（机械工程专业论文）电力变压器的故障诊断与分析.pdf

摘要 变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性与电力系统的安全与稳定紧密相 关。本文在统计电力系统3 2 8 台1 1 0 k v 及以上电压等级的电力变压器事故和故 障基础上，通过对统计资料中1 1 0 k v 及以上电压等级电力变压器故障数据的整 理分析和大量探索性试验，运用故障树分析技术和模糊数学理论等对变压器故障诊 断技术进行了研究，主要的成果在于以下几个方面： ( 1 ) 电力变压器运行中的状态预测判据研究。对电力变压器绝缘油内溶解气 体分析法( d g a ) 进行模糊化处理。运用模糊推理和模糊匹配理论对故障定位，为变压 器故障诊断奠定基础。 ( 2 ) 电力变压器功能失效的检测方法与判据的研究。对电力变压器绕组变 形故障的检测方法及判断是何故障进行了研究。 ( 3 ) 电力变压器寿命评估研究。对电力变压器绝缘老化判据的研究，可以 对变压器的寿命作出评估。 ( 4 ) 通过对3 2 8 台大型电力变压器故障实例做出分析，用故障树分析法( f a t ) ，建 立变压器故障树诊断模型，并把它运用到变压器故障诊断系统中。 关键词：变压器；状态；预测；故障树： a b s t r a n e l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e ri st h ei m p o r t a n te l e c t r i ce q u i p m e n to fp o w e rn e t w o r k ，i t s s a f e o p e r a t i o np r e m i s e t h e s a f e t y s e r v i c eo fe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m b a s e d o nt h e m a l f u n c t i o nd a t u mo f3 2 8p o w e rt r a n s f o r m e r s ( 1l o k vo fa b o v e ) t h ep a p e rm a k e st h e f o l l o w i n gs t u d i e st h r o u g h b o t ht h ea n a l y s i so ft h ed a t u ma n dl o t so ft e n t a t i v et e s t sa n dt h e n p r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h r e s u l t s ： ( 1 ) t h e r e s e a r c ho nt h es t a t u sp r e d i c t i o nc r i t e r i o no f r u n n i n gp o w e r t r a n s f o r m e r ( 2 ) t h em s e a r c ho i ld e t e c t i v em e t h o d sa n dc r i t e r i o n so ft h ed i s a b i l i t yo ft h ep o w e r t r a n s f o r m e r ； ( 3 ) t h er e s e a r c ho ne v a l u a t i o nt h el i f eo ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r ； ( 4 ) t h er e s e a r c ho i lt h em a l f u n c t i o nm o d ec l a s s i f i c a t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e r sb yt h e f a i l u r et r e ea n a l y s i sm e t h o d ( f r a ) ； k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ；s t a t u s ；p r e d i c t i o m m a l f u n c t i o nt r e e l i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承 担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 但秀 2 0 0 4 年5 月 壅竖查兰三翌塑主兰竺丝查 1绪论 电力变压器是电力系统的重要输变电设备：其运行状况直接关系到发、供电系统 的安全性和供电可靠性。 