（高电压与绝缘技术专业论文）变压器状态评估与信息管理系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着状态维修制度在电力系统中的不断推进，如何科学有效地利用现有 变压器的状态信息准确判断变压器的健康状况成为电力系统中的一个重要研 究课题。本文对变压器的故障及故障检测技术进行了系统的分析，在比较神 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估方法，详细介绍了 该方法的原理和具体实施步骤。针对当前普遍施行的变压器预防性试验情况， 选取了变压器状态评估所需的状态信息，通过实例表明了该方法具有较高的 诊断准确性和可靠性。在实现变压器状态评估的基础上，本文采用d e l p h i 语 言和s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库，建立了变压器状态评估与信息管理系统，实现 了对变压器庞大的状态信息的科学管理，为现实条件下变压器的状态维修提 供了技术支持。 关键词：变压器，状态评估，信息管理系统，神经网络，d s 证据理论 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n tp r o m o t i o no ft h ec o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ei nt h ep o w e r s y s t e m ，i t h a sb e e na l l i m p o r t a n ts u b j e c t t h a th o wt o a p p l yt r a n s f o r m e rc o n d i t i o n i n f o r m a t i o nc m c i e n t l ya n ds c i e n t i f i c a l l yt oi u d g et h et r a n s f o r m e r ss t a t e t h e n t h e d i s s e r t a f i o n s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e s t h et r a n s f o r m e r sf a u l t sa n df a u l td e l e t i o n t e c h n i q u e 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 e 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 l t h e o r y , a n dd i s c u s st h e p r i n c i p l ea n ds t e p si nd e t a i l h a v i n gc o n s i d e r e dt h es i t u a t i o no f t r a n s f o r m e rp r e v e n t i o n t e s t s ，t h e d i s s e r t a t i o ns e l e c t e dt h en e c e s s a r ys t a t u si n f o r m a t i o n ，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 m c i t ya n dr e l i a b i l i t yo f d i a g n o s i s w i t hd e l p h ia n ds q l s e r v e r 2 0 0 0d a t a b a s e ，t h et r a n s f o r m e rc o n d i t i o ne v a l u a t i o na n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mh a sb e e ns e tu p s u p p o s e db yi t so p e r a t i o n ，t h es y s t e mc a nc o m p l e t e l yt a k eo n t h ec o n d i t i o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n d p r o v i d es u b s t a n t i a lb o o s t sf o rt r a n s f o r m e r c o n d i t i o nm a i n t e n a n c eu n d e rt h er e a lc o n d i t i o n s w u l i l i n ( h i 曲v o l t a g e a 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 ：t 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 ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k ，d se v i d e n c et h e o r y 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器状态评估与信息管理系 统的研究，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：墓塑盐日期：趔，垡：盈 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：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：墓翥盐导师签名 日 期：】旦唑：睦! 拉 日 期：主竺兰：! ：! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题目的及意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统最重要的电气设备之一，是输变电系统中最为关键的环 节。变压器的故障不仅影响电力系统的输电能力，甚至可能造成电力系统的大规模 停电，给电力系统和国民经济带来重大损失。变压器的健康水平和运行状况的好坏 直接影响着整个电力系统的安全运行，因此努力提高变压器运行维护和技术管理水 平，降低和预防变压器故障的发生几率，是电力系统迫切需要解决的课题。 长期以来，电力系统主要采用定期维修t b m ( t i m eb a s em a i n t e n a n c e ) 来保证 变压器的健康水平和良好的运行状况。定期维修包括预防性试验、大修和小修三项 基本内容，其中预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证 电力系统安全运行的有效手段之一，在我国已有5 0 多年的使用经验。 然而，作为变压器维修的常用方式，预防性试验和定期维修主要存在以下5 个 方面的问题。 1 浪费了大量的人力物力； 2 增加了变压器的停电次数和停电时间，造成了频繁的运行操作，增加了误 操作的可能性； 3 过度维修造成设备的频繁拆卸，使在维修过程中产生新的设备隐患的可能 性增加： 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。 变压器的现代化对变压器的维修体制提出了变革的要求，变压器运行的高可靠 性和维修方式的经济性己成为电力系统降低运行成本的关键。因此，建立一种预知 性的维修方式，“当修必修”，而非“到期必修”，已经成为电力变压器维修方式的 必然发展趋势。 状态维修c b m ( c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ) 又称预知性维修p d m ( p r e d i c t i v e d i a g n o s t i cm a i n t e n a n c e ) 。这种维修方式是以先进的状态监视和诊断技术提供的变 压器状态信息为依据，通过对设备进行级向( 历史和现状) 、横向( 同类设备的运 行状况) 的比较分析，来判断变压器的异常，预知变压器的故障，并对故障部位、 故障严重程度及发展趋势做出判断，以确定其最佳维修时机。 实行状态维修可以有效地克服定期维修造成的过修或失修等问题，提高变压器 华北电力大学硕士学位论文 的安全性和可用性，对保证电力系统的安全和经济运行具有重大的经济效益和社会 效益。状态维修的基础在于及时准确地判断变压器的状况，随着传感技术、人工神 经网络、专家系统、模糊集理论，以及微电子、计算机软硬件和数字信号处理等技 术在状态监测及故障诊断中的应用，使基于状态监测和先进诊断技术的变压器状态 维修研究得到发展，成为电力系统中的一个重要研究领域。 对变压器状态进行全面的评估，能为今后实行状态维修、制定合理的维修( 更 换) 策略奠定基础，它是一项较复杂的系统工程，既要按照变压器巡视检测、定期 检测和带电( 在线) 检测的结果进行故障诊断，还要结合设备的技术先进性，包括 考虑群体表现( 如同类或同型变压器的故障经验等) 和运行条件( 如承受长时间工 作电压水平、负荷、内外过电压、外部短路、气象及污染等) 进行变压器全面的状 态评估。变压器状态评估的结论应包括变压器目前有无故障、以后可能发生什么样 的故障和使用寿命的预期等【2 】。由于人们能够获取的反映变压器状态的信息是有限 的和局部的，如何将各类信息融会贯通，得出变压器的实际状态是实现状态评估的 关键。因此，选择合理的变压器状态评估方法能为实现变压器的状态维修、科学制 定变压器的维修周期提供重要的依据。 状态评估是实行状态维修的基础，而对各种检测结果的科学管理和有效应用则 是状态维修得以实现的保证。一个供电企业有很多台变压器，每台变压器按周期进 行预防性试验和维修，而一台变压器一次预试所得的数据很多。在对变压器进行状 态评估时，还要考虑变压器的容量、电压等级、绝缘性能、工作环境、运行历史以 及出厂厂家等相关因素。每一类数据有具体的分析和判断标准。同一类数据还耍进 行横向比较( 检验个体之间是否存在显著性差异) 和纵向比较( 检验状态信息的劣 化趋势) 。