（高电压与绝缘技术专业论文）牵引变压器绝缘老化特性及其检测技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着高速铁路的兴起，电气化铁路的安全运行对牵引供电系统的可靠 性提出了更高的要求。牵引变压器是牵引供电系统的重要组成部分之一， 对其统一管理和检测其工作状况，可以及时发现牵引变压器工作问题，从 而避免由于牵引变电设备故障造成的铁路运营事故。 目前在电气化铁道中，采用定期检查的办法来预防牵引变压器故障的 发生。长期以来，根据预防性试验和油中溶解气体的气相色谱分析结果判 断变压器的绝缘状况，对防止事故的发生起到了很大作用。但是定期的预 防性试验不考虑设备的实际状况，可能出现过多维修和不必要的停机，且 不能及时发现缺陷。又由于牵引变压器数量大、分布广阔。因此，使得检 测工作任务十分繁重，代价较高，加上人工操作上的失误，导致了误差的 扩大而且难以预防突发性故障。在线检测除可减少停运行损失外，还可 提高运行可靠性。目前有关电力系统中高压设备的在线监测与诊断已有很 大进展，但在铁路系统中牵引变压器的在线检测技术的研究与开发，相关 的研究报道尚不多见。 论文在分析了牵引负荷特性的基础上，计算了其对牵引变压器温升造 成的影响，并根据仿真结果，建立了实验室模仿现场条件试验平台，对牵 引变压器的油纸绝缘进行了试验研究；设计了一套基于d g a 技术的牵引变 压器绝缘在线检测系统；解决了在线检测系统的油气分离技术、气体分离 技术和传感器技术，并用实验验证了其有效性。 关键词：牵引变压器：绝缘老化：d g a ：在线检测；油气分离 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dr a i l w a y h i g h e rr e l i a b i l i t yo f t r a c t i o n t r a n s f o r m e ri sr e q u i r e d t r a c t i o nt 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 t c o m p o n e n t so ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，u n i f o r ms u p e r v i s i n ga n d m o n i t o r i n go fi t so p e r a t i o nc a nd i s c o v e ri t sr u n n i n gp r o b l e m ，t h u se f f e c t i v e l y a v o i da c c i d e n t sc a u s e db yt r a c t i o nt r a n s f o r m e r a tp r e s e n t ，r o u t i n e c h e c km e t h o di su s e di nt h ep r e v e n t i o no ft r a c t i o n t r a n s f o r m e rf a u l t s t h e j u d g m e n to f t r a n s f o r m e ri n s u l a t i o nc o n d i t i o n ，w h i c hi s b a s e do np r e v e n t i v et e s ta n dd g a ，h a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l eo fa c c i d e n t p r e v e n t i o nf o ral o n gt i m e b u ti nr o u t i n ep r e v e n t i v et e s t ，t h er e a lo p e r a t i o n c o n d i t i o no ft r a n s f o r m e ri sn o tn o t i c e d ，i tm a yc a u s es u p e r a b u n d a n ta n d u n n e c e s s a r yr e p a i ra n ds t o p p a g e ，a n dt h ed e f i c i e n c yc a n tb ef o u n do nt i m e i n t h eo t h e rh a n d ，b e c a u s eo ft h eb i gq u a n t i t ya n dt h ew i d ed i s t r i b u t i o no f t r a c t i o nt r a n s f o r m e r , i tn e e d sr a t h e ro n e r o u st e s ta n dc o s tt o om u c h c o n s i d e r i n gt h em i s p l a yi no p e r a t i o n ，t h ei n a c c u r a c yw i l lb ee n l a r g e d ，a