电力变压器的故障诊断是指在设备吊罩、不解体的情况下，根据经验和数据，采 用一定的技术手段对变压器所处状态进行判断、对变压器已有的故障及其发展变化进 行跟踪诊断和估计的技术。如果能够准确诊断和估计设备的故障及其发展变化，就可 以制定最佳维修策略。所以说，对运行中的电力变压器进行故障检测和故障诊断是提 高电力系统运行的安全水平和供电可靠性的关键之一。 本文需要研究和解决的问题是： ( 1 ) 研究变压器的故障模式并对其进行科学的分类； ( 2 ) 针对变压器的故障模式研究变压器的故障诊断方法。 1 1 电力变压器的基本结构 变压器，由于其在电力系统中的重要作用被称之为电力系统的心脏。本文称之为 电力变压器。按照电力变压器冷却和绝缘介质的不同，可归纳为三大类：油浸式 电力变压器：采用矿物油作为冷却和绝缘介质；气体绝缘电力变压器：采用人工 合成的气体，如s f 6 ，作为冷却和绝缘介质；干式电力变压器：采用空气作为冷却 和绝缘介质。按照电力变压器的结构又可以大致分为：密封式电力变压器：变压 器内部介质与外部大气相隔绝，与之对应的是非密封性变压器；双线圈电力变压 器：只包括高、低压两个线圈的变压器，结构上比较简单是变压器的基础结构；多 线圈电力变压器：每相有两个以上线圈，分别连接到电压等级不同的线路上，常见的 为三线圈变压器，既有高压、中压和低压三组线圈；有载调压电力变压器：装有 有载调压分接开关，能在运行中带负载进行调压的变压器；自耦电力变压器：至 少有两个线圈具有公共部分的变压器，期线圈之间除了磁耦合外，有电路上的直接连 接，因此与同容量的双线圈变压器相比，结构尺寸比较小。按照电力变压器的使用要 求又可分为：发电机用变压器：低压侧与发电机母线相连，高压侧与输电线路相 连的升压变压器，是发电厂的主变压器；联络变压器：变电站或发电厂用于连接 壅圣查兰兰堡翌兰堡垒墨一 两个电压不同的输电线路，并可以按照电力潮流的变化，每侧都可以作为一次或二次 侧使用的变压器：升( 降) 压变压器：是指将一种电压等级升( 降) 到另一种电 压等级的变压器；厂用变：是发电厂内作为动力或照明等电源用的变压器，一般 阻抗较高，多直接接于发电机母线。 目前，绝大多数的电力变压器仍是油浸式变压器。 变压器的结构由变压器本体和变压器附件这两大部分构成。变压器本体的主要部 件包括以下几个部分：线圈、铁心及其夹紧装置等构成的变压器器身；用于变压器器 身冷却、绝缘和防腐作用的变压器油；容纳变压器器身和变压器油的油箱。变压器附 件是指：变压器套管、变压器油枕、有载分接开关、变压器冷却系统、变压器本体保 护装置及其测示仪表等。 1 2电力变压器的故障统计 本论文以电力系统1 9 9 0 1 9 9 9 年期间的3 2 8 台1 l o k v 及以上电压等级的电力变 压器事故和故障统计资料为基础，通过对1 1 0 k v 及以上电压等级电力变压器故障数据 的整理分析，其故障按部位可分为绕组故障、铁心故障、分接开头故障、引线故障、 套管故障、绝缘故障、冷却系统故障、密封不严、散热器故障以及其他故障等，如下 表所示： 绕组铁心分接开关引线套管 绝缘散热器变压器本附件密封其它 总计 故障故障故障故障故障故障故障烧毁故障不严故障 i 3 2 81 1 26 53 72 52 9】5749】21 3 _ 1 ) 绕组故障 绕组中的故障，即发生在变压器线圈、纵绝缘和端子中的故障。绕组中的故障主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 如果用来绕制线圈的铜导线的棱表面有毛刺或棱的曲率半径较小，那么当运 行中的变压器在承受重复的电磁力作用时，尤其是当变压器外部短路或合闸操作时的 电磁力冲击时，导线上的毛刺活陡棱将毁损坏绝缘进而导致线圈匝间短路。 ( 2 ) 如果变压器线圈的接头因焊接等等致使质量欠佳，线圈引出线和套管导电杆 连接不好，变压器在运行中会由于接头过热从而导致局部绝缘劣化，严重者会由于接 头断开而造成绕组断路。 2 一 壅竖垄芏兰垦堡主堂堡垒墨 一 -_j_-_-_-_-_-_-一 ( 3 ) 如果线圈的绝缘中渗入水分或器身干燥处理的不彻底，那么运行中的变压器 容易发生匝间短路。 ( 4 ) 运行中的变压器遭受严重的外部短路时，在电动力和机械力的作用下，变压器 绕组的尺寸或形状将发生不可逆的变化。经常表现为绕组轴向和径向尺寸的变化、器 身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。绕组变形是目前变压器稳定运行的一大隐患。 ( 5 ) 在雷电冲击或对地弧光放电甚至冲击合闸等瞬变过程中可能会造成绕组薄弱 处( 诸如：高压绕组的起始几匝、绝缘导线的末端、串联线圈的脸县以及中性点等处) 发生绝缘损坏乃至击穿。 ( 6 ) 严重的持续过载可在整台变压器中引起高温，造成线圈绝缘交脆、脱落，引 起绕组匝间短路，绝缘油因高温劣化，产生的油泥将沉积在油箱底部、线圈及铁心构 件上，变压器会因此散热不良，并使得过热更趋严重，最终导致变压器损坏。 2 ) 铁心故障 变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量主要部件，要使变压器可靠运行，除绕 组质量合格外，铁心质量好坏是决定正常运行的关键。磁路中的故障，即出现在变压 器的铁心、铁轭及其夹件中的故障。多年来统计资料表明，它在变压器事故比例中一 直居高不下。磁路中的故障主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在老式心式变压器中，夹紧铁心心柱和铁轭叠片的穿心螺杆的绝缘件击穿， 引起铁心叠片局部短路从而产生很大的局部涡流；此外两根或多根穿心螺杆的绝缘被 击穿，当磁通穿过由这些螺杆形成的短路时，在这些螺杆中就要流过较大的循环电流。 当位于铁心心柱端部的一根穿心螺杆及与其相邻的铁轭上的一根穿心螺杆的绝缘发 生击穿时，由于这两根螺杆之间穿过的几乎是从心柱到铁轭的全部磁通，所以此时的 损坏最严重。因为由这些螺杆与外部夹件形成的通路的阻抗很低，所以产生的热损耗 很大，有时可能会烧毁整台铁心。由于故障的部位的不同，有时也表现为烧焦邻近线 圈的绝缘而引起绕组的匝间短路。 ( 2 ) 铁心叠片之间的绝缘或与铁轭夹件之间的绝缘也可能产生损坏。此时会产生 很大的循环涡流，并由此产生可观的热量，从而危及铁心和线圈的绝缘，变压器的铁 损也会随之增加。 ( 3 ) 在变压器铁心制作过程中，若铁心或铁轭叠片的边缘形成较大的毛刺或铁心 叠片间夹杂金属物质甚至铁心叠片产生微小的弯折，则变压器在运行中会由于这些缺 - 3 - 一 壅圣茎兰三堡墅主茎竺丝墨 _ _ - - _ _ - _ _ - 一 陷导致铁心叠片的局部形成短路，由此产生的涡流会使铁心局部过热。 f 4 ) 正常运行中的变压器应确保其铁心为一点接地。一旦形成多点接地，运行中 的变压器轻则发生局部过热，重则导致变压器跳闸甚至造成变压器直接损坏。 3 ) 分接开关故障 有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且经常操作进行切换，也是故障常出现 的部位，统计分析表明，造成有载分接开关故障和事故的主要原因是制造质量不良。 其主要故障形态为： ( 1 ) 选择开关接触不良，甚至合不到位，造成触头过热、放电烧损及断轴。 ( 2 ) 切换开关内触点接触不良，绝元件机械强度不够而损坏。 ( 3 ) 切换开关油室密封不良造成大、小油箱连通，使变压器本体油箱中可燃性气 体含量异常增高导致误判断。 ( 4 ) 操作机构内低压控制电器及辅助元件质量不稳定，造成分接开关拒动、连调、 位置指示失灵等故障。 4 ) 引线故障 引线是变压器内部绕组出线与外部接线的中问环接，其接头是通过焊接而成，因 而焊接质量直接影响到引线的故障发生。其主要故障模式有：引线短路、引线断路、 引线接触不良。 引线断路应使变压器立停止运行，引线相间短路如不及时处理会导致绕组相问短 路扩大事故发展成为灾难性故障，属致命性故障。引线对地短路、接触不良将会产生 局部高温烧断引线而使变压器停运，因而属于l l 缶界性故障。 5 ) 套管故障 套管是变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置。它长期遭受电场、风雨、 污染等影响，易使瓷釉龟裂绝缘油老化。它也是变压器故障多发部位，套管也是电力 变压器与外部电网或设备连接的桥梁，其运行中的故障形态主要有如下几种： ( 1 ) 套管密封不良导致进水受潮； ( 2 ) 套管瓷套的表面沉积有灰尘、油污和盐雾等，常常会引起套管的污闪； ( 3 ) 套管因漏油致使套管缺油而过热； ( 4 ) 套管引线渔穿缆线焊接不良或导电杼与将军帽嫘纹配合不良而过热： ( 5 ) 套管末屏接地不良或开断； 武汉大学工程硕士学位论文 ( 6 ) 套管与绕组引线联接固定销脱落造成悬浮放电； 订) 套管内电容屏绝缘有缺陷导致局部放电： ( 8 ) 安装不当引起套管损坏。 