现阶段对这些数据的管理基本上处于人工阶段，免不了出现遗漏、重复 现象，另外，对试验数据单凭人力很难迅速、准确地做到对被测变压器做出全面分 析从而进行绝缘判断p j 。从工作效率的角度考虑，试验报告的填写、传递及资料备 份也存在工作效率低的问题。 针对以上缺陷，迫切需要一套变压器状态信息管理数据库来改进管理模式，对 变压器的各种信息进行收集和整理，并在自动连续检测状态下，依据大量的数据和 曲线分析变压器绝缘状态的变化趋势，从变化趋势中寻找危险征兆，以多项检测结 果综合判断运行变压器的健康状况，准确地确定变压器状态，科学地制定维修需求 决策合理地安排维修项目、维修间隔和维修工期，从而为实现变压器的状态维修 提供技术支持。为此本文选择变压器状态评估与信息管理系统作为研究内容，具有 重要的理论意义与实用价值。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外现状 电气设备维修是人们十分重视的技术，全世界维修技术的发展大致可以分为三 个阶段：事后维修一定期维修一状态维修。 各国在早期都曾采用事后维修( b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ) ，就是在设备发生了 故障或事故后才进行维修。美国在4 0 年代、日本在5 0 年代【4 】曾经改用定期维修， 即按事先制订的维修周期按期进行停机维修。它虽然没有杜绝事故的发生，但确实 大幅度地降低了事故的发生率，对提高设备可靠性起了一定作用。但由于未考虑设 备的具体状况，而且制订的周期往往比较保守，以致出现了过多不必要的停机及维 修，甚至因拆卸、组装等过多而出现过早损坏。 5 0 年代，美国通用电气公司等提出要从以时间为基准的维修方式发展到以状态 为基准的维修方式，即状态维修，日本等在7 0 年代左右也转向采用状态维修。 目前，我国正在积极探索和实践状态维修制度，而实现状态维修的基础为状态 评估技术。国内外开展变压器状态评估的研究一般从两个方面进行，一类是以对设 备进行不间断实时动态在线监测为基础，用在线的数据来判别变压器状态。另一类 是以离线检测为基础，通过各种离线数据分析对变压器状态进行综合评估。 在变压器在线监测方面，国内外的研究取得了一定的进展。美国a v o 公司的 t r u e g a s 变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体，是目前监测气体种类 最多的装霞。澳大利亚红相电力设备集团的d r m c c 变压器在线监测控制系统可持 续、在线、多方位监测变压器的工作状态，可监测变压器的各类数据，如：溶解在 油中的氢气、水等，绕组温度，调压抽头位置等。经专家系统诊断、系统分析各类 数据，得出的结果能全面反映变压器的现行状况。国内研制的同类产品有宁波理工 监测设备有限公司推出的t r a n a 、t r a n b 型变压器故障在线监测设备。此外国 内还研制了用氢焰燃烧的方法在线监测c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 共四种烃类气体的 装置【5 】。东北电力试验研究院研制的b s z 型大型变压器油色谱在线监测装置【6 1 ，监 测周期仅为1 小时，可检测的气体最小含量为o 5 p p m ( 测量精度为1 0 ) ，但只能 检测h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 四种气体。这些装置已经开始在系统内投入运行，并 取得一定的经济效益，为及时获得变压器的状态信息提供了新的技术手段。 在设备在线监测数据的基础上，结合适当的网络结构和高级分析软件，可进一 步组成和完善变压器状态维修系统。目前国内外现有的几种系统结构如下： 1 光纤令牌网+ m o d e m 英国学者提出了一种令牌网结构的状态维修系统，并将其应用在变电站中，其 系统结构如图1 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 当设备出现异常，采集节点采集局部放电的超高频信号，记录几个工频周期的 数据，节点上的网络软件按网络协议将数据打包，通过令牌网传给当地计算机，并 在当地计算机上报警，同时，用专家系统对数据加以分析，判断是何种类型的异常， 然后给出相应的处理建议。节点数据也可通过m o d e m 用拨号的方式传递到远方控制 中心，以实现整个系统的数据共享。该系统采集的数据能反映局部放电的类型、放 电相位，并在较长一段时间内跟踪放电的发展。 图1 1 令牌网结构的状态维修系统 2 基于局域网和c s 结构的状态维修系统 这一系统是由香港学者提出的【7 1 ，其基本思路是将整个系统分为3 层，每层完 成相应的功能。在当地计算机与远方控制中心之间采用c l i e n t s e r v e r 结构，其结构 如图1 2 所示。 第1 层：现场微控 制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 以组为单位，通过传感 器监视设备的状态，并 对各种方式采集来的 数据进行初步处理。它 们装有3 2 k 的r a m ， 可以存储一定量的信 息，并通过当地网络与 当地计算机相连。