（电力电子与电力传动专业论文）电力机车主变压器在线监测系统的研究.pdf

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 m a mt r a n s f o r m e ro fe l e c m cl o c o m o t i v ei sa l li m p o r t a n ta s s e m b l yo ne l e c t r i c l o c o m o t i v e ，w h o s er e l i a b i l i t y a n dd u r a t i v ei st h e g u a r a n t e et ot h es a f e t yo f l o c o m o t i v e sr u n n i n g m a i nt r a n s f o r m e ra l w a y sr u n si na r e l a t i v e l yb a dc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h em a i nt r a n s f o r m e rr u n n i n gi n s t a n c e sf o rm a n yy e a r s ，a l t h o u g hi t s f a u l tr a t i oi sn o th i g h , i tw i l lb r i n gc o n s i d e r a b l el o s sw h e ni t sf a u l th a p p e n s t h e 扛a d i f i o n a lo u t l i n ed i a g n o s i sm e t h o d sa n ds h u t t i n gd o w nl o c o m o t i v ei n t h ea f f a i r ss t a t i o nf o rd e t e c t i o nc a nn o tf i n do u tp o t e n t i a lf a u l te f f e c t i v e l yi ni t s r u n n i n gc o n d i t i o n , o n l yp r o v i d i n gl a g g i n gi n f o r m a t i o no f m a i nt r a n s f o r m e r sf a u l t o ri t sa c c i d e n t , a n dh a r d l ya d a p t t i n gt ot h ed e v e l o p m e n tc u r r e n to fl o c o m o t i v e s t a t er e p a i rn o w a d a y s n l i sp a p e rd e v e l o p sr e s e a r c h e sb a s e do nt h ep r o j e c to f l o c o m o t i v e r u n n i n g s t a t e m o n i t o r i n g ，c o m p l e t e s t h e d e s i g n o ft h em a i n t r a n s f o r m e r so n - l i n em o n i t o r i n ga s s e m b l y , p r i m a r i l yr e a l i z e st h es t a t er e p a i ro f l o c o m o t i v e sm a i nt r a n s f o m e t i ts t u d i e st h et r a n s f o r m e rs u u c t u r e s ，c a u s e so fk i n d so ft r a n s f o r m e r sf a u l t s a n dt h e i rd i a g n o s i sm e t h o d s a l s oi td e s i g n st h eo n - l i n em o n i t o r i n ga s s e m b l yo f t h el o c o m o t i v em a i nt r a n s f o r m e rt h a tt a k e sg a sd i s s o l v e di no i la n dt h eo i l t e m p e r a t u r ea ss t a t ev a r i a b l e s t h ea s s e m b l ya d o p t sm a c r o m o l e c u l ev e l u mo i l - g a s s e g r e g a t o r , a p p l i e ss e m i c o n d u c t o rg a s s e n s i t i v e 船- n s o rt oe x a l n i n es t a t es i g n a lo f d