6 ) 绝缘故障 绝缘系统中的故障：变压器油和绝缘纸、板以及绝缘件构成了变压器油一纸绝缘系 统，绝缘系统中的故障主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 采用薄绝缘、小油道设计制造的变压器工作寿命短，往往在投运不久就发 生故障。 ( 2 ) 如果变压器相间绝缘没有足够的裕度，则可能产生相间短路。这种短路故障 有时可能由于在乡间加入绝缘隔板从而破坏了相间电场强度的分布，例如引起油间隙 和隔板的电场强度过高而导致隔板的树枝状放电等。 ( 3 ) 变压器内部的清洁度要求很高。在变压器线圈表面及器身上即使留下极少数 的金属杂质，对爬电距离也会产生极大影响，运行中因此而产生局部放电进而导致沿 面放电等后果是显而易见的。 ( 4 ) 由于变压器油道设计不佳和油流速度过高而导致运行中的变压器发生油流带 电严重并发生油流放电的故障在大型高压变压器中时有发生。 ( 5 ) 绝缘成型件，诸如用绝缘纸和合成树脂压制而成的绝缘筒、绝缘管和绝缘板 等，在制造过程中，其表面或内部被导电质污染，运行中会发生绝缘件表面放电或内 部发生局部放电，致使绝缘失效造成故障。 ( 6 ) 由于变压器油箱上的局部密封失效或其他因素，结果使水分进入变压器内部， 这样就大大的降低了局部的绝缘强度，从而可能引起线圈或引线对油箱或对铁心构件 击穿。但是，线圈匝间绝缘遭受的危险性最大。 ( 7 ) 变压器油受到污染后，绝缘强度下降进而导致变压器整体绝缘性能下降是目 前变压器运行中的常见故障。 ( 8 ) 变压器长时间过载可引起绝缘油的老化，油温过高会加速油泥、水分和酸 的形成。 7 ) 密封不良 变压器密封不良主要是连接处处理不好，如焊接质量不良、大罩变形、法兰不平、 砂眼以及密封圈失效等原因造成。其后果是漏油、漏气，故障时影响范围大。故障模 式有密封圈老化、瓷套脱落或破裂、箱体焊点裂纹、潜油泵处漏气等。 5 - 武汉大学工程硕士学位论文 1 3电力变压器故障的宏观规律 故障宏观统计规律是指设备故障率随时间变化的规律。变压器的宏观统计规律表 现为浴盆曲线，即故障率随着时间的变化呈两头高、中间低的“浴盆”曲线形状。变 压器的故障率随时间的变化可以线性化为三个阶段：早期故障期、偶然故障期和耗损 故障期。 1 ) 早期故障期：变压器的早期故障起出现在设备使用的1 3 年，其特点是故障率 较高，且故障率随着时间的增加而迅速下降。变压器的早期故障通常是由于设计、制 造上的缺陷等原因引起的，例如设计不合理，使用材料不合格，装配不当，焊接不良， 质量检验不认真等造成的。 2 ) 偶然故障期：在早期故障期之后是变压器的有用寿命期，称之为偶然故障期。 其特点是故障率低且稳定，故障的产生是随机的。偶然故障是由偶然因素引起的，如 技术参数突然超过极限值，工艺缺陷、材料弱点在偶然因素的激发下，维护不良、操 作失误，运行环境的突变等因素造成的。 3 ) 耗损故障期：耗损故障期出现在变压器的有用寿命期的末期，其特点是故 障率随时间的增加而加大。损耗故障是由于变压器内部的物理变化、化学变化或生 物变化所引起的磨损、疲劳、腐蚀、老化、极化、损耗、阻抗增大、振动位移等原 因所造成的。 。6 武汉大学工程硕士学位论文 2 变压器运行中状态判据的研究 2 1变压器油中溶解气体分析( d g a ) 研究 由于变压器在电力系统中的重要地位。一台变压器的故障可能引起长时间和大面 积的供电中断，而突然发生的变压器故障，不但大大增加维修费，而且还会因为中断 供电而减少收入。因此，对油绝缘电力变压器进行早期故障诊断显得尤为重要。油中 溶解气体分析( d g a ) 就是一种全世界公认的而又被广泛使用的对油绝缘电力变压器 进行早期故障诊断的技术。现在，全世界各国电力公司都积累了大量的d g a 经验和 数据。 变压器中的绝缘材料基本上由c 、h 、0 三种物质构成。运行中的变压器由于绝 缘正常老化，通常都产生一定量的气体。这些气体的数量按以下顺序递减：少量的 c 0 2 、相当少量的c o 和痕量的h 2 、c h 4 、c 2 h 6 。当变压器内部发生故障时，通过d g a 定量测定出的主要气体组分有氢气( h 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、乙烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 h 4 ) 、 乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 和二氧化碳( c 0 2 ) 。