，预期故障的存在和发展，并能将分析结果采集后传输到故障综合诊断 系统。目前，国内外普遍采用这种方法来监视变压器的运行状态，收到良好的 效果，其诊断正确率可高达8 0 左右。因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早 发现设备的潜伏性故障并随时掌握故障的发展情况。对于油色谱在线监测得的气 体数据，通常可以用下面两种方法判断设备有无故障： 1 、与油中溶解气体的正常值作比较判定有无故障 若氢和烃类气体不超过表2 - 1 所列的含量，则认为电力变压器运行正 常。 河海大学硕士学位论文 表2 - 1 变压器油中溶解气体的正常值 总烃 气体成分 h 2 c h 4 c 2 h6 c 2 h 4 c 2 h 2 ( c 1 + c 2 ) 正常极限值ul l “ 1 0 04 53 55 551 0 0 2 、根据总烃产气速率判定有无故障 当总烃含量超过正常值时，应考虑采用产气速率判断有无故障。绝对产气速 v ： 矿；萼导( 2 - 1 ) f 相对产气速率矿： 一：笠鱼i 1 ( 2 - 2 ) c 1 1 f 其中c 。为第一次取样测得的油中气体浓度，单位为p p m ：c 。：为第- ；r v g 样 测得的油中气体浓度，单位为p p m ；a t 为两次取样时间间隔，单位为h 。 一般来说，对总烃产气速率 l m l h 的变压器可判定有故障。若总烃含量的 绝对值小于正常值，总烃产气速率小于正常值，则变压器正常；若总烃含量大 于正常值，但不超过正常值的3 倍，总烃产气速率小于正常值，则变压器有故 障，但故障发展缓慢，可继续运行：若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的 3 倍，总烃产气速率为正常值的1 2 倍，则设备有故障，应缩短检验周期，密 切监视故障发展；若总烃含量大于正常值的3 倍，总烃产气速率大于正常值的3 倍，则变压器有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可 进行吊心检修。产气速率与故障性质的关系见表2 2 。 表2 - 2 产气速率与故障性质的关系 绝对产气速率m l h 。1故障特征 1 0 带有烧伤痕迹 5 严重过热性故障。但未损坏绝缘 1 过热性故障 当油中气体的含量超过表2 - 1 所列的正常值时，通常采用三比值方法进行 判断。三比值法是i e c 推荐的一种方法，它实际上是罗杰斯比值法的一种改进。 河海大学硕士学位论文 该方法是通过计算c ：h ：c ：h 。、c h 。h ：、c ：h 4 c ：h 。三种比值，根据已知的 编码规则和分类方法，查表确定故障性质，如表2 - 3 所示。 三比值法在变压器故障诊断中发挥了重要作用。但是，诊断的经验表明， 该方法在应用中存在以下几个问题：( 1 ) 只有根据各组分含量的注意值和产气速 率的注意值有理由判断可能存在的故障时，才能进一步用三比值法判断故障性 质。 表2 3 用三比值法判断及故障性质 比值编码组 故障性质 c h 2 c 2 h 4 、c 2 h 4 c 2 h 6 、c h 4 h 2 典型例子 轻度局部放 电0 l o 由于浸渍不完全，绝缘内含有气隙 较严重的局气隙放电已导致固体绝缘有放电 部放电 1 1 0 痕迹 低能量放电不同电位的绝缘之间发生火花放 2 0 2 2 1 2 2 0 0 电或悬浮电位因接触不良引起的 低能量放电 火花放电；围屏树枝状放电；分接 兼过热 2 2 0 2 2 2开关错位；铁心接地铜片与铁心多 点接触；选择开关调节不到位 高能量放电有工频续流的放电：绕组之间或绕 1 0 21 1 2l o l1 0 0 组对地之间的绝缘油发生电弧击 高能量放电穿；调压开关切断电源：分接开关 兼过热 1 2 01 2 11 2 2 拔插处围屏放电 低于1 5 0 的热故障 0 0 l 一般性的绝缘或导线过热 1 5 0 3 0 0 范围的过热0 2 0 0 0 0 引线外包绝缘脆化：绕组油道堵 故障 塞；铁心局部短路 3 0 0 7 0 0 范围的过热 0 2 1 由于磁通集中引起铁心的局部过 故障热；铁心多点按地或局部短路；分 7 0 0 以上 0 2 2 0 0 2 接开关引线接头接触不良；铁心和 的高温过热外壳产生涡流 故障 河海大学硕士学位论文 2 3 变压器油中氢气浓度在线监测 变压器油与绝缘纤维由于电和热的作用，在绝缘分解过程中都会产生氢气， 主要是因为碳氢化合物中碳氢键之间的键能较低，生成热小，因此氢气是各种故 障特征气体的主要组成成分之一。