（高电压与绝缘技术专业论文）大型电力变压器状态评估方法的理论研究.pdf

7 j 一 譬 _ t 夕k ，- 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，其运行状态对电力系统安全、稳 定和经济运行有着重要影响。因此，对其运行状态进行科学的评估，对于制定合理 的维修策略、提高其运行可靠性有着重要意义。 本文针对引起电力变压器故障的不同作用因素，分别研究了热应力、电应力和 机械应力三种失效因素对变压器寿命的影响。在研究变压器热点温度估算的基础 上，提出了基于热点温度估算的变压器可靠性评估模型。通过实验室试验，研究雷 电及操作冲击电压对油纸绝缘破坏的累积效应，为今后的评估工作提供理论支持。 通过仿真研究，提出了变压器绕组可靠性评估的应力一强度干涉模型，实现了对变 压器在外部短路情况下的可靠性评估。 这些模型和结论，对评估电力变压器可靠性均具有一定的参考价值。 关键词：状态评估，电力变压器，累积效应，绕组变形 a b s t r a c t 、 p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e so fp o w e rs y s t e m i t so p e r a t i n g c o n d i t i o nh a si m p o r t a n te f f e c t so nt h es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m i co p e r a t i n go fp o w e r s y s t e m t h e r e f o r e ，a s s e s si t so p e r a t i n gc o n d i t i o ns c i e n t i f i c a l l yh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o r d e v e l o pr e a s o n a b l em a i n t e n a n c es t r a t e g i e sa n di m p r o v ei t so p e r a t i n gr e l i a b i l i t y t h ee f f e c to ft h e r m a ls t r e s s ，e l e c t r i c a ls t r e s sa n dm e c h a n i c a ls t r e s so i lt r a n s f o r m e rl i f eh a s b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e d0 1 1t h es t u d yo ft r a n s f o r m e rh o ts p o tt e m p e r a t u r ee s t i m a t i n g , ar e l i a b i l i t ya s s e s s m e n tm o d e lb a s e do nh o ts p o tt e m p e r a t u r ee s t i m a t i n gh a sb e e np r e s e n t e d t h r o u g hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h ec u m u l a t i v ee f f e c t so fi m p u l s ev o l t a g eo no i l p a p e r i n s u l a t i o nh a sb e e ns t u d i e d ，w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rf u t u r ea s s e s s m e n t s t h r o u g hs i m u l a t i o n ，as t r e s s - s t r e n g t hi n t e r f e r e n c em o d e lo fw i n d i n gr e l i a b i l i t ya s s e s s i n gh a s b e e np r e s e n t e d ，w h i c hi su s e dt oa s s e s si t sw i n d i n gr e l i a b i l i t yw h e ns h o r tc i r c u i t t h e s em o d e l sa n dc o n c l u s i o nh a v es o m er e f e r e n c ev a l u ef o