这些气体的组合与含量和故障的 类型与故障的严重程度密切相关，所以，称之为特征气体。 特征气体产生的主要原因是；热、电和机械应力，这些力在变压器中主要表现为： 电晕( 局部放电) 和火花放电：过热( 局部过热和大面积过熟) ；电弧放电。 我们取变压器中的绝缘油和纸在实验室模拟运行变压器的条件进行试验，结果表 明： a ) 纤维素( 纸) 过热：在1 4 0 。c 时分解的主要产物是：c o 、c 0 2 、h 2 0 。 b ) 纤维素( 纸) 热解：在2 5 0 。c 以上温度时，产生的c o 的体积大约为c 0 2 的四 倍，此外还生成一些焦油、焦碳和水及少量杂质。 c ) 变压嚣油过热：5 0 0 。cv l 上时，会释放出c i - h 、c 2 h 6 、c 2 i - h 。如果温度低于5 0 0 ，且有氧气存在，则释放出：c 0 2 ( 4 0 0 c ) ，水( 2 0 0 c ) 。 d ) 变压器油的热解：当油承受极大的电应力( 如电弧) ，油将释放出如下特征气 体：h 2 、c i - h 、c 2 h 4 、( h 2 。 通过以上实验可以发现：测定变压器油中特征气体的种类( 气体组份) 及其含量 7 壅圣查兰三垦堕主兰兰笙! 一 ( ul 几) 有助于分析变压器内部是否存在故障及故障的严重程度。 依靠油中气体分析判断变压器故障根据的事实是：如果关键的气体浓度和关键的 气体比例超过了预定的极限，那么，就可以判断变压器中有故障。由于运行工况不同， 绝缘老化和以往的经验不一样，各国以及各个公司定的标准不一样，这些极限值变化 的范围很大。 d g a 认为不同的故障产生不同的特有的气体。所有上述的意见是从采用d g a 监 测变压器取得的多年经验得出的结果。因此，在开发新的诊断方法中，这些意见是极 有价值的。 2 1 1 特征气体方法 在特征气体法中，特征烃类气体浓度和产气率以图形方式监视。在电力公司特征故 障经验的基础上，特别是，电弧产生大量的氢气和乙炔( 比率a 2 ：1 ) ，附带少量的 甲烷和乙烯；如果故障包含纤维素热点在纸绝缘中最主要的是一氧化碳和二氧化碳： 电晕或低能局部放电产生大量的氢气和一些甲烷，比率约为8 ：1 ；过热或高温故障产 生大量乙烯。表2 1 表示各种故障的一般特征气体。 表2 - 1各种故障下油和绝缘材料产生的特征气体成分 过热电弧放电局部放电 气体成分 油油和绝缘材料油油和绝缘材料油油和绝缘材料 氢气 甲烷oo 囝 乙烷oo 乙烯oo 乙炔 丙烷oo 丙烯 一氧化碳o 二氧化碳oo 8 一一一查圣苎兰三登堡主兰垒堕兰- 2 1 2 比例法( 比率法) 比率法可能是用的最广泛的，这种方法研究变压器油中的气体对比率而不是绝对 数比关键气体法进了一步。典型地，要使用三到四对比率，以保证精度。电力公司使 用r o g e r t ”，d o r r e n b u r g 2 和i e c 比率，i e c 比率己被用作工业标准。比率法的一个弱 点是它不能覆盖所有的数据范围，比率常常落到表的范围以外。d u r a l t m 开发了一种三 角表示，来克服这个问题。但是，比率法不能诊断纤维素故障。而且，在边界情况下 比率表不能提供清楚的气体水平转换。 表2 - 2 表示了广泛使用的i e c 比率表，用于d g a 结果的变压器故障诊断。 表2 - 2i e c 三比值法的编码规则 特征气体的比值c 2 h 2 ，岛心c 州2c 2 1 叫c 2 h 6 说明 羽1olo例如： o 】0looc 2 h 2 c 2 h 4 = 1 3 ，编码为1 1 0 - 3 0121c h 4 h 2 = i 一3 ，编码为2 3 0222c 2 h 4 c 2 h 6 = 1 3 ，编码为1 袭2 3i e c 三比值法的故障性质判断规则( 改良) c 2 h 2 ，c 2 i - hc h 4 h zc 2 心c 2 成 故障性质 o2o低温过热 02l中温过热 022高温过热 l22高能量放电( 电弧) 2 0 。l ，2o ，l ，2低能量放电( 电弧) 2 1 3 t c g 方法 总可燃气体( t c g ) 也能很好地用来指示绝缘劣化1 1 1 。t c g 定义为和c t o t ，油 中所有可燃气体浓度之和，即 c 1 0 1 = c r 疋一c 斗c i + c h + c |( 1 ) 单位p p m 。表2 - 4 则表示在变压器故障诊断中如何使用t c g 。 