油气相色谱法在测量过程中难免有气体从油中 逸出，对极易扩散的氢气尤为严重，因而在油色谱分离过程中氢气含量往往出现 较大的分散性，有时不易引起人们对它们重视。 1 、在线测氢技术的进展 变压器油中溶解氢气在线监测一般采用某些高分子膜渗透油中氢气，直接从 油中分离出氢气以实现在线监测，弥补了气相色谱法周期性限制和误差大的缺 陷，并根据氢气含量的变化情况，预知高压电气设备的早期故障，是目前监视大 型变压器状况较为简单、直观、方便的监测手段。 近年来研制应用的催化燃烧测氢技术的实用性、经济性、可靠性都比较高， 设备的使用寿命较长。这是利用高分子膜的渗透作用，直接从油中分离出氢气， 以在线监测变压器油中氢气浓度并根据氢气含量的变化分析、判断变压器早期故 障，这是一种较为理想的变压器在线监测方法。由于催化燃烧测氢技术采用的敏 感元件的阻值和温度之间线形关系好，氢气浓度与电信号之间的函数关系稳定， 气体的分离工作利用高分子透膜完成，气洋经气路切换系统进入敏感元件进行测 量，因此，可通过计算机实现全过程的氢气浓度在线监测，包括测量控制自动化， 数据采集合处理及对测量数据的分析和判断。基本监测原理如图2 2 所示。 。 董h ，j 一 图2 - 2油中氢气在线监测原理图 图中监测系统的敏感元件是一种使用寿命长的金属铂丝，在一定温度下，由 于催化剂的作用，氢气在载体表明燃烧并放出热量。 河海大学硕士学位论文 2 h 2 + 0 2 型巡堕塑j 2 h 2 0 + 9 ( 热量) ( 2 3 ) 由上式可见放出的热量q 加热了铂丝，而铂丝的电阻变化与温度成正比。 r 1 = r o ( 1 + 谢) ( 2 - 4 ) 将铂丝阻值的变化通过直流电桥转换为电信号，经放大后送主机系统进行数据采 集和处理，便可直接显示变压器油中溶解气体的浓度。 2 、氢气在线监测装置的应用 装有高分子膜和气敏元件的气室直接安装在变压器上，油中氢气通过高分子 膜渗透到气室，当气敏元件接触阢后，阻值发生变化，以电压形式将测得结果 输出。安装在控制室的测量仪表指示出于输出电压对应的氢气浓度。日，的报警 浓度设定值为1 0 0 0 j l l ( 相当于油中h ：的浓度为6 0 # l l ) ；报警信号设为 2 0 0 0 肚l ，产生速率超过2 0 0 肛月，应定位变压器异常。 2 4 局部放电在线监测【2 4 】【2 s 1 1 2 6 】 随着电压等级的提高和各种有机绝缘材料的广泛应用，电力设备的局部放电 问题越来越突出，局部放电既是设备绝缘劣化，早期故障的征兆，又是造成绝缘 劣化的重要原因，因此对局部放电进行有效地离线或在线监测对于电力设备的安 全稳定运行具有重要意义。局部放电在线监测所面临的关键问题是如何有效地识 别和抑制干扰，获得可靠的局放信号。 变压器内部存在缺陷时会产生局部放电，局部放电试验已被列为大型变压器 的出厂试验项目，在线监测变压器内部局部放电信号能及时反映其绝缘状况和发 展趋势。是预防变压器绝缘突发性事故的最有效手段之一。在已开发的变压器局 放在线测量装置中，大多采用宽带检测系统获取局放信息，人们在硬件上采取了 许多抑制干扰的措旋，但在实际应用中效果不佳，现场环境中局放信号的提取较 为困难，由于局部放电是窄脉冲信号，频谱范围很宽，而外部的电晕放电、电弧 放电等干扰脉冲信号，其特征与变压器内部局部放电信号相似，且这些脉冲型干 扰和连续的周期型干扰以及白噪可能比内部放电信号强得多，干扰有时比局放脉 冲信号强2 3 个数量级，在线情况下提取局放信号较为困难。