n di t c a n tp r e v e n tt h eu n p l a n n e df a u l t o n l i n em o n i t o r i n gc a nr e d u c et h eo p e r a t i o n c o s ta n dr a i s et h er e l i a b i l i t y a tp r e s e n to n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sf o r h vi n s t r u m e n th a si m p r o v e dal o t b u to n l i n em o n i t o r i n go ft r a c t i o n t r a n s f o r m e ri nr a i l w a yi sr a r e l yr e p o r t e d t h i sp a p e rc a l c u l a t e dt h ei n f l u e n c eo ft r a c t i o nt r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r e r i s i n g ，w h i c hi sb a s e do nt r a c t i o nl o a da n ds i m u l a t i o n ，e s t a b l i s h e das i m u l a t i v e e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n dt e s tt h eo i l p a p e ri n s u l a t i o n b a s e do na n a l y s i so f i n s u l a t i o no n - l i n ed e t e c t i o no fs e v e r a lk i n d so ft r a n s f o r m e r s t h ed g a o n 。l i n e d e t e c t i o ns y s t e mf o rt r a c t i o nt r a n s f o r m e rw a sd e s i g n e d ，t h e no i l g a ss e p a r a t e d t e c h n o l o g ya n dg a ss e n s o ra r r a yt e c h n i q u ew e r er e s o l v e d k e yw o r d s ：t r a c t i o nt r a n s f o r m e r ；i n s u l a t i o n a g i n g ；d g a ； o n l i n e d e t e c t i o n ；o i l g a ss e p a r a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国的电气化铁路，目前总里程已近2 万公里，而且正以每年约 1 0 0 0 k m 左右的速度增长。预计到2 0 1 0 年，高速或者准高速电气化铁路 将达到6 0 0 0 k m 左右川。随着中国铁路的跨越式发展，对牵引供电可靠性 也提出了更高的要求。牵引变压器是牵引供电系统的重要组成部分之一， 对其统一管理和检测其工作状况，及时发现问题，避免由于牵引变电设备 故障造成的铁路运营事故，具有十分重要的意义1 2 j j 。 目前在电气化铁道中，对牵引变压器故障的预防办法就是采用定期检 查的办法。长期以来，根据预防性试验和油中溶解气体的气相色谱分析结 果判断变压器的绝缘状况，对防止事故起到了很大作用。但是定期的预防 性试验不考虑设备的实际状况，可能出现过多的维修和不必要的停机，且 不能及时发现缺陷。由于牵引变压器数量大、分布广阔。因此，检测工作 任务十分繁重，代价较高，加上人工搡作上的失误，导致了误差的扩大， 而且难以预防突发性故障。而通过气体继电器又不能知道气体的组分及每 种组分的含量，还往往造成一种假象，不能真正反映已出现的故障。在线 监测除可减少停运行损失，提高运行可靠性外。目前有关电力系统中高压 设备的在线监测与诊断已有很大进展，但在铁路系统中的牵引变压器在线 监测，还鲜有相关的研究报道。随着我国电气化铁道的发展，牵引变压器 负荷日益加重。其问题开始逐渐暴露。所以尽快丌展以油中溶解气体为手 段的牵引变压器的在线检测，对运行中的设备故障进行诊断和预测，是实 现牵引变压器状态维修的一项非常有前景的高新技术。将该研究的成果用 于我国电气化铁路，可大大提高我国电气化铁路的整体可靠性水平，为我 国发展高速铁路打下良好的基础。 本文依托铁道部科技开发项目、电气绝缘国家重点实验室开放课题和 南自科技发展公司等项目基金的资助，针对牵引变压器绝缘老化及其检测 技术开展了有关研究工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 国内外研究现状 目前国内外基于电力变压器在线监测的绝缘老化和故障诊断技术研究 较多，但针对牵引变压器在线监测的绝缘老化及其故障诊断技术的研究还 比较少，西安交通大学和哈尔滨理工大学曾经针对牵引变压器的绝缘老化 做过一些初步的分析，但并没有将研究工作深入和把研究成果用于进行牵 引变压器的在线检测技术。 