9 - 武汉大学工程硕士学位论文 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - 一 一 表2 - 4变压器故障诊断中使用t c g c t o t ( p p m ) 解释 0 - 5 0 0运行满意 5 0 1 1 5 0 0绝缘有分解现象，分析气体增长趋势 1 5 0 1 2 5 0 0绝缘有强度分解，立即确定故障类型 2 5 0 0绝缘状况恶化，采取行动纠正 例如：某发电厂发电机用变压器因发生低温过热性故障而停电，测得变压器内油 中气体含量为：( u l 1 ) h 2 = 1 8 0 ，c h 4 = 1 7 5 ，c 2 1 1 6 = 7 3 ，c 2 i 1 4 = 5 1 ，c 2 h 2 - - 4 。利用i e c 三 比值法，可得： c 2 h f f c 2 i - 1 4 o 0 8 武汉大学工程硕士学位论文 同理，x = c h 胡- 1 2 编码为0 时，可用隶属函数u o 表示为： 2 0 o _ s + o s s i 4 e 双x o 1 ) 1 1 o 5 - o s s i , ( z 颐x i ) 】 o x n 0 8 x e ( 0 0 8 ，0 1 2 x ( 0 1 2 ，o 9 】 上( o 9 ，1 1 】 x 1 1 当x = c h d h 2 编码为2 时，可用隶属函数u 2 表示为： f0 “：- - 11 - - e - 1 2 k 。8 5 彳o 8 5 z o 8 5 按照以上分析，当x = c 2 h 2 c 2 1 - h 编码分别为1 ，0 和2 时，其隶属函数u lu o u 2 分 别为： f 0 x 3 1 龇= * ，工要箸 龇= o 。，工要篓5 同理，当x = c 2 h d c 2 h 6 编码分别为1 ，0 和2 时。其隶属函数u lu o u 2 分别为 珥= o o 5 + o 5 s i r 妄如一1 ) 1 1 0 5 一o s s i 4 琳一3 ) 】 o 龇= f o m 龇= 妇。， x so 9 善( o 9 ，1 t 】 x e ( 1 1 ，2 9 】 工( z 9 ，3 1 ) x 3 1 戈0 8 5 工 o 8 5 工s 2 8 5 工 2 8 5 在分别得到隶属函数后，根据模糊模式直接识别法的最大隶属原则确定三比值编 码。例如：某变压器发生低温过热性故障，测得气体含量为：( u l 1 ) h 2 - - - 1 8 0 ，c h 4 ：1 7 5 ， 1 3 武汉大学工程硕士学位论文 -_、一一 c 2 r 6 = 7 3 ，c 2 1 - 1 4 = 5 1 ，c 2 h 2 = 4 。利用i e c 三比值法，可得： c 2 f i j c 2 1 - 1 4 = 3 5 时，认为该设备存在缺陷。 3 同类比较法 所谓“同类”，是指同一型号的变压器或同一变压器组以及同一台变压器的同相 的相同部位( 例如：同一变压器上的三相高压套管的将军帽) 。对它们相同部位的温 度值进行比较来分析判断各自是否正常。对同一变压器的三相设备进行比较时，要注 意不能排除三相设各同时产生热故障的可能性，虽然这种可能性非常小。 1 5 垄圣苎兰三堡塑主兰堡笙一 4 历史数据分析法 这种方法的基础是要为被诊断的变压器建立红外检测技术档案，在诊断变压器有 无异常时，可根据档案中的历史数据进行纵向分析，掌握该设备的热场变化趋势，同 时参考其它监测数据，进行综合判断。 2 2 3 红外检测对电力变压器故障的诊断效果 由于电力变压器的结构复杂，所包含的部件也特别多，故障模式繁多。有一些故 障用红外的方法来检测和诊断效果很好：也有些故障用红外检测效果并不好。红外检 测对电力变压器故障的诊断效果列于表2 7 中。 表二7红外检测对电力变压器故障的诊断效果 红外检测效果 变压器常见故障类型表现特征 好不好x 漏磁引起局部过热箱体局部温度高 油箱 油枕有积水油、水、空气温度不同 套管密封失效，进水受潮。介损增大、整体发热 套管渗漏油套管油位低 套管引线联接不良接头过热 变压器内部引线联接不良三相直流电阻不平衡 x 引线外部引线联接不良接头过热 j 引线支架受湖、绝缘劣化介损增大 x 多点接地、内部接地线断开、 铁心铁心接地电流大、油色谱数据异常吊罩后检测效果好 片间短路等磁路故障 电气性故障局放量超标、色谱异常 x 器身 过热性故障色谱异常、油温高 x 风扇、油泵电机过热噪音大、温度高 冷却 器 密封漏，进空气轻瓦斯频繁动作，油中含气量高 散热器部分油路不通散热器过热 2 3 变压器绕组变形故障的测试与诊断 电力变压器是电力网的核心设备之一，因此，其运行可靠性将对电力系统的安全 起到非常重要的作用。