因此，如何有效 河海大学硕士学位论文 地识别和抑制干扰，获得可靠的局放信号就成为局放在线监测中的重要研究课 题。近年来，随着计算机技术及数字信号处理技术的发展，国内外在这方面进行 了大量研究工作，提出了多种抗干扰方法，主要有差动平衡法、脉冲极性鉴别法、 软件法和小波分析等。 1 、差动平衡法 差动平衡法的基本思想是：用高频电流传感器分别从变压器油箱接地线 和中性点接地线上耦合局部放电信号，从变压器高压引线传来的外部电晕放电等 干扰信号在油箱接地线与中性点接地线上产生的电流脉冲同向，而内部局部放电 信号在两接地线上产生的电流脉冲反向。由传感器测到的信号经前置放大器调整 幅值后送入差动放大器，使同向的外部干扰信号相互抵消，而反向的内部局部放 电信号得到放大，从而抑制干扰。 2 、脉冲极性鉴别法 脉冲极性鉴别法的基本思想是：如图2 - 3 所示，当干扰信号i l ，i 2 流经检测 阻抗z t ，z 2 时，由于其脉冲电流极性一致，电子开关断开，无信号输出；但试 品c a 发生局部放电时，脉冲电流i 3 在z 1 ，z 2 上的脉冲电压极性相反，电子开关 闭合，则有信号输出。 图2 - 3 脉冲极性鉴别法消除干扰原理图 3 、软件法 软件法就是应用自适应滤波技术可在输入序列的统计特征未知或变化时，调 整自己的参数以满足某一最佳准则的要求，从而达到提取局部放电信号和抑制干 扰的目的。随着数字信号处理技术的发展，软件法正在成为一种较为有效的消除 干扰方法。 4 、小波分析法 小波分析作为一种新型的时、频域分析工具，它给信号加了一个时一频窗口， 可根据频率自动调节窗口的大小，在时、频域同时具有良好的局部化性质，易于 捕捉和分析微弱信号和突变信号，在局部放电信号的提取和抑制噪声方面有广阔 河海大学硕士学位论文 的应用前景。 故障定位对于大型电力变压器是重要的。局部放电的超声定位法的原理是在 变压器油箱外壁上装多个超声传感器，以其中某一路声信号作为基准信号，触发 其余信号，测量同一局部放电信号传播到各传感器的相对时差，以等值声速乘以 时延而得到放电点到各传感器的空间距离，将该组相对时差代入满足该组传感器 几何关系的一组方程求解，即可求得局部放电源的几何位置。但当放电发生在围 屏内部时，超声信号无法传播到外部，则超声法难于定位。电一声联合定位法以 局部放电的电脉冲作为触发基准信号，同时记录电脉冲信号和多路超声信号，以 电信号与各超声波信号的时差作为局部放电点到达各传感器的传播时间，根据方 程组算得放电位置。电气定位法的原理是假定变压器的等值电路在某特定频率范 围内是纯容性电路，则对于某一变压器，此容性电路是已知的，当变压器内部发 生局部放电时，其首末端电压的比值与放电点位置满足特定的函数关系，测量变 压器绕组首末端电压，可据此求得放电点位置。 但是目前局部放电在线监测理论上研究的比较多，但真正要应用到工程实践 中还需要综合考虑复杂多变的现场环境，某电业局投入运行的一套变压器局部放 电在线监测系统在实际运行中效果并不好。因此，局部放电在线监测仍然具有一 定的局限性，需要研究出更加切实可行的电力变压器电气量在线监测系统。 2 5 变压器绕组变形的在线监测2 7 】【2 8 l 【2 9 】【3 0 l 变压器在运行中不可避免地要遭受出口短路或近区短路故障冲击，在运输安 装过程中也可能受到碰撞冲击。在这些冲击力( 包括电动力和机械力) 作用下，变 压器绕组就可能发生变形( 如轴向、径向尺寸变化、位移、扭曲、鼓包等) 而导致 匝间短路，最终造成变压器损坏。近年来，在交压器的各种故障中，因绕组变形 导致的变压器事故占了较大比例 3 t 。并且进入九十年代以来，变压器事故演变 为绕组变形，目前还没有什么有效的办法来解决这个问题，见表2 - 4 。故变压器 绕组变形在线监测的研究目前也得到了充分重视。变压器绕组变形故障，究其原 因，主要是设计者在材料选用和结构设计中对电动力分析不够确切，采取措施不 够有效而引起的。