ra s s e s s i n gp o w e rs y s t e m r e l i a b i l i t y d e j u nw a 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 yp r o f y u s h e n gq u a n k e yw o r d s ：c o n d i t i o na s s e s s m e n t ，p o w e rt r a n s f o r m e r ，c u m u l a t i v ee f f e c t ，w i n d i n g d e f o r m a t i o n 1 一 i 一 一 一、 i ， 套 _ 一一 ， 华北电力大学硕上学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 电力变压器健康等级评定的研究现状3 1 2 2 电力变压器剩余寿命的研究现状5 1 3 当前电力变压器状态评估方法存在的不足6 1 4 本文主要工作6 第二章电力变压器的故障统计与分析8 2 1 电力变压器的故障统计8 2 2 电力变压器故障分析9 2 2 1 故障及其影响分析9 2 2 2 故障的发展过程1 2 2 2 3 变压器老化及故障机理。1 3 2 3 本章小结1 4 第三章热应力对变压器可靠性的影响1 5 3 1 固体绝缘的热老化过程及其影响分析1 5 3 2 电力变压器热点温度的估算方法1 6 3 2 1 根据负荷水平、顶层油温和环境温度估算热点温度。1 7 3 2 2d g a 用于变压器热点温度的估算1 9 3 3 基于热点温度估算的变压器可靠性评估模型2 2 3 3 1 评估模型的建立2 2 3 3 2 模型中参数的确定2 3 3 3 3 评估流程2 4 3 4 本章小结。2 5 第四章电应力对变压器绝缘性能的影响2 6 4 1 油纸绝缘的电老化2 6 4 1 1 电力变压器承受电应力分析2 6 4 1 2 固体绝缘的电老化2 7 4 2 冲击电压对油纸绝缘破坏累积效应的研究2 9 4 2 1 研究的意义2 9 4 2 2 试验过程及步骤3 0 4 2 3 试验结果与分析3 6 4 3 本章小结3 9 第五章短路冲击对变压器故障率的影响4 0 5 1 电力变压器短路电动力分析与计算4 0 5 1 1 变压器短路电动力分析4 0 5 1 2 变压器短路电动力的计算。4 l 2 一1 f l ，i 一 华北电力大学硕士学位论文 5 1 3 突发短路时线圈导线上的应力计算4 4 5 2 变压器绕组故障分析4 5 5 2 1 绕组损坏的主要模式4 5 5 2 2 绕组失稳的计算4 6 5 3 短路冲击作用下绕组可靠性的m a t l a b 仿真4 7 5 3 1 应力强度干涉模型4 8 5 3 2 仿真步骤及结果4 8 5 4 本章小结5 2 第六章结论与展望5 3 6 1 结论! ；：i 6 2 展望5 4 参考文献5 5 j 1 5 e 谢! ； ； 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 i 一 华北电力大学硕士学位论文 一 ，l 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 保证电网安全可靠运行始终是电力系统运行的首要任务。电网瓦解和大面积停 电事故，不仅会造成巨大的经济损失，影响人民正常生活，还会危及公共安全，造 成严重的社会影响。本世纪以来，国际上就相继发生了几起影响极大的大面积停电： 2 0 0 3 年，相继发生了8 1 4 北美和加拿大大停电、8 2 8 伦敦大停电、9 1 悉尼和马来 西亚大停电、9 2 3 瑞典一丹麦大停电和9 2 8 意大利大停电【3 】，其中以北美和加拿大 大停电影响最大，波及面积最广。2 0 0 8 年1 月，我国南方大部分省区也发生了因雪 凝天气导致的大面积停电，部分地区停电甚至达一月之久，其损失不可估量。 随着“西电东送、南北互供、全国联网战略的实施和特高压交直流输电系统 的规划建设，我国电网无疑将成为世界上最先进、最复杂的电网。相应地，电力设 备的容量越来越大，电压等级越来越高，同时对电力系统的安全运行和供电可靠性 提出了更高的要求。过去对电网大停电事故的原因和电网存在主要问题的分析更多 地强调电网运行问题，对电力设备自身故障引发的电力事故重视程度不够。而电力 设备安全是电网安全的第一道防线，事实表明，相当多的重大停电事故均是由设备 故障引起的 2 2 1 ，只有从引发电网事故的主要源头上建立起第一道防御系统，大幅度 提高大型互联电网运行可靠性的目标才有可能实现。 电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电气设备之一，提高电力变压器， 特别是大型电力变压器运行的可靠性，无论对整个电网的安全可靠运行，还是降低 电网运行成本都具有十分重要的意义。