第2 层：当地控制计算器 i 变电站2 i 一蜃 离赢凶岛 第l 层 图1 2 基于局域网和c s 结构的状态维修系统 ( o ns i t em i c r o c o m p u t e r ) 处理全站设备的状态信息，对由微处理器送上来的数据分门 别类进行统计。通过电话线与远方控制中心的计算机相连，交换数据。在这一级还 华北电力大学硕士学位论文 包括对视频信息的管理。第3 层：远方控制中心计算机( c e n t r a lm i c r o c o m p u t e r ) 提供 状态维修的人机界面和整个系统的状态信息。一些高级的分析功能，如专家系统等 也在这一级实现。 3 基于多代理技术的状态维修系统 a g e n t 技术是i t 技术的一个热点问题，正逐步应用于电力系统中。一般将a g e n t 定义为在协同计算环境中持续发挥作用的计算实体。它以事故处理为中心，具有独 立性、自主性和互交性。在系统中每一个a g e n t 可以独立完成与自己相关的那部分 分析工作，且在分析过程中只用到整个状态维修系统知识库的一部分，如面向变压 器的a g e n t 在判断变压器是否异常时只用到有关变压器的知识，主要由当地计算机 作出综合判断。 在电力变压器故障诊断与状态判断方面，有越来越多的新理论和新方法应用其 中。文献8 针对变压器故障诊断的特点，在a r t - 2 ( 自适应共振理论) 网络基础上， 结合模糊理论构造了具有输入隐层的f a r t 网络，对各特征气体采用不同的隶属函 数处理，以增强网络对主要特征气体的灵敏度，并通过实例验证了该方法的有效性。 文献9 提出结合遗传算法( g a ) 的b p 网络，处理方法是首先在全解空间中搜寻代 表知识的权值矩阵的最优解，然后以此作为初始权值开始网络训练，迅速得到最佳 神经网络权值矩阵和阈值向量，实现了色谱故障诊断。文献1 0 将范例推理g l 入到 电力变压器的故障诊断，对常用的b p 神经网络模型进行了修改，得出的一种新范 例检索算法实现了对电力变压器的绝缘故障诊断。文献1 1 介绍了应用模糊理论开发 的基于局域网的电气设备绝缘监视和故障诊断系统，该系统已投入实际运行。文献 1 2 提出了一种面积关联度计算方法，并用于变压器的故障诊断，实例表明该方法能 够有效地诊断变压器故障的性质。 这些新的理论和方法都在一定程度上解决了变压器故障诊断中的一些不确定 因素，促进了变压器故障诊断方法的研究，为变压器的状态判断提供了理论方法。 1 3 目前存在的主要问题 1 目前，我国对变压器的状态评估和故障诊断的研究，主要是依据油中溶解 气体色谱分析的数据结果，采用三比值法和特征气体法对变压器的运行状况进行分 析，判断变压器的故障。还有一些方法综合考虑了油中溶解气体色谱分析和绝缘预 防性试验，采用人工智能技术来判断变压器的故障。而在变压器状态评估方面的研 究还比较少，处于初始阶段。另外，目前的评估方法或评估模型无法实现对所有或 大部分状态信息的分析，仅能从一个方面进行判断，存在局限性：模型的扩展不灵 活。评估方法或故障诊断过程较复杂，计算繁琐，准确率较低，要求维修人员有一 定的理论基础和较高的实践经验。 华北电力大学硕士学位论文 2 电力变压器的试验项目偏多，周期偏短。定期维修周期为：小修周期为1 年，大修周期为5 到1 0 年。变压器的预防性试验项目有3 2 项，是所有电气设备中 最多的，另外还有5 项套管试验和1 2 项变压器油试验。除此之外，针对具体的变 压器，每年度还要对其进行专业技术总结和报表。主要包括：主要工作简况、运行 情况分析、大修及小修完成计划、消除的主要缺陷、设备改进情况、下一年度工作 计划等等。 由此可见，变压器的维修非常繁琐，每年都要进行大量的试验，试验数据繁多， 试验人员通过手工进行数据的记录、管理、分析，工作量大，容易出现错误。由于 试验数据都是通过文字报表的形式记录下来，当试验值超过注意值时，没有报警信 号，不能及时引起人们的足够重视。 3 在变压器的状态划分方面，目前主要采用“是非制”，即状态分为“合格” 和“不合格”状态，没有更细致地进行相对优劣的评价方法，不利于对变压器状态 维修的实施。尽管文献1 3 提出用于评价电力变压器的三级评定法，文献1 4 迸一步 提出从0 1 0 0 分的状态评定法，但这些方法还都处在研究的初始阶段，或者是以人 为的办法来区分，或者采用预试数据线性打分的方法，还没有完全利用所有的变压 器状态信息进行综合判断，不利于根据变压器的状态来确定变压器的维修策略与维 修周期。 1 4 本文的主要工作 针对目前变压器状态评估方面存在的一些问题，本文进行了以下几方面的研究 工作： 1 目前变压器实施的常规技术监督测试项目和运行、维修记录以及变压器的 各种参数，包含了大量重要的变压器状态信息，这些信息是评估变压器状态的重要 基础。本文深入分析了变压器的故障类型、故障机理，阐述了预防性试验和在线监 测进行的试验项目原理、作用和特点，选择了绕组直流电阻，绕组绝缘电阻、吸收 比和极化指数，绕组的介质损耗因数及铁芯绝缘电阻四项工程中常用的基本试验项 目的参数作为变压器状态评估的信息参数。 2 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，在综合考虑了电气试验的测试结果要与历年各次试验结果比较、要 与同类型设备试验结果比较、要与规程技术要求比较这三种比较因素后，提出了一 种基于径向基函数( r b f ) 网络和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，使得评估的准确性和可靠性明显提高。 