毕业设计：变压器故障检测技术的应用.doc

题目：变压器故障检测技术的应用变压器故障检测技术的应用 一、毕业设计（论文）的内容 1、电力变压器的内部故障主要有过热性、放电性及绝缘受潮等类型 2、色谱分析诊断的基本程序 3、油中主要气体含量达到注意值时故障分析方法 4、故障产气速率判断法方法 5、根据三比值法分析判断方法 二、毕业设计（论文）的要求 1、阅读相关文献； 2、按规定时间独立完成毕业设计（论文）任务； 3、按照毕业设计指导书要求撰写毕业设计说明书； 4、通过毕业答辩 三、毕业设计（论文）完成后应提交的文件（或图表、设计图纸） 1、毕业设计说明书一份。内容包括变电站原始资料；主变压器容量、台数及 型号选择；主要电气设备的选型；电气主接线选择；短路计算；主要电气设备选型； 防雷保护简单设计和继电保护简单设计。 四、主要参考文献 1 谭志龙.电力用油（气）技术问答 ，中国电力出版社.2006 2 王晓莺.变压器故障与监测.机械工业出版社.2004 3 董其国.电力变压器故障与诊断 ，中国电力出版社.2000 4 丁德劭.怎样对新技术标准电气一次接线图.中国水利水电出版社. 2001 5 ata elahi.network communications fechonlogy.科学出版社.2002 6 弋东方.电气设计手册电气一次部分.中国电力出版社.2002 学生（签名）学生（签名） 变压器故障检测技术的应用变压器故障检测技术的应用 摘摘 要要 电力变压器故障检测主要有电气量检测和化学检测方法。化学检测主要是通过 变压器油中特征气体的含量、产气速率和三比值法进行分析判断，它对变压器的潜 伏性故障及故障发展程度的早期发现具有有效性。具体应用中要根据故障或缺陷的 不同发展阶段,采用不同的分析方法,结合设备的实际运行状况及外部电气试验数据,充 分发挥油化学检测的灵敏性,正确评判设备状况或制定针对性的检修策略。实际应 用过程中，为了更准确的诊断变压器的内部故障，色谱分析应根据设备历史运行状 况、特征气体的含量等采用不同的分析模型确定设备运行是否属于正常或存在潜伏 性故障以及故障类别。 关键词：变压器 故障 检测 色谱分析 i 目 录 摘摘 要要 1 1 电力变压器的内部故障类型电力变压器的内部故障类型.1 1.1 过热性故障 .1 1.2 放电性故障 .1 1.3 变压器绝缘受潮 .1 2 2 色谱分析诊断的基本程序色谱分析诊断的基本程序.2 2.1 变压器故障的油中气体色谱检测 .2 2.2 特征气体的含量.3 2.3 根据气体含量变化分析判断 .3 3 3 油中主要气体含量故障分析方法油中主要气体含量故障分析方法.5 3.1 变压器的注意值.5 3.2 不超过注意值 .5 3.3 应用举例 .6 4 4 故障产气速率判断法故障产气速率判断法.8 4.1 不超过注意值.8 4.2 根据产气速率判断故障的方法 .8 5 5 根据三比值法分析判断法根据三比值法分析判断法.10 5.1 三比值判断法 .10 5.2 应用举例 .10 6 6 在线监测技术在线监测技术.11 6.1 油中溶解性气体分析及检测 .11 6.2 局部放电在线检测技术 .11 6.3 绕组温度在线检测技术 .11 ii 7 7 结束语结束语.13 参考文献参考文献.14 致致 谢谢.15 1 1 电力变压器的内部故障类型 1.1 过热性故障 是由于设备的绝缘性能恶化、油等绝缘材料裂化分解。又分为裸金属过热和固 体绝缘过热两类。裸金属过热与固体绝缘过热的区别是以 co 和 co2 的含量为准， 前者含量较低，后者含量较高。 1.2 放电性故障 是设备内部产生电效应（即放电）导致设备的绝缘性能恶化。又可按产生电效 应的强弱分为高能放电（电弧放电） 、低能量放电（火花放电）和局部放电三种。 1.2.1 发生电弧放电时 发生电弧放电时产生气体主要为乙炔和氢气，其次是甲烷和乙烯气体。