在变压器运输过程中，因发生意外碰撞造成变压器绕组变形以 及由于电力系统短路容量加大，在变压器遭受短路后，由于抗短路能力不足导致 河海大学硕士学位论文 绕组变形造成绝缘破坏，最后损坏变压器的示例屡见不鲜。即使有时候短路电流 很小，继电保护正确动作，绕组变形非常轻微，但多次短路冲击后，由于累积效 应也会使绕组变形进一步发展，最后导致变压器非正常退出运行。一旦变压器绕 组已严重变形而未被诊断出来任其继续运行，极有可能导致事故的发生。因此， 实时正确的变压器绕组变形检测能及早地发现绕组变形故障隐患，以便及时采取 技术措施，避免运行事故，延长变压器的实际使用寿命。过去的检测绕组变形的 方法有：在现场采取吊罩检查的方法；通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压 脉冲法；测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法；测量变压器频率 响应并比较其变化的频响分析法。这些方法均需使变压器退出运行，即均属离线 检测方法，不能随时监测变压器绕组状况以及时发现故障。基于变压器短路阻抗 及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，近年来，通过在线检测变 压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术正逐渐得到重视。 表2 - 4变压器事故统计情况 运行时期故障类型占总事故率现状 七十年代薄绝缘 7 0 无 八十年代初将军帽漏水2 3 无 八十年代末围屏放电 3 0 8 基本无 九十年代油流带电 5 8 3 基本无 近年来绕组变形3 7 未解决 文献【2 7 】和【3 0 分别提出了一种在线测量变压器短路电抗的方法，从而依据 变压器绕组变形前后短路电抗会发生变化的原理，做到对变压器绕组变形实现在 线监测。 河海大学硕士学位论文 第三章变压器绕组匝间短路分析及在线监测 3 1 引言 原理的提出 电力变压器是电力系统中最重要的设备，准确及时地发现变压器潜在的和现 有的故障是保证电力系统安全运行的重要措施。在变压器中，绕组是最重要、最 复杂也是最容易出现故障的部件，统计资料表明1 3 2 】：绕组的损坏率约占整个变 压器故障的6 0 7 0 。而在绕组故障中，由于绕组变形或者绝缘损坏等原因导 致的绕组匝间短路故障占绕组故障的6 0 7 0 ，绕组故障多可归于绕组匝间短 路【l “，如果不及时检测出来，会使故障进一步发展为股间短路或者层间短路， 甚至发生相间短路。有资料表明 3 3 】：变压器发生突发性故障，绝大多数表现在 绕组匝间短路上。其中有两方面原因：一是匝闻电压异常升高超过匝间绝缘的耐 受强度；二是匝间绝缘受损耐受不住正常匝间电压的作用。 随着输电电压越来越高，人们发现传统的连续式( 见图3 - l ( a ) ) 线圈已经不 能满足超高压输电的需要，因此引入了纠结式( 见图3 - 1 ( b ) ) 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 田母毋亚甲 血匝皿卜噬旺盛卜 图3 - 1 线匝布置的顺序 ( a ) 连续式线圈；( b ) 纠结式线圈 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n 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，从而使得 6 河海大学硕士学位论文 变压器匝间短路故障显著增加。根据我国1 9 7 5 1 9 9 6 年的不完全统计，1 l o k v 及以上变压器故障中，匝间绝缘破坏占总故障台次数的5 1 6 t 3 2 】，其中大容量纠 结式绕组变压器占匝间绝缘破坏故障总台次数的5 7 6 ，所以大型变压器匝间短 路应予以足够重视。 匝间短路无论发生在高压侧还是低压侧，一般出厂试验、交接试验以及运行 后的预防性试验都很难发现匝间短路，这是所有电气试验人员的常识p 。