1 2 1 状态检测的提出 第二次世界大战中，美国运往远东的装备几乎半数未经使用就失效了， 由于飞机故障而损失的飞机达2 1 0 0 0 架，是被击落飞机的2 5 倍。为此战 后美国就投入了大量的人力物力进行可靠性研究。6 0 7 0 年代就开始了预 报故障的检测研究 4 1 。美国主要是在航空、核工业以及军事部门中诊断技 术占有领先优势，英国在6 0 年代末、7 0 年代初以r a c o l l a c o t t 为首的 英国机械保健中心开始诊断技术的研爿”，曰本在1 9 7 1 年开始发展自己 的t p m 全员生产维修，目前在汽轮发电机组故障监测和诊断方面得到了 应用。我国在线监铡与诊断技术方面起步较晚，但由于国家政府部门的重 视，发展较快。1 9 8 3 年的国营工业交通设备管理试行条例中指出，“要 根据生产需要逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为 基础的预防维修体制”| 4 i 。从而把故障诊断技术正式列入企业法规，并向 为维修体制改革服务的方向发展。近1 0 年以来，清华大学、西安交通大 学、中国电科院、东北电力研究院、重庆大学、宁波理工科技有限公司、 河南中分科技有限公司等都在电力变压器的在线监测技术方面进行了一 些研究，并取得了一定的成绩【6 “8 19 。j 。国内的产品有个共同的特点就 是灵敏度不高，且容易误报警，给运行方带来不便。国外的在线监测技术 相对国内而言较为成熟例如加拿大的h y d r a n2 0 1 i 系列、美国 m i c r o m o n i t o r 公司的t r u e g a s 、澳大利亚的红相、美国的g e 公司以及日 本东芝等的在线监测装置。但是国外的产品，价格昂贵，更重要的不是根 据我国的牵引变压器的特性进行研究的，校准比较困难，且维修费用高， 不利于大批量推广、应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 2 2 牵引变压器状态检测的内容 牵引变压器在线监测主要分为5 个方面，具体实施过程可以归纳为以 下研究内容： 1 故障机理的研究 这是监测的客观依据。设备的异常或故障是在设备运行中通过其状态 信号( 即二次效应) 变化反映出来的。由于在线监测是在设备不停机的情 况下进行的，因此必然以状态信号为依据。监测与故障诊断就是快速、准 确地提取设备运行时物理、化学等的气体、电、热等特征。 2 状态监测 主要是测取与设备运行有关的状态信号。状态信号是故障信息的唯一 载体，也是诊断的唯一依据。因此在状态监测中及时、准确地获取状态信 号是十分重要的。牵引变压器信号的获取主要是依靠传感器实现对故障信 号的检测。检测中有以下几个过程： ( 1 ) 信号测取：重要通过传感器组成的探头直接感知被测对象参数的变 化。 ( 2 ) 中间变换：主要完成由探头取得的信号的转换和传输； ( 3 ) 数据采集：就是把中间变换的连续信号进行离散化过程； 3 特征提取 就是从状态信号中提取与设备故障有关的特征信息。对征兆的取值进 行检验，看其是否在允许范围，然后做出决策。最后根据征兆、标准模式 和某种判别准则，识别牵引变压器的绝缘状态。由于变压器运行在噪声、 电磁干扰等环境中，因此决定状态向量的因素不止故障向量一个，故障信 息将混杂在大量干扰信号中。为了消除或抑制外界和内部干扰，必须采取 信号处理技术，突出有用信号。 4 诊断故障 根据所提取的特征判别状态有无异常，并根据此信息和其他补充测试 辅助信息寻找故障源。根据这些信息和故障对变压器的绝缘性能指标影响 程度做出估计，综合给出故障等级。根据模式可进一步分析故障征兆和状 态，弄清设备故障性质、程度、类别、部位及产生原因。 5 规划决策 根据设备故障特征状态，预测故障发展趋势，并根据故障性质和趋势， 做出决策，干预其工作过程。上述过程用图1 1 来表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 图卜1 故障诊断过程 总起来说，状态检测既能保证变压器安全可靠运行，又是获取更大的 经济效益和社会效益的重要手段。 1 3 本论文的研究内容 根据牵引变压器绝缘状态检测的主要内容，论文主要在以下几个方面 进行了研究工作： 1 分析了牵引负荷特性和i e c 对各种负荷下的温升计算情况，仿真 了其对牵引变压器温升造成的影响，介绍了牵引变压器的绝缘故障类型。 2 根据对牵引变压器的温升计算结果，建立了试验平台，对牵引变压 器的油纸绝缘进行了加热试验。分析了各试验条件下的油中故障气体含 量，以及温升对绝缘油击穿电压的影响。 3 进行了绝缘纸的电老化试验，检测出局部放电条件下产生的故障 气体成分和含量。 4 根据牵引变压器负荷的特点，阐述对其在线检测的重要性。合作设 计了一套基于d g a 的多气体绝缘在线监测系统，解决了其中的油气分离 技术、气体分离技术和传感器技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章牵引变压器负荷特| 生及其绝缘老化理论分析 用于电气化铁道的牵引变压器是一种同时进行变压和非对称变相的 专用变压器，担负着向电力机车提供两相牵引供电的任务。