然而，由于设计制造技术、工艺以及运行维护水平的限制，变 压器的故障还时有发生，尤其是近年来逐渐引起人们重视的变压器近区( 或出口) 短路 故障，这大大影响了电力系统的安全运行。 1 6 武汉是学工程硕士学住论文 短路损坏的原因，一方面是因为承受的累积短路电流过大，另一方面是由于制造 质最不良，还有一个重要原因是由于目前我国大容量变压器的短路试验尚无法完成， 只能通过理论计算来近似保证，从而无法保证变压器是否能够经受短路冲击。短路损 坏的变压器，有的是只经一次短路冲击便损坏的，有的已承受过好几次短路冲击，甚 至十余次，也就是说，不同形式的短路冲击对不同变压器的损伤程度是不样的。因 此，对变压器经受短路冲击后的绕组变形程度( 主要指机械特性) 进行测试、诊断具有 十分重要的意义。 2 3 1 检测方法 变压器绕组发生局部的机械变形后，其内部的电感、电容等分布参数必然发生相 应变化。利用一定的测试技术，测量变压器各个绕组的某些特定参数，并对测试结果 进行纵向或横向( 三相之间) 比较，就有可能诊断出绕组的扭曲、倾斜、鼓包、移位等 变形现象。根据测试手段的不同，常用的测试方法可分为三种：( 1 ) 阻抗法；( 2 ) 低压 脉冲法；( 3 ) 频率响应分析法。 由于频率响应分析法采用的是扫频测量技术，所测量的是频率预先已知且低于 l a 4 z 的正弦波信号，便于用数字处理技术消除干扰信号的影响，信号传播过程中的 折反射问题也易于得到解决，故具有较强的抗干扰能力，测量结果的重复性也易于得 到保证，现场应用具有突出的优点。测试系统主要通过记录并比较变压器同一绕组不 同时期、以及同一变压器三相绕组之间所测得的频率响应特性曲线，从而对绕组的结 构特性、绕组是否已产生机械变形以及变形的程度等作出判断，以确定变压器是否需 要检修，从而减少潜在的风险，提高变压器运行的可靠性。 2 3 2 测试判据 自9 5 年1 0 月份以来，对安徽电力系统内有关单位的各类变压器进行了近2 0 0 台 次的测试，记录了其原始频率响应特性曲线，并对其中5 台2 2 0 l ；v 、7 台l l o k v 电压 等级的变压器遭受短路冲击后判断能否投运发挥了重要作用。 ( 1 ) 正常情况下( 普测时) 变压器绕组频响特性曲线间的相关系数( 表明两条曲线吻 合程度的参数) 均大于1 o 。 以马鞍山第二发电厂1 号主变为例，其高压侧三相线圈的频响特性曲线如图2 - l 所示； 1 7 武汉大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 对于联结组别为y ，y o 、容量为1 6 m v a 的电厂高厂变，其低压侧相间频响特 性曲线的相关系数低者在o 7 左右，高压侧相间频响特性曲线的相关系数低者则在o 5 左右，并且同一厂家同种结构的变压器其频响特性曲线有一定的相似性。 这一点己在所测的1 0 台高厂变中体现出来。图2 2 给出了芜湖电厂l l 号高厂变 低压侧三相线圈的频响特性曲线图； i i 位：嘏 2 m 。 、，一一 一一、 、a aj v f 、 趣蛊：丝q 目匦兰墼l 如 图2 - 1 马鞍山第二发电厂1 号主变高压侧三相频晌特性曲线 单位：血 痨。广q ，i 、飞 j悄 帕 v ，吣 钒 qf 强虑：l n 衄l 垫筵；姐l 图2 - 2 芜湖发电厂1 1 号高厂变低压侧频响特性曲线 ( 3 ) 对于同一时期由周一变压器制造厂制造的同型号的变压器，测试结果表明其 对应绕组的频率响应特性有一定的相似性，图2 - 3 所示 1 8 - 一。壅竖垄兰兰堡堡主兰竺堡查一 _ _ _ _ - _ - _ 一一一 单位：血 4 0 r 、 哇 忪 姒l f h o h a 0 2 d a t b o h a 0 1 d a t 枢美纛t 1 5 3 2 o 1 l0 2 10 3 10 4 10 5 00 6 00 7 00 8 00 9 0 1 0 0 起点：1 0 唧z单位：啊z 圈2 - 3响洪甸抽水蕾能电站两台主变的高压侧a 相绕组的频响特性曲线图 为响洪甸抽水蓄能电站两台主变的高压侧a 相绕组的频率响应特性曲线； ( 4 ) 对于几年前反映短路损坏比例较高的双分裂变压器，测试过程中未发现异常 现象( 共测试3 台) ，相间的频响特性曲线相关系数均大于1 0 ，同相双分裂线圈间的相 关系数也大于1 0 。图2 4 所示的是洛河电厂l 号高厂变低压侧1 分裂三相线圈的频响 特性曲线图。 单位：d b 一1 0 a fx 趴。 ，一 v 一 1 = 荨 r l o l a 0 2 血t l o l b 睨d a t b l c 。