这种故 障在设备中存在时间较短，预兆又不明显，因此一般色谱法较难预测。 1.2.2 火花放电 是一种间歇性的放电故障。常见于套管引线对电位未固定的套管导电管，均压 圈等的放电;引线局部接触不良或铁心接地片接触不良而引起的放电;分接开关拨叉 或金属螺丝电位悬浮而引起的放电等。产生气体主要为乙炔和氢气，其次是甲烷和 乙烯气体，但由于故障能量较低，一般总烃含量不高。 1.2.3 局部放电 主要发生在互感器和套管上。由于设备受潮，制造工艺差或维护不当，都会造 成局部放电。产生气体主要是氢气，其次是甲烷。当放电能量较高时，也会产生少 量的乙炔气体。 1.3 变压器绝缘受潮 变压器绝缘受潮时，其特征气体 h2 含量较高，而其它气体成分增加不明显。 值得注意的是，芳烃含量问题。因为它具有很好的“抗析气”性能。不同牌号 油含芳烃量不同，在电场作用下产生的气体量不同。芳烃含量少的油“抗析气”性 能较差，故在电场作用下易产生氢和甲烷，严重时还会生成蜡状物质；而芳烃含量 较多的绝缘油“抗析气”性能较好，产生的氢气和甲烷就少些，因此，具体判断时 要考虑这一因素的影响。 2 2 色谱分析诊断的基本程序 2.1 变压器故障的油中气体色谱检测 目前，在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和 发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器 内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障 诊断的实践所证明。 油色谱分析的原理是基于任何一种特定的烃类气体的产生速率随温度而变化， 在特定温度下，往往有某一种气体的产气率会出现最大值；随着温度升高，产气率 最大的气体依次为 ch4、c2h6、c2h4、c2h2。这也证明在故障温度与溶解气体含量 之间存在着对应的关系。而局部过热、电晕和电弧是导致油浸纸绝缘中产生故障特 征气体的主要原因。 变压器在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，并分解出极 少量的气体(主要包括氢 h2、甲烷 ch4、乙烷 c2h6、乙烯 c2h4、乙炔 c2h2、一氧 化碳 co、二氧化碳 co2 等多种气体)。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障 或内部绝缘受潮时，这些气体的含量会迅速增加。 这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升至绝缘油的表面，并进入气体继 电器。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。 因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体成分和含量，对于及早发现充 油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义和现实的成效，在 1997 年颁 布执行的电力设备预防性试验规程中，已将变压器油的气体色谱分析放到了首要的 位置，并通过近些年的普遍推广应用和经验积累取得了显著的成效。 电力变压器的内部故障主要有过热性故障、放电性故障及绝缘受潮等多种类型。 据有关资料介绍，在对 359 台故障变压器的统计表明：过热性故障占 63；高能 量放电故障占 181；过热兼高能量放电故障占 10；火花放电故障占 7；受 潮或局部放电故障占 19。而在过热性故障中，分接开关接触不良占 50；铁 心多点接地和局部短路或漏磁环流约占 33；导线过热和接头不良或紧固件松动 引起过热约占 144；其余 21为其他故障，如硅胶进入本体引起的局部油道 堵塞，致使局部散热不良而造成的过热性故障。