在我国现有的 电气化铁道中，大部分电化区段的牵引变电站多选用普通y 接线方式 变压器。 我国电气化铁路采用单相交流制供电方式，它的负荷为电力机车的牵 引负荷。由于牵引变压器的负荷情况已超出了gb ，t 1 5 1 6 49 4 中的规定， 与普通电力变压器相比更容易发生故障。而牵引变压器是牵引供电系统的 重要组成部分，其运行状态对铁路的安全运行具有重大的意义。运行经验 表明：正确的认识和对待变压器所发生的故障及其损坏，是提高运行可靠 性的重要环节，否则会使故障损坏频发，甚至同类故障重复出现。 2 1 牵引变压器的负荷特点 2 1 1 牵引负荷特点 牵引负荷作为一级负荷有着与普通电力负荷不同的负载特性 1 3 , 1 4 j 。 单相负荷：我国电气化铁路采用单相交流制供电方式，它的负荷为电 力机车的牵日1 负荷，如果变电站采用单相牵引变压器则其负荷为交流单 相负荷；如果采用三相牵引变压器，则其负荷为交流两相负荷。 负荷变化率大：牵引馈电网上经常有2 4 对列车运行，遇到机车上 坡或启动，特别是几列机车同时启动时，负荷变化幅值很大且陡度很大。 因此牵引变压器常遇到2 3 倍的冲击负荷电流。 规律性明显：虽然电力机车的启动、运行有一定的随意性，但由于线 路状况、停靠站数量、运行时段都有规律，因此负荷的变化是有规律的。 平均负荷率低：除了一定时间的过负荷运行，牵引变压器在较长时间 是轻载或无载运行，据统计，单线电气化铁道牵引无载率占4 0 5 0 ， 故牵引负荷属于脉冲式变动较大的负荷。 由于牵引负荷的特点，牵引变电所对于变压器的过负荷能力提出了很 高的要求。变压器的过负荷能力主要是指在短时过负荷下的绕组温升以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 对绝缘、老化寿命的影响和油面温升。当温度超过额定值时，变压器老化 现象比在正常运行状态时更加强烈。 牵引负荷的不同导致了牵引变压器负载与普通电力变压器有很大的 区别。主要表现在：存在单相负载、变动负载、轨道回路、高次谐波等。 牵引变压器将三相电力系统的电能传输给两个各自带负载的单相牵引线 路，两个单相牵引线路分别给上下行列车供电。在理想状态下，两个单相 负载相同，但在多数情况下，两相负载差别很大。据统计，单线电气化铁 道牵引无载率占4 0 5 0 ，且负载变动频繁，这必然导致三相电源系统 失去平衡而导致电压波动。牵引变压器将电能从1 1 0 k v 三相电力系统传 输给两条2 7 5 k v 的单相牵引线路。列车通过时，由于导电支撑绝缘子闪 络，造成瞬间短路( 一般情形下7 0 次年) ，其瞬间短路电流是额定电流 的6 1 0 倍i l5 。，故要求牵引变压器应具有足够的抗短路强度和耐冲击能力。 2 1 2ie e e 和ie c 对各种负荷的温升限制 变压器的温升与绝缘寿命有着很大的关系，而牵引负荷变化的最大特 点就是导致了变压器温度的升高，进而减少其服役寿命。i e e e 和i e c 根 据油浸式变压器的特点，制定了一系列的指导标准。 按照i e e e 标准c 5 7 9 1 1 9 9 5 ，变压器绝缘老化是一个时间和温度的 函数。由于温度的传递在不同的变压器传播方式不同，在实践中大部分都 考虑最热点温度对老化产生的影响。 各种变压器的温度，例如：顶温、表面辐射温度和媒介冷却温度都能 直接测量以评估变压器的最热点温度。一般认为变压器在平均绕组温度 6 5 ，最热点温度1 1 0 能达到其正常使用寿命。 热点最高温度一般用两种方式表达【l “，主要取决于周围温度只、 平均绕组温升目。和最热点温度比平均绕组温升的裕度鼠。其中， 只= 1 5 ( 当平均绕组温升6 5 时) 巩，= 眈+ 曰。+ 只 ( 2 1 ) o h t = 乱+ 口。4 - a 0 2 ( 2 2 ) 其中， 气一顶部油温高于环境温度的平均温升 岛一最热点绕组高于顶部油温的温升 顶部油温可以在多种负荷情况下估计( 或测量出来) ，这主要是油的热传 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 递过程中存在滞后性，可以认为短时的过负荷造成的温舞没有超出温升限 制。图2 1 描述了一个简单的变压器温升数量模型，可以用来计算热点温 度。 图2 1i e c 3 5 4 油浸式变压器热模型 由于多种原因，实际运行中牵引变压器负荷超过其铭牌值的现象多有出 现。生产厂商都在尽可能的达到变压器的实际负载能力，使变压器能满足 多种负荷的运行要求。但实际上这种方法并不经济，只要满足 e e e 和i e c 推荐的负荷规则，般来讲是能满足实际运行条件的。图2 2 和表2 一l 描 述了i e e e 和i e c 规则的主要特征。 表2 - 1 各种负荷的温度和电流限制 i e e ei e c 负载类型 电绕组油顶电绕编油顶 流热点温度流热点温度 正常寿命期望负载2 1 2 0 1 0 51 51 4 01 0 5 超出铭牌的计划负载 21 3 01 1 0 长时问冲击负载 2t 4 01 1 01 _ 51 4 01 1 5 短时间冲击负载 21 8 01 1 0181 6 01 1 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 。