6 华北电力大学硕士学位论文 3 本文通过查阅大量的相关文献资料收集尽可能多的样本数据，构造了5 0 组 神经网络的训练样本，其中3 0 组数据训练r b f 网络，2 0 组数据验证评估模型。利 用人工神经网络的改进算法对上述样本进行训练，调整各个神经网络模型的结构， 使其输出结果的误差达到要求的指标。采用不同的空间划分对网络进行训练，比较 输出结果，选择最合理的空间划分。本文研究了目前几种证据合成规则，选取了一 种改进的合成规则，该方法能克服证据冲突时原合成规则无法判断的缺点，提高了 评估结果的可靠性和准确性。 4 科学地划分变压器的状态，能便于运行人员准确判断变压器的状态，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。考虑工程实际和变压器预防 性试验规程对维修周期的规定，本文采用了变压器的四级状态制：( 1 ) 良好状态；( 2 ) 一般状态；( 3 ) 注意状，态；( 4 ) 故障状态。对于不同状态的变压器采用不同的维修周期 和维修策略。对于分层式信息融合的状态评估模型，四级状态的划分能提高评估的 可靠性，使评估结果更准确。四级状态评估制度有利于实现变压器的状态维修。 5 变压器的状态信息复杂、数据量十分庞大，主要包括：运行数据，常规检 测数据，变压器状态监测数据，变压器历史数据，同类变压器的故障信息和维修经 验，国家、行业、公司、电厂的有关标准、规程和规定等，为保证这些数据信息得 到有效地应用，本文以w i n d o w s2 0 0 0 作为操作系统，d e l p h i 作为数据库前端开发 工具，s q l s e r v e r2 0 0 0 为后台数据库，建立了变压器状态评估与信息管理系统，利 用计算机技术对这些数据实行综合管理。 所建立的变压器状态评估与信息管理系统在主控模块的管理下分为6 个功能子 系统，即预防性试验数据管理、运行数据管理、历史数据管理、在线监测数据管理、 状态评估及维修流程六大子系统，各个子系统既能够单独工作，又能够联合统一作 为一个整体。模块化的设计有利于系统的修改与扩充，同时也保证了系统的可靠性 与安全性。 在系统结构上，采用b s 模式即浏览器、w e b 服务器和数据库服务器组成的三 层结构，使用户在访问和系统维护上做到简单实用。 华北电力大学硕士学位论文 第二章变压器的故障及故障检测技术 随着我国电网电压等级的不断提高，电力变压器成为了高压输电系统中非常重 要而昂贵的设备，一旦发生故障，修复时间长，影响严重。变压器定期的预防性试 验是变压器运行和维护工作中一个重要环节，是及时发现变压器绝缘缺陷的必要 的、有效的手段，其有效性对诊断结果的准确性有着确定性的影响。在预防性试验 的基础上应用在线监测技术，根据有关电、声与化学变化的信息进行综合诊断能有 效降低突发性故障。对一些潜伏性故障如局部放电与局部过热，只要日常认真检查， 就能及早发现异常。因此只有对变压器可能发生的故障类型、原因、检测方法及处 理对策有充分的认识，才能及时有效地进行状态的判断和故障的诊断。 2 1 变压器故障的划分 油浸电力变压器的故障常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：各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线 匝之间发生的匝间短路、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 变压器内部过热、温度升高。根据其严重程度，热性故障常被分为轻度过热( 一般 低于1 5 0 ) 、低温过热( 1 5 0 3 0 0 ) 、中温过热( 3 0 0 7 0 0 ) 、高温过热( 一般高 于7 0 0 c ) 四种情况【l 鲥。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类型。 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、 铁芯故障、油质故障和附件故障。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、铁芯故障、分接开关故障等。同时还存在变压器渗 漏故障、油流带电故障、保护误动作故障等等。所有这些不同类型的故障，有的可 能反映的是热故障，有的可能发映的是电故障，有的可能既反映过熟故障同时又存 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， 很难以某一范畴规范划分变压器故障的类型。本文介绍了比较普遍和常见的变压器 短路故障、放电故障、绝缘故障及铁芯故障等四种故障。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 变压器常见的故障类型 2 21 短路故障 变压器短路故障主要指变压器出口短路，以及内部引线或绕组间对地短路、及 相与相之间发生的短路面导致的故障。 变压器正常运行中由于受出口短路故障的影响，遭受损坏的情况较为严重。