而电弧放电以绕组匝、层间绝缘击 3 穿为主，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。火花放电常见于套管 引线对电位末固定的套管导电管、均压圈等的放电；引线局部接触不良或铁心接地 片接触不良而引起的放电；分接开关拨叉或金属螺丝电位悬浮而引起的放电等。 针对上述故障，根据色谱分析数据进行变压器内部故障诊断时，应包括： (1)分析气体产生的原因及变化。 (2)判定有无故障及故障的类型。如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等。 (3)判断故障的状况。如热点温度、故障回路严重程度以及发展趋势等。 (4)提出相应的处理措施。如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和 监视手或是否需要吊心检修等。若需加强监视，则应缩短下次试验的周期。 2.2 特征气体的含量 首先看特征气体的含量。若 h2、c2h2、总烃有一项大于规程规定的注意值的 20%，应先根据特征气体含量作大致判断，主要的对应关系是：若有乙炔，应怀疑 电弧或火花放电；氢气很大，应怀疑有进水受潮的可能；总烃中烷烃和烯烃过量而 炔烃很小或无，则是过热的特征。 计算产生速率，评估故障发展的快慢。 通过分析的气体组分含量，进行三比值计算，确定故障类别。 核对设备的运行历史，并且通过其它试验进行综合判断。 2.3 根据气体含量变化分析判断 (1) 氢气 h2 变化。变压器在高、中温过热时，h2 一般占氢烃总量的 27以下， 而且随温度升高，h2 的绝对含量有所增长，但其所占比例却相对下降。变压器无 论是热故障还是电故障，最终都将导致绝缘介质裂解产生各种特征气体。由于碳氢 键之间的键能低，生成热小，在绝缘的分解过程中，一般总是先生成 h2，因此 h2 是各种故障特征气体的主要组成成分之一。变压器内部进水受潮是一种内部潜伏性 故障，其特征气体 h2 含量很高。客观上如果色谱分析发现 h2 含量超标，而其他成 分并没有增加时，可大致先判断为设备含有水分，为进一步判别，可加做微水分析。 导致水分分解出 h2 有两种可能：一是水分和铁产生化学反应；二是在高电场作用 下水本身分子分解。设备受潮时固体绝缘材料含水量比油中含水量要大 100 多倍， 4 而 h2 含量高，大多是由于油、纸绝缘内含有气体和水分，所以在现场处理设备受 潮时，仅靠采用真空滤油法不能持久地降低设备中的含水量，原因在于真空滤油对 于设备整体的水分影响不大。 另外，还有一种误判断的情况，如某变压器厂的产品一阶段曾连续十几台变压 器油色谱中 h2 高达 1000t2ll 以上。而取相同油样分送三处外单位测试，h2 含 量却均正常。于是对标气进行分析，氢气峰高竟达 216mm，而正常情况仅 13mm 左 右。以上分析说明是气相色谱仪发生异常，经检查与分离柱有关，因分离柱长期使 用，特别是用振荡脱气法脱气吸附了油，当吸附达到一定程度，便在一定条件下释 放出来，使分析发生误差，经更换分离柱后恢复正常。 (2) 乙炔 c2h2 变化。c2h2 的产生与放电性故障有关，当变压器内部发生电弧 放电时，c2h2 一般占总烃的 20-70，h2 占氢烃总量的 3090，并且在绝 大多数情况下，c2h4含量高于 ch4。当 c2h2 含量占主要成分且超标时，则很可 能是设备绕组短路或分接开关切换产生弧光放电所致。如果其他成分没超标，而 c2h2 超标且增长速率较快，则可能是设备内部存在高能量放电故障。 (3) 甲烷 ch4 和乙烯 c2h4 变化。在过热性故障中，当只有热源处的绝缘油分 解时，特征气体 ch4 和 c2h4 两者之和一般可占总烃的 80以上，且随着故障点温 度的升高，c2h4 所占比例也增加。 