i a g n o s t i cg a s ，u s e sd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s l 8 8 2 0t oj e ) x a l n i n et e m p e r a t u r e s i g n a l n ea s s e m b l ya d o p t st h ec e n t r a l i z e d - d i s p e r s e dd a t a - c o l l e c t i o np r o c e s s i n g m o d e ，w h i c hs e n d sa l lt h ed a t at ot h eu p p e rm a c h i n eb yt h ec a nb u sf o rs t o r a g e a n dt r a n s m i t t i n g t h ei n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mo nt h eg r o u n da c h i e v e st h e f u n c t i o nt h a td i s p l a y sa n da n a l y s e st h ed a t a , d i a g n o s e st h ef a u l t , a n ds o0 1 3 i t c o m p l e t e st h er a t i o n a ld e s i g no ft h ew h o l es c h e m e ，i l l u m i n a t e st h e s e l e c t i o no fm a i ne q u i p m e n t s t y p e a i s oi ta c h i e v e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no fs i g n a lm o d u l a t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ec i r c u i t , e t c i no r d e r t oa n a l y z e e s t i m a t ea n df o r e t e l lt h ef a u l to fm a i nt r a n s f o r m e r , c o n f i r mi t s c h a r a c t e r , t y p ea n de x t e n t , t h i sp a p e ra p p l i e sa n na n df u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o d t o d i a g n o s et h e f a u l to fm a i nt r a n s f o r m e r , u s e se x p e r ts y s t e mt oa c h i e v e c o m b i n a t i o nb e t w e e nt h ec o n c l u s i o no fa n na n df u z z ym a t h e m a t i c sb a s e do n d se v i d e n c et h e o r yb yt h er e a s o n i n gm e c h a n i s mo fi n f o r m a t i o nf u s i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 t e c h n i q u e i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，“u s e st h ed a t ao fm a i nt r a n s f o r m e rf a u l t sc o l l e c t e d b yt h ea s s e m b l yt ov a l i d a t ea n da n a l y z et h ed i a g n o s i ss y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t e s t h i sd i a g n o s i ss y s t e mc a l lr e d u c et h ee r r o ro ff a u l td i a g n o s i sa n de n h a n c et h e r e l i a b i l i t yo f f a u l td i a g n o s i s k e yw o r d s ：m a i nt r a n s f o r m e ro f l o c o m o t i v e ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；f a u l td i a g n o s i s n e u r a ln e t ( n n ) ；d se v i d e n c et h e o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机车主变压器的作用与运行条件 电力机车主变压器是交流电力机车上的一个重要部件，用来把接触网上 取得的2 5 k v 高电压变换为供给牵引电动机及其他电机、电器工作所适合的 电压，其工作原理与普通电力变压器相同。