除了在变压器设计制造过程中提高其可靠性 外，更关键的是要在变压器的运行过程中提高其维护与检修水平。电气设备的维修 体制大致经历了三个阶段：事后检修、计划检修以及状态检修。 长期以来，电力行业一直沿用这种绝缘预防性试验和定期维修的维修制度。这 种检修模式有其自身的科学依据和合理性，在多年的实践中有效减少了设备的突发 事故，对于保证电力系统的安全运行起到了关键的作用。然而随着电网设备数量的 急剧增加，其缺点也日益凸现：检修工作“一刀切 ，使得该修的设备维修不足， 不该修的盲目维修，不但造成人力、物力和财力的大量浪费，过度维修过程中对设 备进行的频繁拆卸，还增加了引起变压器新隐患的几率；此外，维修后进行的耐压 等试验也会对变压器造成不可逆损伤，使其总体寿命下降。 因此，迫切需要在充分考虑电网安全、环境、效益等多方面因素情况下，探索 华北电力大学硕士学位论文 提高设备运行可靠性和检修针对性的新的检修管理方式。设备状态监测和故障诊断 技术的快速发展和普及，使得及时准确地掌握变电设备的运行状态成为可能，基于 设备运行状态的维修方式便是在这样一个背景下产生的。资料表明，对电力变压器 等设备运行状态实施状态维修，可提高设备利用率5 以上，使故障停电时间减少 7 5 ，每年的维修费用减少2 5 - - 5 0 【2 】。可以说，采用状态维修不仅能够提高检 修的针对性和有效性，延长设备的使用寿命，提高系统运行的可靠性，还能够降低 设备的维护费用，减轻工作人员的劳动强度。 发达国家在电力行业开展状态检修工作比较早。1 9 8 6 年，美国电力研究所 ( e p r i ) 在费城成立了监测与诊断中心( m & d ) ，研究发电厂变电站的在线和定期 监测诊断技术，并在艾迪斯通电厂开展状态维修工作【1 8 】。他们通过振动、声像、化 学分析、热成像技术及应力应变测量等技术判断设备目前的状态是否超过警戒线， 对状态发展趋势、维修成本等进行综合分析，提出建议和报告。这些研究取得了明 显效果，降低了维修费用，提高了设备的可靠性。该中心在对变电站的维修中，红 外诊断技术、便携式油中含气量分析、超声波分析、局部放电监测、声波测试及振 动检测等技术均得到应用。其他一些发达国家，如日本、法国、丹麦、瑞典、西班 牙、德国等的一些公司企业在设备诊断技术研究和开发方面都有一些进展，特别是 在变压器和断路器在线状态监测、评估和维修等方面进行的深入研究和试验，已经 在一些设备维修中得到应用。 我国电力企业于上世纪8 0 年代末也开始在这方面开展理论研究与试点应用工 作，取得了较好的效果。如大连电力局开展了电力变压器状态维修项目，天津电力 局开展了电流互感器、电压互感器、电容器和避雷器的状态维修项目，山东省电力 公司开展了电力线路和断路器的状态维修项目，等等。1 9 9 6 年1 1 月，原电力部召 开了全国电力设备状态维修工作交流会。1 9 9 7 年，原国家电力公司安运部在上海又 召开了电力设备实施状态维修研讨会。2 0 0 8 年，国家电网公司颁布了相关的评估和 维修导则。这一导则的颁布实施，意味着状态维修工作在我国全国范围内的展开。 状态维修是建立在状态监测、状态评估以及趋势预测等基础之上的，如果没有 这些技术的支持而去谈状态维修决策，显然没有任何意义。目前，关于电力变压器 的状态监测技术已日渐成熟，如油中溶解气体分析技术( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ， d g a ) 、局部放电在线监测技术( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 、红外测温以及绕组变形 的监测等技术都已得到广泛应用。然而，如何通过这些状态特征量，科学合理地评 价设备的健康状况，对其剩余寿命或者可靠性进行评估和预测，等等，都是目前尚 未解决而又亟需解决的问题。因此，研究利用电力变压器的各类运行信息和状态参 量，实现对它的健康水平的科学评估，有着极其重要的意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 近年来，随着状态维修理论的深入研究与应用，设备状态综合评估技术得到了 各方面的重视，国内已有不少学者对此进行了研究，有关电力变压器状态评估方法 的文献不断涌现。对电力变压器的运行状态进行评估，一方面可以通过对它的健康 等级进行评定，用来反映其健康状况。另一方面还可以评估其剩余寿命，以反映它 的故障风险和可靠性。 1 2 1 电力变压器健康等级评定的研究现状 在对变压器健康等级的评定方面，目前的评估方法主要有三类。 1 2 1 1 评分法 这种方法采用打分( 或者扣分) 的办法，按照一定的评分标准，针对设备不同 状态参量对其进行打分( 扣分) ，分值( 或扣分值) 的多少即决定着设备处于何种 运行状态。