另外，丁腈橡胶材料在变压器油中将可能产生大量的 ch4，丁青在变压器油中 产生甲烷的本质是橡胶将本身所含的 ch4 释放到油中，而不是将油催化裂介为 ch4。硫化丁腈橡胶在油中释放 ch4 的主要成分是硫化剂，其次是增塑剂、硬脂酸 等含甲基的物质，而释放量取决于硫化条件。 (4) 一氧化碳 co 和二氧化碳 co2 变化。无论何种放电形式，除了产生氢烃类 气体外，与过热故障一样，只要有固体绝缘介入，都会产生 co 和 co2。但从总体 上来说，过热性故障的产气速率比放电性故障慢。 5 3 油中主要气体含量故障分析方法 在判断设备内有无故障时，首先将气体分析结果中的几项主要指标， （h2， ，c2h2）与色谱分析导则规定的注意值（如表 1 所示）进行比较。 ch 表 1 正常变压器油中气，烃类气体含量的注意值 气体组分 h2ch4c2h6c2h4c2h2 总烃 含量（10- 6） 1506040705150 3.1 变压器的注意值 当任一项含量超过注意值时都应引起注意。但是这些注意值不是划分设备有无 故障的唯一标准，因此，不能拿“标准”死套。如有的设备因某种原因使气体含量 较高，超过注意值，也不能断言判定有故障，因为可能不是本体故障所致，而是外 来干扰引起的基数较高，这时应与历史数据比较，如果没有历史数据，则需要确定 一个适当的检测周期进行追踪分析。又如有些气体含量虽低于注意值，但含量增长 迅速时，也应追踪分析。就是说：不要以为气体含量一超过注意值就判断为故障， 甚至采取内部检查修理或限制负荷等措施，是不经济的，而最终判断有无故障，是 把分析结果绝对值超过规定的注意值， （注意非故障性原因产生的故障气体的影响， 以免误判） ，且产气速率又超过 10%的注意值时，才判断为存在故障。 注意值不是变压器停运的限制，要根据具体情况进行判断，如果不是电路（包 括绝缘）问题，可以缓停运检查。 3.2 不超过注意值 若油中含有氢和烃类气体，但不超过注意值，且气体成份含量一直比较稳定， 没有发展趋势，则认为变压器运行正常。 表 1 中注意值是根据对国内 19 个省市 6000 多台次变压器的统计而制定的，其 中统计超过注意值的变压器台数占总台数的比例为 5%左右。 6 注意油中 co、co2 含量及比值。变压器在运行中固体绝缘老化会产生 co 和 co2。同时，油中 co 和 co2的含量既同变压器运行年限有关，也与设备结构、运行 负荷和温度等因素有关，因此目前导则还不能规定统一的注意值。只是粗略的认为， 开放式的变压器中，co 的含量小于 300l/l，co2/co 比值在 7 左右时，属于正常 范围；而密封变压器中的 co2/co 比值一般低于 7 时也属于正常值。 3.3 应用举例 济源供电公司 220kv 虎岭变电站 3#主变，1978 年生产，1980 年投运至今已运 行 28 年，接近设备的寿命期。从 2004 年开始的油色谱报告分析中就存在多种气体 含量超标现象，具体数据见表 2 表 2 虎岭变 2#主变油色谱分析报告 成份甲烷乙烯乙烷乙炔氢 co co2 总烃日期 23.0968.815.615.3123.9504.9840001032004.5.4 38.94111.88.947.2128.77907.75910166.92005.6.8 28.1490.087.225.5623.29705.550431312006.8.18 28.1125.7680.749801292007.3.20 25.2375.807.126.319.5702.954321142007.11.5 含量 ml/l 18.7681.086.245.6314.76716.75680111.72008.3.10 对上述数据跟踪分析,有不同程度乙炔、乙烯、总烃超过注意值，考虑变压器 运行年限、内部绝缘老化，结合外部电气检测数据，认为该变压器可继续运行，加 强跟踪，缩短试验周期。