黼 图2 - 2i e e e 和i e c 对各种负荷的温升限制 2 1 3 经典负荷下绕组温升仿真计算 根据牵引供电系统的特点，铁路部门在广泛调查、大量测试的基础上， 提出了典型负载曲线( 见图2 3 ) 。典型曲线反映了牵引变压器的负载特 性。但牵引供电系统的特点决定了变压器负荷特性是千变万化的，有时候 跟实际的负荷曲线还有一定的差距。本文主要根据图2 3 典型负荷曲线对 牵引变压器的热点温度进行仿真计算，并以此来进行试验研究。 ( a ) 图2 - 3 典型负荷曲线 ( b ) 牵引变压器为自然冷却方式按照i e c 3 5 4 导则中变压器绕组热点温 升计算方法，用m a t l a b 6 5 进行仿真，仿真结果如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 蠢： 妥棚 薹。 负商曲垃瞳 i l 一卜 _，卜| 1r * b 卫 0 川i7 jp lf 1 _ 蝌琅终直挂一- t m 哪- 酽 樊枣搀2 蕊到 图2 - 4 经典牵引负荷及其温升 时埘14 _ f 矿 根据仿真和计算的结果，在第三章中设计了模拟实验，用于研究牵弓 负荷对变压器绝缘的破坏作用。 2 2 牵引变压器的故障分类及绝缘老化 随着高速铁路的发展，牵引变压器负载电流越来越大，绕组、铁心等 部件的发热大，因此绝缘( 尤其是固体绝缘) 老化快。加上机车硅整流或 晶闸管相控整流引起的高次谐波和直流磁化等因素也对绝缘性能的破坏 产生很大的影响【1 8 , 1 9 ，这些因素导致牵引变压器容易产生绝缘故障。 2 2 1 牵引变压器故障分类 目前我国铁路运行的变压器大多都是油浸式变压器。油浸式牵引变压 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( 通过外壳) 短路，引出线之间发生相问故 障等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分可以分为热故障和电故障两大类【2 0 j 。 热故障通常是使变压器内部局部过温、温度升高。根据严重程度，热型故 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 温过热( 3 0 0 7 0 0 ) 、高温过热( 一般高于7 0 0 ) 四种情况。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、火化放电和高 能电弧放电三种故障类型。 变压器故障按发生的时期分类又可分为： 1 早期故障这类故障的产生主要是因为设计加工或材料上的缺陷， 在设备投入运行初期暴露出来。 2 使用期故障这是在其服役期内发生的故障，这种故障是由于载荷 ( 外因、运行条件等) 和系统特性无法预知的偶然因素引起的。对这个时 期进行监视和诊断具有重要意义。 3 后期故障往往发生在设备的后期，由于设备长期服役设置超过 设备的使用寿命，因设备的逐渐疲劳、老化等原因使功能退化，最后可能 导致发突发性的、危险性的，全局性的故障。 由于牵引变压器故障涉及面较广，具体类型的划分方式较多，很难以 某一范畴规范划分变压器故障的类型，比较普遍和常见的变压器有短路故 障、放电故障、绝缘故障、铁心故障、分接丌关故障、渗漏油气故障、油 流带电故障、保护误动作故障等。 短路故障是1 1 0 k v 及以上电压等级的变压器较容易发生的故障，主 要是指变压器出口短路，以及内部引线或绕组间对地短路、及相与相之间 发生的短路导致的故障。 放电故障是在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙油膜或导体的边缘 发生非贯穿的放电现象。其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渐扩大，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。 牵弓l 变压器的使用寿命是由绝缘材料的寿命所决定的。实践证明，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。 铁心故障时由于铁心接地不良或是多点接地造成的。这是因为牵引变 压器正常运行时，铁心必须有一点可靠接地。若没有接地，则铁心对地的 悬浮电压，会造成铁心对地断续性击穿放电，铁心一点接地后消除了形成 铁心悬浮电位的可能。但当铁心出现两点以上接地时，铁心间的不均匀电 场就会在接地间形成环流，并造成铁心多点接地发热故障。变压器的铁心 接地故障会造成铁心局部过热，严重时，铁心局部温度增加轻瓦斯动作， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 甚至将会造成重瓦颠动作而跳闻的事故。烧熔的铁心形成铁心片间的短路 故障，使铁损变大，严重影响变压器的性能和正常工作，以致必须更换铁 心硅钢片加以修复。 分接丌关故障分无载分接开关故障和有载分接开关。前者主要分电路 故障方面、机械故障方面、结构组合方面、绝缘故障方面。后者大多反映 在：有载分接开关的密封不严，由于雨水侵入导致分接开关绝缘性能降低 引发事故；分接开关的过渡电抗或过渡电阻在切换过程中被击穿、烧断 使触头问的电弧形成故障，造成变压器事故等。 变压器渗漏故障大多是由于在制造过程形成的缺陷和材质不良引起 的主要包括空气渗漏和油渗漏。