主变压器安装在交流馈电的电力 机车动车上，把馈电电源变换为适当的主电路电源和辅助电路电源，为了能 自由地改变电压，使之适用于牵引电动机，交流电气化的初期，变压器的原 边或次边绕组设有抽头，可使电压在一定的范围内变化，以实现牵引电动机 的电压控制( 即速度控制) 。后来采用半导体器件控制牵引电动机电压，为此 要把次边绕组分成具有一定电压的2 个绕组，向半导体交流器供电。辅助电 源从变压器第3 绕组获取。 由于机车主变压器工作在电力机车上，因此电力机车在运行过程中所具 有的一系列特点，必然要在主变压器的实际工作中反映出来，结果就造成了 主变压器具有不同于普通变压器的工作条件和特点。主变压器的工作条件及 特点，主要表现在以下几个方面1 6 j ： 1 、经常受到机械冲击和连续而强烈地机械振动； 2 、外型尺寸和重量有较严格限制( 因为机车车体内安放电气设备的空 间极为有限，而且机车轴重也有一定的规范) ： 3 、接触网波动范围比较大，牵引负荷变化也比较大； 4 、受大气过电压和操作过电压的作用，同时低压侧有较高的短路或率； 5 、当采用改变主变压器输出电压的方法来调节机车速度时，主变压器 的绕组需要安排较多的抽头数目，以便进行调压。 综上所述，主变压器的工作条件与普通电力变压器截然不同，它的工作 条件和工作环境是相当恶劣的。 电力机车主变压器运行条件特殊，接触网电压变化大，机车额定工作电 压2 5 k v ，正常的工作电压2 0 2 9 k v ，允许偏差+ 1 6 和2 0 ，故障运行电 压为1 9 k v 。在实际运行中，接触网首端电压有时达到3 1 k v ，机车再生制动 时，网压可达到3 2 k v 。而电力变压器网压变化率只有5 。与一般变压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 相比，主变压器的馈电电压变动范围大；另外，馈电的分段处有电力中断， 同时还伴有相位变化，所以主变压器常受到大的电冲击【lo 】。 机车运行时要求无流通过分相区，接触网分相距离一般为2 0 4 0 k m 。 牵引变压器要经常断开和接通。当列车平均速度为8 0 k m h 时，机车主变压 器约1 5 3 0 m i n 投切一次。当列车平均速度为2 0 0 k m h 时，则1 0 2 0 m i n 就 要投切一次l i o l 。 1 2 机车主变压器在线监测与故障诊断的意义 铁路运输是我国经济运行的大动脉，在我国交通体系中占有重要的地 位。随着国民经济的迅速发展，我国铁路加快了以高速、重载、安全为主题 的发展步伐。但行车安全是铁路运输的永恒主题，铁路提速后对机车的安全 性提出了更高更严的要求，过去那种主要依靠机车司机与检修人员的经验和 直觉对机车故障进行诊断与检修的做法已经不能满足现代运输对“安全、高 效”的要求，由于在机车运行过程中可能出现的一些瞬时故障不能及时准确 的记录，就给机车的运行安全带来隐患，而且由于没有数据作为依据也给检 修带来困难为此，国内外提出了一种经济高效、先进合理的维修制度一状 态修【l l 】。 状态修是把当前的定期、定型和分解型的维修方式，改变为实时在线的 状态监测，通过对车辆运行参数的监测，随时掌握设备出现的故障及运行工 况，有效的确立以功能为中心和非分解型的设备维修方法【1 2 】。状态修是一种 预维修制，与定期检修相比，状态修是现代网络技术、检测技术、计算机技 术、信息技术、人工智能等多种学科在车辆的运行维护和运营管理上的综合 应用，它更能保证车辆运行的安全性，维修决策的科学性，是我国铁路车辆 运营维护管理现代化的发展方向。 机车主变压器是电力机车的心脏部分，它的好坏直接影响到机车的行车 安全。由第一节介绍我们可知，电力机车主变压器的运行条件相对恶劣。从 电力机车主变压器多年来运行的状况来看，主变压器的故障率虽然不高，可是 一旦出现故障就会造成很大损失。传统机车主变压器离线诊断方法和机务段 停车检修方法不能有效地发现主变压器在运行条件下的潜伏性故障，仅能够 提供变压器故障或者事故后的滞后信息，与现在车辆状态修的发展趋势不相 适应。另外通过气体继电保护装置也不能知道油中溶解气体的组分及每种组 分的含量，还往往给出一种假象，不能真正反映出己出现的故障，不能满足 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 对主变压器进行实时监控的要求。对主变压器在线监测可以即时连续的收集 状态信息，可以即时连续记录各种影响变压器状态的相关数据，及时发现隐 患故障，防止故障向严重程度发展，还能将故障造成的严重后果降到最低限 度。 电力机车主变压器在线监测是机车状态修的一个应用。电力机车主变压 器在线监测装景包括状态量的检测和故障诊断两大部分。采用变压器在线监 测装置的目的是实时或定时监测变压器的运行状态，判断其是否运行正常， 诊断变压器内部已存在的故障性质、类型、部位、严重程度并预测故障的发 展趋势，指导运行部门对变压器的管理和维修。 