2 。如瞎 相关纛赣 r 1 2 , = 1 ”l r 2 3 = 1 7 弼 r 1 3 1 7 6 3 o 1 l0 舡o 3 1o 4 io - 5 0o o 7 00 柏o 1 0 0 蠢直：l q 衄z 垫健；朋t 图2 - 4 洛河电厂i 号高厂变低压侧1 分裂三相线圈的频响特性蓝线圈 ( 5 ) 相关系数的有效范围：判断时对高频部分( 7 0 0 k h z ) 的数据只做参考，重 点注意中、低频部分，相关系数越高，表明绕组变形的可能性越小。当r 1 0 时， 可认为绕组正常，0 5 r i 0 时，可认为绕组有轻微变形，r r 临界 由相关系数r 大于其临界值可知，式存在，且设备运行年限与变压器油中糠醛 浓度的对数具有显著线性关系。如下图3 - 3 所示： 图3 - 3亚压器运行年限与糠醛浓度对数关系围 由式知，随着变压器运行时间的延长，变压器油中的糠醛浓度里指数趋势上升， 或说变压器油中的糠醛浓度的对数随其运行时间呈直线关系增加。由于l n c k ( t ) 是 回归方程，h a c k 与t 是直线相关关系，不能精确的由t 值计算出c k 值。对一台确定 的运行时间的变压器来说，其糠醛浓度实测值的对数在直线l n c k ( t ) 附近上下波动， 且这种波动应服从正态分布。由统计学知，其测定值必定落在一个置信范围之内，即 如下两条直线之间。 一2 6 4 8 + 0 0 9 4 6 t + t o f s “n 一2 6 4 8 + 0 0 9 4 6 t t 。f s q n 上式t a f 为t 分布法统计量；s 为回归直线l n c k ( t ) 的标准差，表征，数据围绕 该直线的分散程度，s 的计算方法如下： ：簿( y i 式中为实测值，为多次测定结果的平均值，r 是回归系数。将不同运行时间的变压器按 3 0 - 壅圣查兰兰堡堡主堂堡塑王一 同归直线的计算值作为平均值，则有下式 s =窆 1 n c ：( 7 ：) + 2 6 4 8 一o - 0 9 4 6 l 】2 1 | 生1 虿一 将所有点逐个代入上式，计算得： s = 0 8 9 2 选择显著性水平= o 0 0 5 ，即置信概率为9 9 5 ，查t 分布表得t = 2 6 5 ，按上式，则该 回归直线的置信范围在下两条直线包括的区间之内： 一2 6 4 8 + q 瑾) 4 6 矿2 j 6 5 q 酬7 4 即： l n c k = 2 3 7 3 + 0 0 9 4 6 t式3 1 l n c k = 一2 ，9 2 2 + 0 0 9 4 6 t式3 - 2 也就是说，有9 9 5 的把握，正常变压器油中糠醛含量的实测值应落在如上两条 直线所表示的区间之内。见下图3 4 ： 图3 4 变压器年限与糠醛浓度区域分布图 3 2 3 数理统计结论 1 老化区域的划分 由上节讨论的数理统计分析可知( 参见图) ，回归直线h a c k = 一2 6 4 8 + 0 0 9 4 6 t 的 置信范围在2 3 7 3 + 0 0 9 4 6 t ( 式3 1 ) 与- 2 9 2 2 + 0 0 9 4 6 t ( 式3 2 ) 两条直线所囊括的区 域之内。这就说明，正常运行的变压器油中糠醛含量的实测值之对数应落在该区域内。 由此可得出，该区域即为变压器绝缘的正常老化区；同理可知，区间的上限为式5 1 上方区域，若糠醛含量实测值落在该区域，则表明变压器未能运行到所能运行到的时 - 3 1 武汉大学工程硕士学位论文 间，其绝缘状况已经恶化，糠醛浓度实测值越高，其老化的程度越快、越深，故，该 区域即为变压器绝缘的非正常老化区。区间的下限为式3 2 下方区域，若糠醛含量实 测值落在该区域，则说明糠醛含量随变压器运行o , j f d 3 上升的较为缓慢，该变压器自投 运以来，一直处于低负荷或间断运行状态。因此，该区域应视为缓和老化区域。 2 固体绝缘劣化的基本判断方法 有了如上的数理分析后，我们就可根据变压器油中的糠醛含量间接判断出变压器 固体绝缘的老化状况。具体的方法是：当一台变压器发生故障时，要想知道其是否由 固体绝缘老化所引起，则取出油样，采用我们所推荐的高效液相色谱法分析糠醛含量， 然后，详细了解该变压器的运行时间或年限，代入数理统计所得出的上限公式计算， 即c k = e x p ( - 2 3 7 3 + 0 0 9 4 6 t ) ( 式3 1 ) ，将实测值与计算值进行比较。若实测值小于 计算值，则实测值落入正常老化区或缓和老化区域，固体绝缘的老化状况属于正常； 若实测值大于计算值，则实测值落入非正常老化区，该台变压器的固体绝缘状况判定 为