空气渗漏对绕组绝缘受潮和油加速老化 的影响很大。油渗漏的内渗漏指套管中油或有载调压分接开关室的油向变 压器本体渗漏。充油套管正常油位高于变压器本体油位，若套管下部密封 不严，在油差作用下会造成套管中缺油现象，影响设备安全运行。而有载 调压切换开关油室的油向变压器本体渗漏，易造成变压器本体油色谱分析 异常而引起误判断。 变压器保护及误动故障常反映在气体保护和差动保护上，差动保护和 故障气体的瓦斯保护是变压器的重要保护之一，都具有各自的特点和功 能。瓦斯保护能反映变压器油箱内的故障，包括铁心过热烧伤、油面降低 等，但差动保护却不能反映。变压器绕组发生少数线匝的匝问短路，虽然 短路砸内短路电流很大，会造成局部绕组严重不能反映，而瓦斯保护对此 却能灵敏动作。 油流带电故障是1 1 0 k v 及以上变压器较容易发生的故障之一，油质 是影响油流带电的主要因素之一，一般油介损大时具有更强的带电趋势， 再加上运行条件、高温等因素促使油流带电的发展。 2 2 ，2 各种故障对绝缘的破坏分析 牵引变压器的故障类型多样，且每类故障不是孤立的，相互之间都有 着错综复杂的联系，大部分故障归根结底都是反映在其绝缘体系的损坏 上。 牵引变压器突发短路时，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，由电动力产生的机械应力，可能影响绕组匝间绝缘， 对绕组的匝间绝缘造成损伤；而辐向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 定性，造成相阆绝缘损坏。电动力严重过大时，可能造成绕组扭曲变形或 导线断裂，加上热稳定性差，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。 绝缘材料电老化是放电故障的主要形式 1 ) 局部放电引起绝缘材料中化学键的分离、裂解和分子结构的破坏。 2 ) 放电点热效应引起绝缘的热裂解或促进氧化裂解，增大了介质的电导 和损耗，并产生恶性循环，加速老化过程。 3 ) 放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸、亚硝酸，并与绝 缘材料发生化学反应产生恶性循环腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。 4 ) 放电过程的高能辐射，使绝缘材料变脆。 5 ) 放电时产生的高压气体引起绝缘体开裂并形成新的放电点。 当发生铁心故障时，铁心局部过热甚至烧坏，造成磁路短路，使铁心 损耗增加：铁心局部过热，使变压器油分解，引起变压器油性能下降：变 压器内气体不断增加析出，可能导致气体继电器动作跳闸事故。 在分接开关事故中分接开关上接头的相问绝缘距离不够，绝缘材料上 堆积油泥受潮，当发生过电压时，也将使丌关相间发生短路故障，有载开 关的密封不严由于雨水侵入导致分接开关绝缘性能降低引发事故( 属于 外绝缘事故) 。 牵引变压器渗漏事故对其绝缘的影响主要是由于变压器的密封性不 严，导致空气和水分的侵入，由于水分是油纸绝缘老化的催化剂，故加速 了其老化进程，降低了牵引变压器的使用寿命。 应该指出的是，牵引变压器的多种故障最终都破坏了其绝缘系统，导 致变压器故障的发生。因此，要正确判断变压器故障工作状态，必须对其 绝缘体系和所能代表绝缘故障的表征参量有个正确的认识。 2 2 3 变压器绝缘故障与油中特征气体的关系 大量的运行经验和实验研究证明，对于运行中的充油变压器，在热和 电的作用下，变压器油和有机绝缘材料将逐渐老化和分解，产生少量的各 种低分子烃类及c o 、c 0 2 等气体：当存在潜伏性的热或放电性故障时，这 些气体产生的速度要加快。随着故障的发展，分解出的气体形成的气泡在 油里经对流、扩散，不断溶解在油中；当产气量大于溶解量时，将会有一 部分气体进入气体继电器。由于对判断变压器内部故障有价值的气体是氢 气( h ：) 、甲烷( c h 。) 、乙烷( c ：心) 、乙烯( c ：h 。) 、乙炔( c ：h ：) 、一氧化碳 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 ( c o ) 、二氧化碳( c o ：) ，则称这些气体为特征气体，而把甲烷、乙烷、 乙烯和乙炔的含量的总和称为总烃。 变压器的内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，而又以后两种 为主，并且机械性故障常以热或电的故障形式表现出来。根据模拟试验和 大量的现场试验电弧放电的电流大，变压器主要分解出乙炔、氢及少量 的甲烷；局部放电的电流较小，变压器油主要分解出氢和甲烷；变压器油 过热时分解出氢和甲烷、乙烯等，而纸过热时主要分解出一氧化碳和二 氧化碳等气体。我国现行的变压器油中气体分析和判断导则 ( d l t 7 2 2 2 0 0 0 ) ，将不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体 归纳为表2 2 。 表2 2 不同绝缘故障气体成分的变化 1 、热故障时变压器中的气体产生 变压器油受热发生裂解，其热解时产生的气体取决于具有不同化学结 构的碳氢化合物分子在高温下的不同稳定性。