如加拿大p o w e r t e c hl a b s 公司的n i c k 等人开发出的一套软件，程序根据各 测试项的测试值、运行历史和寿命等自动计算出设备的健康指标，从而确定变压器的状 态等级【3 】。与此相仿，我国国家电网公司组织编制的油浸式变压器( 电抗器) 状 态评价导则也采用这种状态评分的解决方案【l 】。考虑到各状态量对设备影响的不 同，该导则对不同状态量均设定了不同的权值。这种采用阈值和评分规则的状态评 分方法操作性比较好，容易应用于生产和管理，所考察的状态量也较为全面，对开 展状态维修具有一定的指导意义。然而，这种使用简单的判据和阈值评分法缺乏严 格的理论依据，因而其评估结果能否真实反映设备的实际健康状态尚存质疑。 1 2 1 2 关键性特征指标判别法 印尼国家电力公司的y t a m s i r 等人提出的基于热应力的变压器状态评估方法就属 此类【副。考虑到热应力在设备老化过程中的重要作用，当它处于过热或者严重超载运行 的时候，其绝缘特性将受到很大影响，设备发生故障的概率和风险也将增大。他们将 变压器状态分为好、良好和差三个等级，采用顶层油温、负荷比、热点温度、油界面 张力、产气量以及产气率等参数，结合神经网络对变压器状态进行评估。其中各参量 所决定的状态等级根据绝缘介质承受应力的极限以及统计数据获取。荷兰代尔夫特 理工大学的j s m i t 和e g u l s k i 也开展了对电缆、变压器及g i s 诊断手段的研究和探讨， 针对不同的电力设备采取不同的特征指标和诊断方法，然后根据这些诊断标准来确定设 备的健康状态【9 】。这类评估方法仅关心对设备可靠性关系重大的实时状态特征量，没有 考虑到诸如运行历史等参量，故对设备状态的评估是不全面的。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 3 基于信息冗余技术的方法 这类方法是根据设备信息的不同特点，采用不同的信息冗余技术，对设备状态信息 进行综合，最后得出一个较为符合当前运行状态的健康等级。目前国内的研究多属此类， 归纳起来大致有如下几种： 基于d s 证据推理的评估方法。在对电力变压器进行评估时，往往需要处理大 量的状态信息或者特征参量，而各种传感器所提供的信息一般具有很大的不确定 性。d s 证据推理正是一种处理不确定信息的比较好的推理方式。利物浦大学的 w h t a n g 博士等人依据证据理论提出了一种基于d s 证据推理的方法【1 0 】，实现了 对变压器的状态评估。他们利用油中溶解气体对变压器热状态、放电状态以及有载 调压开关的状态分别进行评估，最后综合得出设备综合状态。华北电力大学的吴莉 琳则将证据推理与神经网络结合起来，提出了一种基于径向基函数( r b f ) 网络和 证据推理的分层式信息融合的变压器状态评估模型【1 2 】，该模型将整个评估过程分为 两层：基于模块神经网络的初步诊断层和基于d s 证据推理的融合决策诊断层，能 够有效地克服局部测量参数的失真，使得评估的准确性和可靠性明显提高。 基于模糊评判的评估方法。这一方法主要针对状态信息的模糊性。文献 2 1 1 弓i 进模糊理论的知识，提出基于模糊综合评判的变压器状态评估的方法，建立了变压 器状态综合评判模型。该模型包括评判因素的选取和评语集的建立，并确定符合实 际情况的综合评判模型中的模糊算子。考虑到评判过程中各状态参量对设备整体的 影响和作用不同，常采用对各指标加权的方法进行综合评判。但是，如果权向量总 是固定不变的，这在实际问题中并不合理。为了解决这种常权加权综合评判存在的 单纯依靠改变权重所不能解决的个别参数严重劣化时带来的状态误判问题，华中科 技大学的江伟提出了变权的思想，建立了基于变权加权的设备状态评估模型【1 8 】。然 而，模糊理论中隶属函数的确定主观性太强，有时候易造成各评价指标之间的不相 容现象。针对这一缺点，重庆大学熊浩等人采用了基于物元理论的评估方法对其进 行改进，在对变压器指标进行量化的基础上，从定性和定量两个方面对变压器的运 行状态进行了评估【1 1 7 1 。 基于灰色聚类决策的评估方法。证据推理和模糊推理解决了状态信息的不确定 性和模糊性问题，却未能解决信息的不完整性，而现场通常不可能获取全部的状态 信息。灰色理论在处理信息不完整性方面正好发挥了它的特长。重庆大学的袁志坚 博士在其论文中深入地研究灰色系统理论及灰色聚类决策、白化权函数，并在分析 变压器状态评估所涉及的状态信息的基础上，提出了采用灰色聚类决策对变压器健 康状态进行评估的方法【l4 1 。 其他评估方法。除上述三大类评估方法以外，还有许多其他的评估方法。如基 于灰靶理论的评估方法【1 9 】、基于支持向量机的评估方法【2 0 】等。这些评估方法各具特 4 华北电力大学硕士学位论文 点，在实际应用中可根据具体的应用情况，采用一种或者多种合适的评估方法，以 达到更好的效果。比如华北电力大学齐振忠等人将人工神经网络、粗糙集理论与d s 证据推理相结合，提出了一种多信息融合的变压器状态评估方法，解决了因变压器信息 参数繁多而造成的网络结构复杂和庞大等一系列问题【1 4 1 。 