目前此变压器仍在线运行。 2003 年 4 月 15 日,35kv 黄河变电站 1#主变预试时发现氢气含量明显增长。变 压器型号为：sl7-5000kva/35，2001 年 8 月投运，具体色谱数据见表 3： 表 3 虎岭变 1#主变油色谱分析报告 气体 成份 甲烷乙烯乙烷乙炔氢 co co2 总烃日期 含量 1.890.756.521.939.28562659.82002.5.5 7 ml/l2.261.657.333.98123.566925615.222003.4.15 分析结果:色谱分析显示氢气含量虽未超过注意值,但增长较快,为原数值的 12 倍,其它特征气体无明显变化,说明变压器油中有水份在电场作用下电解释放出氢气， 同时对油进行电气耐压试验，击穿电压为 28kv，微水测定为 80ppm，进一步验证油 中有水份存在。经仔细检查发现防暴筒密封玻璃有裂纹，内有大量水锈，外部水份 通过此裂纹进入变压器内部。经处理后变压器油中氢气含量恢复正常。 8 4 故障产气速率判断法 4.1 不超过注意值 实践证明，故障的发展过程是一个渐进的过程,仅由对油中溶解的气体含量分 析结果的绝对值很难确定故障的存在和严重程度。因此，为了及时发现虽未达到气 体含量的注意值，但却有较快的增长速率的低能量潜伏性故障，还必须考虑故障部 位的产气速率。根据 gb/t72522001变压器油中溶解气体分析判断导则中推 荐通过产气速率大小作为判断故障的危害程度，对分析故障性质和发展程度（包括 故障源的功率、温度和面积等）具有重要的意义。当相对产气速率（每运行月某种 气体含量增加值占原有起始值的百分数的平均值） ，总烃的产气速率大于 10%时应 引起注意，变压器内部可能有故障存在，如大于 40l/l/月可能存在严重故障。但 是,对总烃起始含量很低的变压器不易采用此判据。 4.2 根据产气速率判断故障的方法 总烃的绝对值小于注意值，总烃产气速率小于注意值，则变压器正常； 总烃大于注意值，但不超过注意值的 3 倍，总烃产气速率小于注意值，则变压 器有故障，但发展缓慢，可继续运行并注意观察。 总烃大于注意值，但不超过注意值的 3 倍，总烃产气速率为注意值的 12 倍， 则变压器有故障，应缩短试验周期，密切注意故障发展； 总烃大于注意值的 3 倍，总烃产气速率大于注意值的 3 倍，则设备有严重故障， 发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊罩检修。 4.2.1 应用举例 2006 年 6 月 2 日，济源供电公司 110kv 星光变 1#主变投运，投运时油色谱分 析报告见表 4: 表 4 1#主变投运时油色谱分析报告 气体成份甲烷乙烯乙烷乙炔氢 co co2 总烃 含量 ml/l 0.160.13007.3710.89327.520.29 投运后 1 个月，2006.7.21 号开始跟踪,具体所测数据如下: 9 气体 成份 甲烷乙烯乙烷乙炔氢 co co2 总烃日期 19.6948.184.830.9938.585501742006.7.21 16.5439.53.930.8531.879292612006.7.24 29.770.36.591.12641736661082006.8.18 28.1152.71705721002006.8.28 33.980.17.891.21782526981232006.9.5 含量 ml/l 40119126.91072581800177.72006.9.13 分析结果:从 7 月8 月份跟踪试验数据认为,特征气体含量属正常范围,产气 速率较小,考虑是新投运变压器,继续跟踪运行；9 月份后发现乙烯、乙炔、总烃含 量超过注意值，同时产气速率超过 15%，乙炔、氢气增长较快。结合投运时电气交 接试验情况，此变采用 abb 油气套管，且变压器出厂时虽做局部放电试验，但油气 套管未进工厂是在现场组装的。