一般规律是：产生烃类气体 的不饱和度随裂解能力( 温度) 密度的增大而增加；由于不同化学键具有 不同的键能，则裂解产物的出现次序是烷烃烯烃炔烃一焦炭。 涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述低分子烃类气体外，还产 生较多的c o 、c 0 2 和水分，并且随温度的升高，c o 和c 0 2 比值逐渐增 大，。固体绝缘主要由聚合物组成，其裂解的有效温度高于1 0 5 摄氏度， 完全裂解和碳化的温度高于3 0 0 摄氏度( 牵引变压器的最热点计算) 。因 此牵引变压器固体绝缘裂解产生气体的情况与牵引负荷有直接的关系，在 第3 章中将牵引负荷对变压器绝缘的影响再做进一步分析。 2 、放电性故障时牵引变压器油中的气体产生过程 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 放电性故障是在高电场作用下，造成绝缘裂化，不同类型的放电故障， 对绝缘造成的影响不同。 1 ) 电弧放电故障 当变压器内部发生电弧放电故障时，油中溶解的故障特征气体主要是 c 2 h 2 、h 2 ，其次是大量的c 2 、c h 4 。由于电弧放电故障速度发展很快， 往往气体还来不及溶解于油中就释放到气体继电器内，因此，油中溶解气 体组分含量往往与故障点位置、油流速度和故障持续时间有很大关系。在 变压器内部发生电弧放电时，一般c 2 h 2 占总烃2 0 7 0 ，h 2 占氢烃 3 0 9 0 ，绝大多数情况下c 2 h 2 高于c h 4 ，在涉及固体绝缘时，瓦斯气 体和油中气体的c o 含量较高。当油中气体组分中c 2 h 2 含量占主要成分 且含量超标时，很可能是变压器绕组短路或分接开关切换产生弧光放电所 致；如果其他成分没有超标，而c 2 h 2 超标且增长速率较快，则可能是变 压器内部存在高能量放电故障。 在变压器内的固体绝缘材料中发生高能量电弧放电时，不仅产生的 c o 、c 0 2 较多，而且因电弧放电的能量密度高，在电场力作用下会产生 高速电子流，固体绝缘材料遭受这些电子轰击后，将受到严重破坏。同时， 产生的大量气体一方面会进一步降低绝缘，另一方面还含有较多的可燃气 体。因此，若对电弧放电故障不及时处理，严重时有可能造成变压器的重 大损坏或爆炸事故。 2 ) 火花放电故障 当变压器内部发生火花放电时，油中溶解气体的特征气体以c 2 h ：、 h 2 为主，因故障能量小，一般总烃含量不高，但油中溶解的c 2 h 2 在总烃 中所占比例可高达2 5 9 0 ，c 2 h 4 含量约占总烃的2 0 以下，h 2 占氢烃 总量的3 0 以上。 3 ) 局部放电故障 当变压器发生局部放电时，油中的气体组分含量随放电能量密度不同 而异，一般总烃不高，主要成分是h 2 ，其次c h 4 。通常h 2 占氢烃总量的 9 0 以上，c h 4 占总烃的9 0 以上。当放电能量密度增高时也可出现c 2 h 2 ， 但在总烃中所占比例一般小于2 ，这是与上述电弧放电和火花放电区别 的主要标志。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第3 章牵引变压器绝缘老化因素研究 3 1 牵引变压器绝缘的热老化分析 牵引变压器在实际运行中，其负荷大小是不断变化的，因而温升也随 之不断改变，这是由于铁耗和铜耗的存在，这些损耗都将以热的方式向外 传播，从而引起变压器不断发热和温度升高。这些热量使铁心和绕组的温 度逐渐升高，对周围的介质就形成了温差( 或温升) ，经过段时间，铁 心和绕组的温度达到稳定状态，而此时继续产生的热量将全部散到周围的 介质中( 称为热平衡状态) 。致使绕组的最热点比平均温升一般要高出 l o 1 5 ，而绕组的平均温度比油的平均温度要高出2 0 3 0 ，上层油温 比平均油温高出2 0 左右。 变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化 物质的影响所致。老化速度主要是由温度决定的，绝缘材料的工作温度愈 高，化学反应( 主要是氧化作用) 进行地愈快，绝缘的机械强度和电气强 度就丧失地愈快，变压器的使用寿命也就愈短。 3 1 1 绝缘老化与温度的关系 对于油浸式牵引变压器常用的是a 级绝缘，在8 0 1 4 0 4 c 范围内，绝 缘的平均使用年限z 和绕组最热点温度。之间具有下列关系口5 1 。 z = a e p 9 ( 3 1 ) 其中a 是常数；p 是系数 变压器绕组最热点温度若保持额定温度9 5 9 86 c 时，变压器能获得正 常使用年限( 约2 0 年) ，则在任意温度0 下的使用年限z 与9 8 。c 下使用 寿命z 。之比，称为相对使用寿命z z 。= e - p ( o - 9 8 )( 3 2 ) 相对老化率l 1 上= 土= p ，f 8 - 9 8 )( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 牵引变压器运行时，若绕组最热点的温度长期维持在9 8 ，变压器可以 获得正常使用寿命，实际上绕组温度受负荷波动和气温变化的影响，变化 范围很大。由于变压器的老化程度和绕组最热点温度之间具有指数关系， 高温下的绝缘老化加速远远大于低温下绝缘老化的延缓。 l 暂态温度的计算： ( 1 ) 变压器顶层油暂态温升 在任意负荷足，下，经过时间t 后的顶层油温升a t 、( f ) 为 - t 毛( ，) ( ，) = ( h ) + ( ( 。) 