以上评估方法均只对设备当前的运行状态进行分析，而现实中往往还需要对设 备未来的状态进行预测。基于状态评分的框架，吴立增等人探讨了贝叶斯网络推理 算法和贝叶斯网络学习算法，根据历史状态、当前状态和预测状态建立了贝叶斯网 络，提出基于贝叶斯网络的变压器状态综合评估模型【l l t ”】。 1 2 2 电力变压器剩余寿命的研究现状 对于寿命的评估至今仍然是一个极为复杂的课题，要对设备的剩余寿命的年数进行 精确的估算是非常困难的。多年来，不同的工业组织依据温度对变压器寿命所进行的评 估都采用不同了标准。国外已将运行1 5 年以上电气设备的剩余寿命预测和评估列为重 点研究课题，研究电气设备绝缘在多因子联合作用下老化特征参量、老化规律、老化机堪 理和剩余寿命评估已成为国内外绝缘领域的重要研究内容。在电力变压器剩余寿命的评 估方面，目前的评估方法归纳起来主要有三种： 一是统计分析法。这一方法主要应用于对大批同类型同批次的设备进行管理。它是 。， 通过对设备群的故障进行统计分析，获取它们的寿命特征，从而根据已知设备的运行年 限对其剩余寿命进行估计，从而做出各种设备处理决策。这一种方法在理论上可行，但 由于电力变压器发生的故障率很小，国内企业对这方面的研究也不够重视，故目前关于 。 这方面的文献并不多见。 第二种方法是从导致设备故障的外在因素( 如电应力、热应力等，本文称之为失效 因素) 出发，研究它们对设备寿命的影响，从而根据其作用的强度、设备的运行时间实 现设备剩余寿命的评估。对电力变压器而言，目前应用最为广泛的是基于热绝缘老化的 a r r h e n i u s 模型，i e e e 标准在对变压器剩余寿命的评估时采用的就是这一基于热老化的 寿命模型【4 】。根据该模型，电力变压器在特定温度下的使用寿命可表达为： l = a 唧拿 除此以外还有一些比较重要的寿命模型，如基于电应力的反幂模型和指数模型、 基于电热联合老化的s i m o n i 模型、c r i n e 模型、r a m u 模型和f a l l o u 模型等【5 】。 德国h a n o v o r 大学的z h a n gx i a n g 等人在单一应力对绝缘寿命影响的基础上考虑到电、 热和机械的多重作用，对电热机械三重因素联合作用下的寿命模型进行了研究1 2 5 1 。 第三类方法是寻找能够反映设备失效的状态特征量，根据该特征量对其剩余寿命进 行评估。比如变压器油中所含的c o 、c 0 2 气体，一般认为它们的产生与固体绝缘有关， 而电力变压器的寿命又取决于固体绝缘的寿命，因此这两种气体的含量能一定程度上反 5 华北电力大学硕士学位论文 映了变压器绝缘的老化状况。此外，变压器的固体绝缘主要是绝缘纸( 板) ，其在老化 过程中聚合度会有所下降，聚合度的大小也能够反映出设备剩余寿命的多少。然而，目 前国际上还没有一个采用聚合度用于判断变压器寿命终止的统一标准，有的国家将聚合 度下降到2 5 0 作为寿命终止的依据，而另一些国家则认为是2 0 0 。当然，在现场要取得 固体绝缘的聚合度是相当困难的，而且不可能应用于在线检测。后来的研究发现，固体 绝缘在老化分解过程中，会产生一种叫做糠醛的物质，该物质溶解于变压器油中，且与 聚合度存在着很大的相关性。这一发现，为变压器剩余寿命的评估提供了一条便捷而有 效的途径，而且不需要停电即可进行。印度理学院的p a n d u r a n g a i a h 等人利用蒙特卡罗 仿真解决了现场获取数据的困难，研究了利用获取的数据直接和间接评估变压器寿命的 方法【2 6 1 。他们的基本思想是：变压器寿命与聚合度的对数成线性关系，绝缘的聚合度和 糠醛含量的对数也成线性关系。间接法通过建立聚合度与c o 、c 0 2 等气体浓度之间的 关系，根据气体浓度由聚合度间接判断设备寿命；直接法则将变压器寿命与气体浓度相 关联，直接利用气体浓度判断设备寿命。 1 3 当前电力变压器状态评估方法存在的不足 尽管近几年在设备健康状况的综合评估方面虽然研究工作不少，但仍然存在着 很多不足。主要表现在以下几个方面： 一是目前这些评估方法没有揭示变压器发生故障的机理，对设备进行评估时缺 乏严格的理论依据，因此不可能在本质上把握设备的真实健康状态。 二是评估时将变压器失效因素与在其作用下设备表现出的特征指标区别对待， 但实际上两者并非孤立，而是存在一定的联系。特征指标的异常往往是某一种或多 种失效因子作用的结果，这样很可能会造成对设备重复评估。故这些评估方法对设 备的评估结果与其真实状况是有差距的，不能真实有效的反映设备的健康水平。 三是剩余寿命的评估相对较为成熟，但是，变压器寿命的终止往往是多种失效 因素作用的结果，而目前还没有一个能够描述多种老化因子作用下的寿命模型，也 没有一个寿命终止的统一标准。 综上所述，建立一个既考虑变压器状态特征量，又考虑到它的运行年限、运行 环境等实际状况，同时又能真实的反应设备故障机理的综合状态评估模型，已经成 为当前开展状态评估工作中亟需解决的课题之一。 