由于变压器套管直接与 gis 设备连接，交接时无法 进行主变局放试验。通过特征气体产生率、三比值法判断内部可能有火花放电存在， 怀疑高压引线与套管连接处可能存在缺陷。经常规电气试验未发现异常，放油后检 查发现，套管未端屏蔽罩固定螺丝三个中有一个较松动，但无明显放电痕迹，紧固 后对油进行脱气处理，主变试运至今色谱分析正常。 10 5 根据三比值法分析判断法 5.1 三比值判断法 所谓的 iec 三比值法实际上是罗杰斯比值法的一种改进方法。通过计算， c2h2/c2h4、ch4/h2、c2h4/c2h6的值，将选用的 5 种特征气体构成三对比值，对应 不同的编码，分别对应经统计得出的不同故障类型。应用三比值法应当注意的问题： 对油中各种气体含量正常的变压器，其比值没有意义。 只有油中气体各成份含量足够高（通常超过注意值） ，气体成分浓度应不小于 分析方法灵敏度极限值的 10 倍，且经综合分析确定变压器内部存在故障后，才能 进一步用三比值法分析其故障性质。如果不论变压器是否存在故障，一律使用三比 值法，就有可能将正常的变压误判断为故障变压器，造成不必要的经济损失。 5.2 应用举例 2006 年 4 月 30 号，110kv 济源变 2#主变差动、瓦斯动作跳闸，油色谱分析报 告见表 5： 表 5 2#主变瓦斯动作跳闸油色谱分析报告 气体成 份 甲烷乙烯乙烷乙炔氢 co co2 总烃日期 117.44117.1514.7896.68612644.072697346.054.30 含量 ml/l66.52165.8525.2971.16110.55612.785318.9328.225.9 分析结果：变压器差动、瓦斯继电器同时动作，甲烷、乙烯、乙炔、氢气、总 烃含量均超过注意值数倍，可直接采用三比值法判断故障类型。查编码为 102，属 高能放电故障，可能会出现工频续流放电、绕组之间或绕组对地之间的绝缘油发生 电弧击穿、调压开关切断电源等；结合外部电气试验测得 b 相高压绕组直流电阻不 平衡率达 25%，初步判断为 b 相绕组有严重电弧故障。吊罩检查发现 b 相高压绕组 中性点处出现严重匝间短路，并有电弧放电痕迹，主变本体损坏严重。 11 6 在线监测技术 6.1 油中溶解性气体分析及检测 由于变压器 3 内部不同的故障会产生不同的气体 , 因此通过分析油中气体 的成分、含量、产气率和相对百分比 , 可以达到对变压器绝缘情况进行诊断的目 的。如 h2,co,ch4,c2h6,c2h4 和 c2h2 常被作为分析的特征气体。 在检测出气体及成分后 , 用特征气体法或比值法判断变压器的内部故障。利 用气相色谱法 (dga) 检测绝缘油中溶解气体的含量 ( 见图 1), 以此来判断充油 电力设备内部故障的类型及其严重程度。这种方法在技术上非常成熟 , 已经成功 地预防了很多变压器发生严重事故。 绝缘油在热和电的作用下 , 能分解出 h2,co,co2以及多种小分子烃类气体 , 充油电力设备内部故障的类型及其严重程度与这些气体组分及产气速率有着密切的 关系。 6.2 局部放电在线检测技术 变压器在内部出现故障或运行条件恶劣时会因局部场强过高而产生局部放电。 放电水平及其增长率的明显变化 , 能够指示变压器内部正在发生的变化。但是变 压器正常运行时 , 由于受到电网的影响 , 其内部的局部放电不易被检测出来 , 需要在其内部安装传感器进行检测。 传感器的安装。装置的原理是利用变压器绕组在特定频率范围内等值电路的特 点 , 导出变压器绕组内部产生局部放电时首末端电压 ( 或电流 ) 比值与放电点 位置的关系 , 据此定出故障点位置。 变压器局部放电在线测量定位时 , 需要采集每一绕组的首端及末端信号并进 行放大、滤波及数据处理。采用多路模拟开关接入接口电路 , 利用单片机进行控 制和数据处理 , 可依次对每个变