据 有关资料统计，近年来，一些地区1 1 0 k v 及以上电压等级的变压器遭受短路故障电 流冲击直接导致损坏的事故，约占全部事故的5 0 以上，与前几年统计相比呈大幅 度上升的趋势【l “。这类故障的案例很多，特别是变压器低压出口短路时形成的故障 一般要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果和损失。 出口短路对变压器的影响，主要包括以下两方面。 1 短路电流引起绝缘过热故障 变压器突发短路时，其高、低压绕组可能同时通过为额定值数十倍的短路电流， 它将产生很大的热量，使变压器严重发热。当变压器承受短路电流的能力不够，热 稳定性差，会使变压器绝缘材料严重受损，而形成变压器击穿及损毁事故。 2 短路电动力引起绕组变形故障 变压器受短路电流冲击时，如果短路电流小，继电保护正确动作，绕组变形将 是轻微的；如果短路电流大，继电保护延时动作甚至拒动，变形将会很严重，甚至 造成绕组损坏。对于轻微的变形，如果不及时维修，在多次短路冲击后，由于累积 效应也会使变压器损坏。 通过检查发生故障或事故的变压器，发现电力变压器绕组变形是诱发多种故障 和事故的直接原因。一旦变压器绕组已严重变形而末被诊断出来仍继续运行，则极 有可能导致事故的发生，轻者造成停电，重者将可能烧毁变压器。 对于由变压器出口短路电动力造成的影响，判断主变压器绕组是否变形，过去 只采用吊罩检查的方法，目前一些单位采用绕组变形测试仪进行分析判断，取得了 一些现场经验。 2 2 2 放电故障 放电对绝缘有两种破坏作用：一种是由于放电质点直接轰击绝缘，使局部绝缘 受到破坏并逐步扩大，使绝缘击穿。另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性 气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，介质损耗增大，最后导致热击穿。 根据放电的能量密度的大小，变压器的放电故障常分为局部放电、火花放电和 高能量放电三种类型。 华北电力大学硕士学位论文 在电压的作用下。绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放 电现象，称为局部放电。局部放电刚开始时是一种低能量放电，根据绝缘介质的不 同，可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电。局部放电的能量密度虽然不 大，但若进一步发展将会形成放电的恶性循环，最终导致设备击穿或损坏，而引起 严重的事故。由于局部放电是变压器诸多有机绝缘材料故障和事故的根源，随着变 压器故障诊断技术的发展，出现了多种测量方法，主要有电测法、超声测法和化学 测法。 变压器发生火花放电时能量密度大于l o 6 c 的数量级。火花放电分为悬浮电位 引起的火花放电和油中杂质引起的火花放电。变压器发生火花放电故障的主要原因 是油中杂质的影响。一般来说，火花放电不致很快引起绝缘击穿，主要反映在油色 谱分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易被发现和处理。 电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或 对地闪络和分接开关飞弧等故障。电弧放电故障由于放电能量密度大，产气急剧， 常以电子崩形式冲击电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化 烧毁，严重时会造成设备烧损，甚至发生爆炸事故，这种事故一般事先难以预测， 也无明显预兆，常以突发的形式暴露出来。 综上所述，三种放电的形式既有区别又有一定的联系，区别是指放电能级和产 气组分，联系是指局部放电是其他两种放电的前兆，而后者又是前者发展后的种 必然结果。 2 2 3 绝缘故障 电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作 的基本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料( 即油纸或树脂等) 的寿命决定的。 实践证明，大多变压器的损坏和故障都是囡绝缘系统的损坏而造成。据统计，因各 种类型的绝缘故障形成的事故约占全部变压器事故的8 5 以上16 1 。 油浸变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料绝缘纸、纸板和木块 等。所谓变压器绝缘的老化，就是这些材料受环境因素的影响发生分解，降低或丧 失了绝缘强度。 1 固体纸绝缘故障 固体纸绝缘是油浸变压器绝缘的主要部分之一，包括：绝缘纸、绝缘板、绝缘 垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素。固体绝缘具有不可逆转的老化 特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。变压器的寿命主要取决于绝 缘材料的寿命，因此油浸变压器固体绝缘材料，应具有良好的电绝缘性能和机械性 能，而且长年累月的运行后，其性能下降较慢。 华北电力大学硕士学位论文 判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度，或利用高效液相色谱 分析技术测量油中糠醛含量，以便于分析变压器内部存在故障时，是否涉及固体绝 缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度。 