1 4 本文主要工作 无论是采用状态评分的评估方法，还是基于信息融合技术的评估方法，其目的 都是利用电力变压器的各种状态信息，对其运行状态或者健康水平进行定性或者定 6 华北电力大学硕士学位论文 量。鉴于当前评估方法的不足，本文做了如下工作： 1 对国家电网公司近几年1 1 0 k v 及以上电压等级的电力变压器故障情况进行统 计，研究变压器常见的一些故障机理及故障模式。分析弓f 发故障的外在作用因 素。 2 针对热应力，研究其对电力变压器寿命的影响，探讨变压器热点温度估算的各 种方法。根据固体绝缘热老化的a r r h e n i u s 模型，结合可靠性相关知识和理论， 建立电力故障率与热老化速率、热点温度之间的关联，最终建立基于热点温度 估算的电力变压器可靠性评估模型。 3 针对电应力，开展实验室试验，对油纸绝缘施加一定强度、一定次数的雷电和 操作冲击电压，探讨雷电及操作冲击电压对油纸绝缘破坏的累积效应。 4 针对机械应力，研究电力变压器外部短路时绕组承受短路电动力、导线上承受 应力的计算方法，分析绕组失稳的各种模式和机理，建立绕组可靠性评估的应 力强度干涉模型，并通过计算机仿真来研究变压器在特定短路电流冲击作用下 绕组的可靠性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力变压器的故障统计与分析 2 1 电力变压器的故障统计 设备运行状态可分为故障状态和非故障状态。“故障”通常是指产品或者系统 失去原有功能的状态，在不可维修系统中，一般用“失效”来描述。本文统计的故 障，是指因设备自身的原因或者电力系统中其他诱发因素使设备在运行中跳闸被迫 停运且设备明显损害，或者结构不合理，需要停运修理( 更换) 才能重新投入运行 的情况【2 8 1 。 据不完全统计【2 8 3 ，2 0 0 0 , - , 2 0 0 5 年间，国家电网公司系统在运的l l o k v 及以上 电压等级变压器共发生故障2 2 6 台次，六年平均年故障率为0 2 8 。各年在运设备 台数以及故障台次、故障率如表2 1 所示。 表2 1 国家电网公司系统1 1 0 k v 及以上等级变压器运行情况表 年份 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年 在运台数 1 4 5 2 31 2 1 5 91 3 1 8 71 3 6 9 2 故障台次 3 26 32 83 25 31 8 故障率 0 2 2 0 4 3 0 2 3 0 2 6 0 4 0 0 1 3 表2 2 列出了这几年中变压器发生故障时损坏的部位，表2 3 列出了变压器故 障按其发生原因的统计分布情况。不难看出，绝大多数的变压器的事故损坏均发生 在绕组部位，此类故障在各年故障总数中所占比例均超过5 0 。2 0 0 2 至2 0 0 4 三年 中，由于绕组以及绝缘引发的故障均超过故障总数的8 0 ，2 0 0 5 年虽有所下降，但 也达到了5 5 5 6 。 表2 2 变压器故障损坏部位分布表 笊 绕组 主绝缘 套管 分接 其他总计 年份及引线开关 2 0 0 0 2 0 01 台次 1 407 l o2 2 年 6 3 6 4 0 0 0 3 1 8 2 4 5 5 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 2 - 2 0 0 3 台次 4 821636 0 年 8 0 0 0 3 3 3 1 6 7 1 0 0 0 5 0 0 l o o 0 0 台次 3 765325 3 2 0 0 4 年 6 9 8 1 1 1 3 2 9 4 3 5 6 6 3 7 7 l o o o o 台次 1 000 5 31 8 2 0 0 5 年 5 5 5 6 0 0 0 o 0 0 2 7 7 8 1 6 6 7 1 0 0 o o 总计 1 0 981 31 581 5 3 所占比例 7 1 2 4 5 2 3 8 5 0 9 8 0 5 2 3 1 0 0 0 0 8 华北电力大学硕士学位论文 表2 3 变压器故障原因统计表 二磊乏筌 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 42 0 0 5 总所占 故障原因、2 0 0 1 年2 0 0 3 年 年年 计比率 抗短路强度不够 22 12 185 23 3 9 9 结构设计不合理、工 31 81 323 62 3 5 3 艺及材质控制不严 分接开关质量不良 16251 49 1 5 套管质量差 7l501 38 5 0 制造方面其他 300031 9 6 绝缘老化 032o5 3 2 7 进水受潮 001o l0 6 5 误操作 0020 21 3 1 安装不当 02lo31 9 6 雷击过电压 o 9531 71 1 1 l 内过电压 1ol021 3 l 其他 500053 2 7 总计 2 26 05 31 81 5 3 1 0 0 0 0 注；由于未能获得完整数据，上述各表中2 0 0 0 2 0 0 1 年仅统计了3 3 0 k v 及以上电压等级的变压器。 