机车主变压器的在线监测是进行机车状态监测必不可少的方面之一，也 是提高主变压器可靠性的有效方法之一。 1 3 变压器状态监测与故障诊断的历史与现状 国外变压器在线监测技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，经过四十多年的 努力，它已经发展成为了几乎独立的一门学科，在电工领域受到广泛重视， 其研究领域已从理论到实践，直至实用装置的开发。我国从2 0 世纪8 0 年代 初开始逐步开展了电力设备在线监测方面的研究【3 】。 国内外各种在线监测装置相继投入到电网和变电站，积累了许多在线监 测的经验，从而促使在线监测技术不断完善和成熟。美国、加拿大、法国等 先进国家在电力变压器在线监测领域起步较早，并都有成功应用的例子。许 多发达国家诸如美国、澳大利亚、加拿大、英国等都已大规模安装电力设备 在线监测装置，而加拿大则规定，在2 2 0 k v 以上变压器至少安装一套在线监 测产品，用于监测变压器的绝缘和安全状况可见，电力设备监测技术在国外 已经得到了广泛的应用。随着国内电网的高速发展，供电企业对设备安全运 行和供电可靠性要求越来越高。许多单位越来越关心、重视在线监测技术发 展，每个省份都或多或少地运用了电气设备在线监测产品，变压器在线监测 产品又是运用的重点。近年来，国内外对变压器在线监测的研究主要集中在 以下几个方面睁j ： ( 1 ) 油中气体在线监测； ( 2 ) 局部放电在线监测； ( 3 ) 绝缘在线监测； ( 4 ) 油温热点监测； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 5 ) 变压器绕组的变形和移位监测； ( 6 ) 油中微水在线监测； ( 7 ) 变压器有载调压分接开关监测。 种在线监测装置的功能是否齐全和优良，其采用的故障诊断方法也非 常重要【”。在变压器故障诊断中应用较多的是传统的油中溶解气体分析法 ( d g a ) ，即通过对变压器油中溶解气体的分析来判断变压器存在的故障，形 成了一系列故障诊断算法，如i e c 推荐的三比值法、r o g e r s 法、d o m e r b u 玛 法等，它们共同的特点是对变压器油中溶解的h 2 、c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、 c o 、c 0 2 的比值进行编码，然后由相应的编码查出对应的故障。但是，上述 方法大多仍局限于阀值诊断的范畴。为了弥补这些方法存在的“编码盲点” 问题，一些学者又在这些方法的基础上，引入专家系统( e s ) 、人工神经网络 ( a n n ) 、模糊理论( f z ) 、遗传算法( g a ) 以及它们的混合方法来对变压器故障 进行判断，取得了一定进展1 2 j 。 虽然在线监测技术己广泛应用于电力变压器，但在牵引供电系统中运用 得较少。国内少数试点牵引变电所采用了变压器监测系统，而在电力机车主 变压器还没有运用专门的监测系统。 1 4 课题的提出与研究的主要内容 1 4 1 课题的提出与方案的选择 本文是在某机务段机车运用状态监测项目的基础上展开的研究，研究的 对象是电力机车主变压器的在线监测。本文在充分分析现有的技术条件和新 技术、新理论在故障诊断的投入运用取得一些新成果的条件下，开发一个机 车主变压器在线监测的综合平台。建立基于d o a 和变压器温度为状态量的 机车主变压器在线监测系统，实现变压器特征气体、温度等信号的采集、实 时分析、初步诊断的功能。 根据变压器内部析出的气体可以分析出变压器潜伏性故障，特别是对过 热性、电弧性和绝缘破坏性故障等，不管故障发生在变压器的什么部位，都 能很好地反映出来囝。以变压器油中溶解气体在线监测为手段，对运行中主 变压器的故障进行诊断和预测以及追踪故障发展趋势，是实现机车主变压器 状态维修的一项非常有前景的技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 如果变压器长期过载，运行电流过高，变压器铜损、铁损产生的热量被 积累，变压器温度升高，变压器高温运行加速了绝缘物老化，高温下引起绝 缘油汽化1 4 。温度与绝缘值成反比关系，与导体的电阻成正比关系，温度升 高使导体电阻增大，变压器铜损增大，发热增加，反过来又使温度升高。由 此可见温度是变压器发生故障的另一个重要参数，必须受到严格的监控。 1 4 2 本文研究的主要内容 针对系统开发需要，本文主要研究内容包括： ( 1 ) 研究了变压器内部结构、各种故障的起因、诊断方法，研究变压器 在线监测方法，包括油中气体在线监测、绝缘在线监测、局部放电在线监测、 绕组热点在线监测、冷却系统在线监测、油中微水在线监测等，通过比较这 些诊断方法的可行性、诊断的准确性，从而确定了以油中溶解气体在线监测 为主，温度监测为辅的机车主变压器在线监测方法； ( 2 ) 完成了变压器的产气机理分析，常见故障及其油中溶解气体分析原 理；研究高分子膜油气分离机理，选择适合在线系统所需的透气薄膜。研究 多种气敏传感器及气敏传感器阵列，并选择适合系统所需的传感器。在已有 的标准基础上，进行溶解气体的成份、气体含量及其产生速率分析，建立变 压器故障的油中溶解气体特征库； ( 3 ) 研究了变压器油温异常及其原因，油温异常对变压器的影响，变压 器油温度检测的方法； ( 4 ) 在线监测系统的开发。