2 液体油绝缘故障 绝缘油是各种烃、树脂、酸和其他杂质的混合物，其性质不都是稳定的，在温 度、电场及光合作用等影响下会不断地氧化。正常情况下绝缘油的氧化过程进行得 很缓慢，但混入油中的金属、杂质、气体等会加速氧化的发展，使油质变坏，颜色 变深，透明度浑浊，所含水分、酸价、灰分增加等，使油的性质劣化。 通过测试绝缘油的酸值、界面张力、油泥析出、水溶陛酸值等项目，可以判断 绝缘油是否变质；测试绝缘油的微水，可以判断绝缘油是否进水受潮。若油中只混 有水分和杂质，可用干燥的办法排除水分，用过滤的方法清除杂质，通过抽真空的 方法排除油中的空气。 2 2 4 铁芯故障 电力变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地。若没有接地，则铁芯对地 的悬浮电压，会造成铁芯对地断续性击穿放电，铁芯一点接地后消除了形成铁芯悬 浮电位的可能。但当铁芯出现两点以上接地时，铁芯间的不均匀电位就会在接地点 之间形成环流，并造成铁芯多点接地发热的故障。变压器的铁芯接地故障会造成铁 芯局部过热，严重时，铁芯局部温升增加，轻瓦斯动作，甚至将会造成重瓦斯动作 而跳闸的事故。有关资料统计表明，因铁芯问题造成的故障比例，占变压器各类故 障的第三位”。 发生铁芯接地故障时，变压器油色谱分析有异样，总烃含量超过规定的注意值 ( 1 5 0 “l l ) ，其中乙烯( c 2 h 4 ) 和甲烷( c h 4 ) 占较大比重，乙炔( c 2 h 2 ) 含量低 或没有变化，总烃产气速率常超过“规程”规定的注意值，c 2 h 4 产气速率急剧上升。 除此之外，变压器的接地电流也将明显增大，停机检查时可直接测铁芯对地绝缘电 阻判断是否存在铁芯多点接地故障。 除了上面几种常见的故障类型外，还有油箱密封不良、冷却装置故障、分接开 关传动装置外部故障等外部原因产生的故障。但这些外部故障常常会在变压器内部 引发故障，同样可以通过检测试验发现。 变压器运行管理人员主要关注变压器的内部故障。但有时变压器的内部故障不 是单一原因造成的，而是涉及多个元器件，因此应仔细分析故障产生的征兆，综合 考虑检测试验结果，才能准确、全面地找出故障原因，提出完备的维修措施。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 常用的故障检测技术 变压器故障的检测技术是判断有无故障、准确诊断故障类型的主要手段，为保 证变压器的正常运行，必须对其进行一定形式的检测，防止产生严重事故。目前对 变压器的检测是以离线检测为主、在线监测为辅的原则。 2 3 1 离线检测技术 电力变压器的绝缘系统是变压器的关键部位，也是较易发生故障的部位。变压 器的预防性试验是其运行和维护工作中一个重要环节，是及时发现变压器绝缘缺陷 的必要的、有效的手段，其目的是验证变压器的各种绝缘性能是否符合有关标准和 技术条件的规定，发现制造上是否存在影响运行的各种缺陷，如短路、断路、过热、 放电等，它被认为是诊断变压器故障的主要方法，其有效性对诊断结果的准确性有 着确定性的影响。通过各种有效的试验，获取可靠、准确的试验结果是正确评估变 压器状态的基本前提。根据d l t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程规定，电力变 压器试验项目共有3 2 项。主要包括油中溶解气体色谱分析、直流电阻检测、绝缘 电阻及吸收比检测、绝缘介质损失角正切检测、油质检测、局部放电检测及绝缘耐 压试验等。各种基本检测项目的相应特点和功能如表2 - 1 所示【1 7 1 。 表2 一l 变压器故障基本检测项目及特点 发现缺陷的可能性 序测试方 分布于整个被试 在电极间构成 没有构成贯磨损与 电气强 总评 号法桥路连续的贯度的裕 品的缺陷穿性缺陷污闪 穿性缺陷度降低 绝缘电当严重受潮，贯 按r ( m n ) 或对某些 l阻及泄穿性电导增长时 泄露与电压的 不易检出 能很好缺陷可基本方 关系曲线能很发现给出间法之一 露电流能发现 好发现接指示 能检出，必须能检出，必须 能检出， 不能发估计受 2吸收比发现受潮很有效必须积 积累经验积累经验现潮程度 累经验 对某些 介质损由t 9 8 一t c 的关 小电容量的试小电容量的 耗冈数系曲线发现受缺陷可基本方 3品，能很好地试验品能发能检出 给出间法之一 ( t 9 8潮，由增占一u 关 检出现 系曲线发现游离接指示 华北电力大学硕士学位论文 与其他 耐压试当电气强度降 当电气强度 当电气 方法配 4 能发现降低时可能 强度降 能发现合检查 验低时可能发现低时可 发现最低电 能发现 气强度 过热可以很好的产生高温和火 沿面放 放电可 局部放电可电可以 油色谱发现( c o 、c 2 h ) ，花放电时可以以发现基本方 5 以发现( c h a 、发现 分析老化可以发现发现( c 2 h 4 、 ( c 2 h 2法之一 ( c 0 2 )c 2 h 2 ) h 2 大)( c 2 h 2 大) 大) 能间接基本方 局部放能很好的发现游 能检出火花判断( 沿法之一 6不能发现 放电和游离面放电能发现( 研究 电试验离变化 的缺陷时可发应用 现)中) 直流电焊接不良，螺 基本方 7 线径、材质不一分接开关不良能发现能发现 阻丝压得不紧 法之一 i 8 油耐压 基本方 试验 能发现不能发现不能发现能发现能发现 法之一 本文介绍了工程中常用的几项基本的检测手段。 