以上统计显示，变压器抗短路强度不够是致使设备停运的首要原因，其导致的 故障占总故障的三分之一还多。其次是结构设计不合理，为2 3 5 3 。此外，雷击过 电压导致的损害事故也占总事故的一成以上。结构设计不合理导致的故障主要表现_ 为两个方面：一方面是绝缘距离不够，致使绝缘击穿引发短路事故；另一方面是绕 组抗短路强度设计得不够，致使绕组在遭受雷电冲击过电压或者外部短路冲击时发 生故障。以上三类故障诱因在很大程度上与绕组短路强度有关，加起来将近占所有 故障损坏的7 0 。由此可见提高电力变压器抗短路强度的重要性。 2 2 电力变压器故障分析 2 2 1 故障及其影响分析 大型电力变压器结构复杂，故障种类繁多，涉及面广，故障类型的划分方式也比 较多。按发生的部位可分为绕组故障、铁心故障、分接开关故障、套管故障和绝缘故障 等；按回路划分可分为电路故障、磁路故障、油路故障；根据变压器本体可分为内部故 障和外部故障。内部故障根据故障性质又可分为热性故障和电性故障。热性故障通常表 现为变压器内部局部过热、温度升高，如铁芯过热、铁芯多点接地、铁芯片间短路、电 流回路过热等。电性故障则指在高电场强度的作用下，变压器绝缘性能下降或劣化的故 障，如绕组匝( 层) 间短路、引线放电故障、局部放电、油流放电等。实际上，除了上 述两类以外，内部故障还有一类结构性故障，如绕组断路或变形，它从性质和机理上与 上述两种均不相同。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 1 绕组故障 绕组故障是指变压器绕组及其绝缘发生的故障，表现为各部分绝缘的老化和受 潮，绕组匝、层、相间以及高低压绕组间发生短路、断路、击穿或烧毁故障，或者 由系统短路造成的绕组机械结构损伤等。 1 ) 绕组短路 绕组短路故障主要有绕组匝、层间短路、相间短路和股间短路等。这些故障中， 以匝间短路影响最大，这是因为发生短路的线匝会构成一闭合回路，该回路将流过 很大的电流，产生极大的热量，极有可能烧毁该匝附近的绝缘，导致其他线匝也随 之短路，如此下去直至整个线圈全部烧毁。 产生这一故障的主要原因有：线圈制作时操作不当，电动力作用使部分线匝发 生轴向位移，导致绝缘匝间损伤形成穿越性短路；导线匝绝缘不够，耐受不住长期 工作电压或短时冲击电压作用；过载运行使绕组导线过热导致绝缘老化、变形、松 脆：各种电压的作用导致绝缘性能劣化；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 ) 绕组断路 当绕组遭到雷电波入侵或者外部短路时，绕组上会受到一个很大的冲击力。该 冲击力如果足够大，则可能将导线拉断，引起此类故障。此时，绕组三相直流电阻 不平衡系数很大，严重时会导致线圈烧毁。 3 ) 绕组变形 绕组变形主要有以下几种形式：线饼倒塌、上下弯曲变形、绕组端部翻转变形、 内绕组导线弯曲或者曲翘等。绕组发生变形时，一方面可能会使绝缘受到损伤发生 局部放电，当变压器遭受雷击或外部短路时，可能导致匝间、饼间击穿，造成突发 性绝缘事故；即使在正常运行电压作用下，长期的局部放电也会加速绝缘老化，引 发绝缘事故。另一方面，如果发生的是局部形变，则会导致绝缘距离发生改变，降 低绕组绝缘性能，为今后安全运行留下了隐患；另外，发生形变后的绕组机械性能 会有所下降，当多次遭受短路电动力能力冲击时，形变会不断累积，直至绕组损坏。 轻度变形一般可以继续运行，但需要加强观察。若变形程度严重，则需更换线 圈或者重新绕制。导致这一故障的原因无非有两个；一是外部雷电冲击或者短路产 生的电动力，二是绕组自身的抗短路强度不够。 4 ) 局部放电 绝缘油中存在气泡，固体绝缘材料中存在空穴式空腔，某些部位存在尖角或者毛刺， 金属部件或导体之间接触不良等都会引发局部放电。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地方。 局部放电的能量密度并不大，它的存在并不影响电气设备的短时绝缘强度。但如果 l o 华北电力大学硕士学位论文 变压器在运行电压下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量将使绝缘产生不良化 合物，慢慢地损坏设备绝缘。日积月累，最后会导致整个绝缘被击穿和损坏，发生突发 性故障。 2 2 1 2 引线故障 引线故障主要有引线焊接不良和引线放电两种。引线焊接不良时会在焊接处形 成热点，导致绝缘劣化或者烧断接头，在短路电流或冲击负荷的冲击下容易引发事 故。引线放电产生的诱因一个是过电压作用，再就是本身的绝缘强度不够，或者引 线存在毛刺、尖角、露铜，引线周边存在尖锐的接地电极，造成电场分布极不均匀。 