对于 匝间短路故障，往往能够继续送出满负荷电流，但是事故点已被烧坏，如果不及 时发现匝间短路，故障就继续发展，最终导致变压器的烧毁。所以怎样在事故发 生前诊断出匝间短路至关重要。众所周知，变压器发生匝间短路故障时，尽管短 路匝电流很大，但流出一次侧电流非常小。传统的保护措施是通过整定继电保护 的参数来实现的，这对一些尚不致于产生保护动作的匝间短路故障的诊断就无能 为力。因此，如何在继电保护动作之前及时地监测这种潜伏性故障，避免变压器 非正常退出运行就显得非常必要。 利用传统的保护反应轻微的内部故障，保护的灵敏性低、动作迟缓，当变压 器内部发生故障时，即使保护装置根据技术要求正确的动作，通常大部分绕组还 是被损坏，其主要原因如下【3 5 】： 1 、差动保护为了躲过励磁涌流和穿越性故障产生的不平衡电流，继电器的 动作整定值较高，从而降低了保护装置的灵敏度。变压器匝间短路时，虽然短路 匝中的电流可高达额定电流的数十倍，但电源方三相电流并不大只有当故障发展 到一定程度时，才能检测出来。 2 、对于瓦斯继电器，只有当气体积累到某一最小容积时才能动作，故瓦斯 保护反应变压器内部这种匝间短路故障的速度慢、时间长。 综上所述，在变压器绕组发生故障时，如果能找到有效地反映短路的故障特 征量，在继电保护动作之前及时地检测出这种潜伏性故障，发现绕组故障发生的 部位，防止变压器非正常退出运行具有重要意义。本文的工作正是在这一背景下 进行的。 河海大学硕士学位论文 3 2 变压器绕组匝间短路的物理现象分析 3 2 1 变压器绕组匝间短路变压器两侧电压电流的变化 变压器绕组发生匝间短路后，尽管在短路匝内部流过的电流非常大，但是变 压器一次电流并不大，这给继电保护和监测等工作带来很大的困难。对于电压来 说，在短路匝数不多的情况下，在大型电力变压器绕组匝数非常多的情况下，根 据变压器变压原理我们知道，局部匝间短路包括层间以及股间短路对电压的影响 就更小，这是其一；其二，由于系统本身负荷在不停的变化，加上系统电压也在 发生波动，因此，要想单独从电压电流这个特征量中去发现变压器绕组故障来讲， 无疑是十分困难的。下面是对一台1 0 k v 变压器我们在现场试验实测结果的电压 电流波形图。由于低压侧电流由负荷决定，因此低压侧电流与绕组匝间短路无关， 在这里不予给出，只给出故障时候高压侧电压电流和低压侧电压情况。 图3 - 2 变压器c 相匝间短路后一次侧c 相电流实录波形 1 8 河海大学硕士学位论文 图3 - 3 变压器c 相匝间短路后一次侧c 相电压实录波形 图3 4 变压器c 相匝间短路后二次侧c 相电压实录波形 为了进一步说明问题，下面给出变压器绕组故障进入稳态后电压电流波形， 为方便比较，把三相电压电流波形放到一起。 1 9 河海大学硕士学位论文 图3 - 5 变压器绕组匝间故障后一次侧电压实录波形 图3 6 变压器绕组匝间故障后一次侧电流实录波形 河海大学硕士学位论文 图3 7 变压器绕组匝间故障后二次侧电压实录波形 上面实录波形采样频率1 0 2 0 0 h z ，即每个周期采样2 0 4 点。分析上面实测 时域波形，可以得出以下结论： 1 、从电压电流幅值上看，变压器绕组发生匝间短路故障后，原方三相电流 变化不大，但故障相有一定程度的增大。原方电压和副方电压观察不到变化( 但 从理论上分析，绕组故障对副方电压是有影响的) 。副方电流受负荷影响，故绕 组故障对副方电流是没有影响的。 2 、从波形上看，电压电流波形都没在故障时刻出现明显的畸变点。文献 3 6 由仿真给出的绕组匝间故障后呢显畸变的波形，从而利用小波变换提取特征量的 做法在实际现场中的应用前景值得怀疑。如果对波形做频谱分析，也会得出这个 结论。 3 、鉴于电压电流本身变化都不大的情况下，如果仅仅单独利用电压或者电 流中所隐藏的信息来进行变压器绕组的在线监测，在目前的硬件水平下，是有困 难的。 本文通过现场实测数据得出以上结论和文献 1 6 得出的结论是一致的。即变 压器绕组轻微故障对高压侧电压和低压侧电流几乎没有影响。 河海太学硕士学位论文