一( f _ i ) ) ( 1 一e 。) ( 3 - 4 ) 式中， 丁赢n 负荷k ；下顶层浊稳定温升； “- 。负荷k 。结束时的项层油温升，即负荷k ，作用时的 起始温升： “油时间常数 ( 2 ) 变压器最热点暂态温度 在任意负荷趸，下，经过时阐t 后的绕组最热点温升7 赢。( f ) 为： 一f 水) = 瓦+ ( 。) ( f ) + ( ( 。) 一( 1 - 1 ) ) ( 卜p ) ( 3 5 ) 由于绕组的时间常数很小，即使在短时过负载下，它对热点温度的影响很 小，所以在计算过程中可以将此时间常数近似看成等于零。则上式可以改 写成： 丁赢，) ( f ) = l + 瓦，) ( f ) + 魄，足? ” ( 3 - 6 ) 由上述公式3 4 3 。6 和负荷曲线对牵引变压器的绕组温度进行计算得 出表3 1 和表3 - 2 的结果。 表3 - 1 绕组热点温度和温升值( 按图3 - 1 曲线时) l 负载系数o ，5 o 7 5 1 5 2 5 博篡 2 6 83 3 25 6 99 8 4 4 685 3 2 7 6 9 1 】8 4 表3 - 2 绕组热点温度和温升值( 按图3 2 曲线时) 负载系数051 2 52 03 o l 绕组最热点温升( k ) 2 6 8 5 6 58 7 ，81 3 5 6 i 绕组最热点温度( k ) 4 6 87 6 51 0 7 84 5 5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 1 ，2 热老化对绝缘纸的影晌 牵引变压器在运行中，绝缘老化主要因素是热，由变压器损耗所产生 的热源绕组最热点温度对其影响最大【2 6 j 。油在存在气体的情况下受 热，并在钢铁等金属催化作用下发生氧化而老化。绝缘纸则发生大分子链 的裂解，其平均聚合度降低。c o 、c 0 2 是纤维材料的老化产物，i e c 5 9 9 推荐以c o c o ，的比值作为判据。认为c o c o ， o 3 3 或c 0 c 0 2 o 0 9 可 能有纤维绝缘分解故障但在使用中有很大的局限性，需要进一步的分析。 纤维发生受热、受潮或氧化击穿时，都会产生糠醛。可用油中糠醛的浓度 作为变压器纸绝缘老化的判据。一般认为，油中糠醛浓度为0 0 5 m g l ，变 压器整体的绝缘寿命处于寿命中期：达到l m l l 一2 m e , l ，变压器绝缘劣化 严重；达n 3 5 m g l ，变压器寿命终止。檬醛含量与聚合度之问存在对应 关系，其对应关系式： l o g ( f u r a n ) = 1 51 0 0 0 3 5 d p( 3 - 7 ) 式中：f u r a n 糠醛含量，m g l ；d p 聚合度 1 试验模型的建立 为了更好的了解牵弓f 变压器的绝缘老化情况，文章作者根据所计算的 温升值，在烧瓶里装上变压器油和绝缘纸，然后放入烘箱进行加热，在经 过固定时间的热老化以后，逐一进行相关参数的测量，最终对数据进行整 理和分析，从而得出结论。其中试验分两种模式进行。 ( i ) 分别对油纸绝缘在1 4 0 、15 0 、1 6 0 条件下，采取不同的 时间段对其进行加热试验。主要测试绝缘纸的糠醛含量，根掘其与聚合度 的关系来评估绝缘纸的老化情况。 ( 2 ) 老化试验从7 0 。c 开始，每天增加l o ，直至1 8 04 c 为止。在每 种温度加热2 4 小时后，对油中故障气体成分、含量和糠醛含量进行测量。 根据加热后油中的糠醛含量，以及c o 和d p 的关系来评判绝缘纸的老化 程度，以此判断牵引负荷下，热老化对绝缘的影响。 2 实验结果 经过一系列试验以后共获得表3 3 表3 - 6 中的数据： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表3 31 4 0 。c 时绝缘纸老化的糠醛含量和聚合度 表3 41 5 0 c 时绝缘纸老化的糠醛含量和聚合度 表3 5 1 6 0 c 时绝缘纸老化的糠醛含量和聚合度 温h2 c o c 0 2c h 4c 2 h 6 度s ls 2 s i s 2 s i s 2s ls 2s ls 2 7 0 452830202 2 1 l l l 8 0 41 5 2 83 51 51 8 11 1 1 9 0 4425251 72 2 1 l l l 1 0 05630301 92 0 l 1 1 1 1 1 05430303 32 6l1 1 l 1 2 01 08305 82 78 1 11 1 1 1 3 02 12 36 21 6 22 23422 1 0 则说明故障的性质已不 是局部放电，医此c 2 h j h 2 1 0 可以作为局部放电的一个半q 据。结合实 验过程分析可以得出：比值c 2 h 2 h 2 的大小可以反映局放的强烈程度，比 值越接近于l ，局放越激烈，属高能量局放；反之，比值c 2 h 2 h 2 ：越小， 局放则较弱，属低能量局放。因此在模糊三比值法评判得出局放故障后， 可以通过比值c 2 h 2 h 2 来进一步估计局放的强烈程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 3 3 牵引变压器绝缘的其他因素影晌 3 3 1 机械