引线放电若不及时处理，极易烧毁绕组甚至发展成为电弧。 2 2 1 3 铁芯故障 铁芯故障有铁芯接地不良、过热和多点接地等，其中以铁芯多点接地最为多见。这 三类故障之间存在一定因果关系。如接地不良和多点接地常常是导致铁芯过热的原因。 1 ) 铁芯多点接地 变压器在正常运行时，带电的绕组和油箱之间存在电场，而铁芯和金属构件处 于该电场之中，由于电场分布不均，场强各异。如果铁芯不可靠接地，就会产生充 放电现象，损坏铁芯以及固体绝缘和油质的绝缘强度，同时，由于静电感应，在铁 芯或其它金属构件上会产生悬浮电位，造成对地放电。故正常运行时变压器铁芯必 须有一点可靠接地。如果铁芯由于某种原因在某位置出现另一点接地点形成闭合回 路，就会有环流，即造成了铁芯多点接地故障。变压器的铁芯多点接地后，铁芯中 的铁损耗因涡流而增加，引起铁芯局部过热，严重时将烧毁铁芯绝缘，引起更大的过 热，使整个铁芯烧毁，造成重大故障；另外，还有可能产生放电性故障，严重影响 变压器正常运行。 变压器铁芯多点接地故障按接地性质可分为不稳定接地和稳定接地两大类【5 】。 前者接地电阻变化较大，多是由于异物在电磁场作用下形成导电小桥造成的接地故 障，如铁心底座纸板受潮，箱底存在油泥、金属粉末等；后者接地电阻稳定无变化， 多是由于变压器内部绝缘缺陷或厂家设计安装不当造成的接地故障，如接地引线过 长，铁芯穿芯螺栓、压环压钉的绝缘受损，铁芯夹件肢板距心柱太近，使硅钢片翘 起触及其他肢板，等等。 2 ) 铁芯片间短路 为了降低涡流损耗，变压器铁芯均由硅钢片叠加而成，且各片间绝缘应该是良好的。 在铁芯受潮、叠片腐蚀、绝缘漆脱落，或者叠片边缘毛刺大、叠压后片间短路，以及叠 装时绝缘受过大损伤等情况下，片间电阻会变小，增大涡流损耗，从而导致铁芯过热。 # _ ； 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 铁芯过热 引起变压器铁心过热的原因很多，除了接地不良和多点接地外，绕组短路、过载运 行、铁芯片间短路或局部短路、铁轭螺杆接地和铁心漏磁等都会引起铁芯过热。 2 2 2 故障的发展过程 绝大多数故障都不会瞬时发生，而是一个从缺陷的产生、发展，最后才引发故 障的过程。设备从最初的正常运行状态发展到缺陷状态再发展为故障状态通常需要 很长一段时间，少则几个星期，也可能是几个月，在此之前一般都会有一些故障征 兆。其故障发展的过程可用图2 - 1 所示。 状 态 对问 t lt 2t f 图2 1 放障发展过程示意图 在t l 时刻以前，设备运行在正常状态。在各种应力的作用下，随着工作时间的 增加，设备工作到t l 时刻时产生故障隐患，但此时各状态量并不明显，或者说当 前的检测技术无法检测出来。随着设备的逐渐劣化，各种反映设备缺陷的状态量越 来越明显，在t 2 时刻已经能够为人们检测出来，这一时刻点常常被称为潜在故障 点。此时设备运行状态处于异常状态，虽然还可以继续运行，暂时不会导致设备丧 失功能，但如果不采取维修干预措施，设备的劣化将会进一步加速，直到乃时刻， 不得不将设备停下维修后方可再次投入运行。这一时刻被称为功能故障点，也即通 常所说的故障点。 上述故障的发生发展过程，也即设备可靠性随运行时间不断下降的过程。如图 中连接“缺陷发生点 、“缺陷发现点”和“故障点 的曲线所示。随着设备运行时 间的增加，设备劣化速率不断加快，可靠性随之下降，故障率呈增长趋势。 从这一故障发展过程也可知，如果在设备发生故障之前( 如图2 1 中t 2 时刻与 乃时刻之间的时间段) ，能够及时检测出反映设备缺陷状态的特征参量，然后根据 这些状态信息对设备健康水平进行合理的评估，从而根据不同运行状态采取相应的 维修措施，可以有效的防止故障的发生，提高系统的可靠性。这一时间段正是研究 1 2 华北电力大学硕士学位论文 在线检测、故障诊断、状态评估，进而开展状态维修的宝贵时间段。 2 2 3 变压器老化及故障机理 本章2 2 1 中将变压器内部故障分为电性故障、热性故障和结构性故障，前两种故 障与变压器绝缘密切相关，分别对应绝缘的电老化和热老化过程，而结构性故障与绕组 的结构相关，是由机械应力作用下的机械形变造成的。需要指出的是，有时候结构性故 障也会导致绝缘遭到破坏，使电性或者热性故障先于机械故障发生。这也说明变压器故 障往往是多种因素共同作用的结果。结合前面的分析可知，电力变压器故障产生的原因 较为复杂，很多时候各种故障模式之间还互为因果关系。 任何事件的发生都是内在和外在原因共同作用的结果。对电力变压器而言，导致其 发生故障的有自身结构设计的合理性、绝缘性能的好坏、制造及安装过程中留下的安全 隐患等自身因素，更重要的是它在工作过程中需要承受的各种应力。这些应力包括各种 过电压、过热和受潮等，通常被称为老化因子( 或者失效因子) 。这是因为，工作到一 定年限的电力变压器，其故障大多是由于设备在上述各种应力的作用下逐步老化，致使 其绝缘或者结构性能丧失产生的结果。归结起来，这些失效因素有如下