1 绕组直流电阻检测 变压器绕组直流电阻的检测是一项很重要的试验项目，规程规定它是变压器大 修时、无载开关调级后、变压器出口短路后和1 3 年1 次等必试项目。在变压器的 所有试验项目中是一项较为方便而有效的考核绕组纵绝缘和电流回路连接状况的 试验，它能够反映绕组匝间短路、绕组断股、分接开关接触状态以及导线电阻的差 异和接头接触不良等缺陷故障，也是判断各相绕组直流电阻是否平衡、调压开关档 位是否正确的有效手段。长期以来，绕组直流电阻的测量一直被认为是考查变压器 纵绝缘的主要手段之一，有时甚至是判断电流回路连接状况的唯一办法。 2 绝缘电阻及吸收比、极化指数检测 绝缘电阻试验是针对变压器主绝缘性能的试验，主要诊断变压器由于机械、电 场、湿度、化学等作用及潮湿污秽等影响程度，能灵敏反映变压器绝缘整体受潮、 整体劣化和绝缘贯穿性缺陷，是变压器能否投运的主要参考判据之。 吸收比或极化指数能够反映绝缘受潮，是对变压器诊断受潮故障的重要手段。 华北电力大学硕士学位论文 相对来讲，单纯依靠绝缘电阻绝对值的大小，对绕组绝缘作出判断，其灵敏度、有 效性比较低。这是因为测量时试验电压太低难以暴露缺陷；另一方面是因为绝缘电 阻值与绕组绝缘的结构尺寸、绝缘材料的品种、绕组温度等有关。 用绝缘电阻判断变压器主绝缘时，要注意考虑测试时间、测试温度、油中含水 量、变压器容量和电压等级的影响。对不同容量、不同电压等级的变压器的绝缘电 阻随加压时间变化的趋势有所不同，一般是6 0 s 之内随加压时间上升很快，6 0 s 到 1 2 0 s 上升也较快，1 2 0 s 之后上升速度逐渐减慢。从绝对值来看，产品容量越大的电 压等级越高，尤其是2 2 0 k v 及以上电压等级的产品，6 0 s 之前的绝缘电阻值较小、 6 0 s 之后达到稳定的时间越长。当变压器的温度不超过3 0 。c 时，吸收比随温度的上 升而增大，约3 0 c 时吸收比达到最大极限值，超过3 0 c 时吸收比则从最大极限值开 始下降。而变压器油中含水量对绝缘电阻的影响比较显著，反映在含水量增大，绝 缘电阻减小、吸收比降低。另外，在变压器容量相同的情况下，绝缘电阻常随电压 等级的升高而升高；在变压器电压等级相同的情况下，绝缘电阻值常随容量的增大 而降低。 3 绝缘介质损耗检测 绝缘介质在交流电压作用下会在绝缘介质内部产生损耗，这些损耗包括绝缘介 质极化产生的损耗、绝缘介质沿面放电产生的损耗和绝缘介质内部局部放电产生的 损耗等。绝缘介质损失角正切检测也是一项用于变压器整体缺陷检查的检测，它可 以对绝缘总体的干燥质量、吸潮程度、清洁程度以及老化情况等进行判断。但是介 质损耗因数试验的有效性正随着变压器电压等级的提高、容量和体积的增大而下 降。 4 油质检测 变压器油是绝缘系统的一个重要组成部分，其质量好坏直接关系着变压器能否 正常运行，因此应根据不同的要求，对变压器油进行油品质的不同项目的检测和分 析判断，以便及时发现油中存在的问题。 绝缘油试验、油中含水量、油中含气量以及油中糠醛含量测量都属于油务试验 或油化验的范畴。但是油化验的结果有二定的分散性，这种分散性来自取样、送检、 化验全过程，油中溶解气体分析也有类似问题。不过，油化验在变压器故障诊断中 还是有较大价值的。比如：糠醛含量的大小能够反映绝缘的老化程度：绝缘油的耐 压试验能说明油质的好坏等等。 5 铁芯绝缘电阻检测 铁芯既构成变压器的磁路，又是变压器能量传递的媒体，是电力变压器中最重 要的组件之一。为了防止铁芯多点接地，工程上一般测量铁芯绝缘电阻来降低铁芯 华北电力大学硕士学位论文 故障的发生率。测量的方法与绕组绝缘电阻的测量方法基本相似。 2 3 2 在线监测技术 在线监测是连续的自动监测，因此它的发展是与传感器技术、电子技术、信号 处理技术、数据储存、记录技术等息息相关的。近年来，由于计算机技术的飞速发 展，使得计算机的性能提高和价格下降，大大扩展了在线监测技术的测量方法和应 用范围。不少新的在线监测方法及仪器丰富了原有的绝缘预防性试验方法。 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 作停电试验或适当延长周期”。由此看出离线及在线检测都是绝缘试验中的重要内 容，只有因地制宜，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。 我国对电力变压器实行的在线监测方法主要有：油中气体含量利用化学方法在 线检测，包括：油色谱在线监测、油中氢气浓度在线监测、油中氢气和一氧化碳在 线监测、油中乙炔在线监测等：铁芯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。其中， 变压器油中气体含量、局部放电在线监测是开发较早和应用较广泛的两种在线监测 技术。 油中溶解气体分析作为目前电力系统中对油浸电力设备常规使用的重要监测 手段，因能够及时发现变压器内部存在的早期故障，在以往的运行维护中消除了不 少事故隐患。据统计，我国电网中有5 0 以上【1 8 】的故障变压器是通过该试验结果检 出的。由于这一检测技术能够在无须停电的情况下进行，不受外界