以系统开发为手段以求建立一个多信息处理 的变压器故障诊断平台；系统主要包括两部分：状态采集和地面系统。状态 采集系统主要完成对检测状态量的采集，对采集的信息进行处理，实现初步 故障诊断，通过g p r s 业务同地面系统交换数据。地面系统对变压器当前状 态和历史状态进行深入分析，可以建立主变压器诊断、检修数据库，通过一 定推理算法，实现精确的故障定位。本文侧重点在状态采集与数据处理模块 开发设计，地面系统诊断功能的实现方法。 ( 5 ) 为了更加准确地对变压器的故障进行分析、判断和预报，确定故障 的性质、类型和程度，文中采用专家系统，在信息融合的推理机制下实现神 经网络诊断结论与模糊数学诊断结论的d s 证据合成。 ( 6 ) 通过实际数据对系统的诊断方案进行验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章变压器结构与故障类型 2 1 变压器基本结构 主变压器的基本结构f 6 】有芯式和壳式两类。芯式结构或壳式结构是指变 压器铁芯与绕组的相对位置而言。在我国，芯式变压器在应用上占有优势。 芯式铁心通常为垂直放置，圆筒形的高、低压绕组同心地套装在心柱上， 使绕组包围心柱。为充分利用绕组内圆空间，心柱截面常为外接圆形的多级 阶梯形；为使磁通在铁轭中分布均匀，铁轭截面最好与心柱截面相同，但为 了使夹紧装置及绝缘零件等结构简化，铁轭截面一般都采用矩形或倒多级梯 形。心式铁心结构简单、并具有绕组装配及绝缘处理比较容易，短路时绕组 机械稳定性好等优点，因此是目前应用最广泛的结构形式。绕组的结构形式 分为同心式和交迭式两种。同心式绕组是将变压器的高、低压绕组绕成直径 不同的圆筒形，套装在同一个铁心柱上。它具有结构简单、制造方便等特点， 是最常用的一种绕组形式。按绕制方式不同，同心式绕组又分为圆筒式、螺 旋式、连续式和纠结式等基本形式。交迭式绕组都做成饼式绕组，高、低压 绕组互相交错叠放，易于构成多条并联支路，主要用于壳式变压器和特种变 压器( 如电焊、电炉变压器) 中。 从变压器结构方面来说，通常分为六大部分即绕组、铁心、引线、器身、 油箱和总装。机车主变压器也是由这几部分组成的。其中绕组、引线、器身 和总装( 涉及外绝缘) 四大部分直接与绝缘有紧密的联系，铁心和油箱也涉及 到绝缘问题。另外，绝缘问题无论是在变压器制造过程中，还是在变压器运 行中，往往都是最敏感，最直观表现出来，所以电力变压器各部件的绝缘成 为变压器制造厂家和使用部门最为关注，最为重视的问题。变压器结构可用 图2 1 表示 机车主变压器铁芯为单相二柱式叠铁心晶粒取向冷轧电工钢片叠装而 成，由于该电工钢片表面覆有一层薄的氧化膜，有一定的绝缘作用，所以表 面不涂漆。变压器绕组可分成一次绕组、二次绕组、三次绕组3 种。一次绕 组指高压绕组( 网侧绕组) ，二次绕组指牵引绕组，三次绕组指辅助绕组和采暖 绕组。 变压器器身放在变压器油箱中，箱内充满变压器油。变压器油在变压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 中一方面作为绝缘油，另一方面则作为散热的媒介，即通过油的对流把绕组 和铁芯上的热量带给散热器，以冷却变压器器身。变压器个绕组的端点用引 变压器 开关 本体附件) 器或冷却器) 柜、油表、吸湿气，继电器等) 中、低压瓷套管等) 图2 1变压器基本结构 出线从油箱内部引至油箱外面，必须穿过绝缘套管，以使带电的导线与 接地的油箱绝缘。 为了减小尺寸和重量，主变压器的冷却系统通常采用强迫油循环风 冷方式，即用油泵将热油从油箱上部抽出，经油冷却器冷却后，再打入油箱 底部，如此循环。为加强散热效果，缩小尺寸，又对冷却器进行强迫通风冷 却。 为了防止变压器油迅速老化和受潮，专门设置了储油柜、吸湿器、挣油 器等保护装置。 2 2 运行中的常见故障类型 1 、按故障发生部位分类： ( 1 ) 变压器外部故障 油箱：焊接质量不好，密封填圈不好；电压分接开关传动装置：机械操 动部分，控制部分等问题；冷却装置：风扇，输油泵、控制设备等问题；附 件：绝缘套管、温度计、油位计、各种继电器等问题。 ( 2 ) 变压器内部故障 绕组：绝缘击穿，断线，变形；铁心：铁心叠片之间绝缘不好，接地不好， 铁心两点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿；内部的装配金具问题：电压分节 开关控制不到位，引线绝缘薄弱绝缘油老化。 2 、按故障发生过程分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 突发性故障 由异常电压下( 操作过电压，雷电过电压及谐波过电压) 引起的绝缘击穿， 外部短路事故引起的绕组变形，层间短路；自然灾害：辅机的电源停电。 ( 2 ) 由潜伏性故障发展而形成的故障 铁心绝缘不良，铁心叠片之间绝缘不良，铁心穿心螺栓的绝缘不良，由 外界反复短路引起的绕组变形：过负荷引起的绝缘老化：由于受潮游离放电引 起绝缘材料、绝缘油老化。 3 、按故障性质分类 变压器的内部故障主要有：过热性故障、放电性故障、油故障等类型。 加速变压器寿命终结的根源是绝缘的老化。它使变压器逐渐丧失原有的机械 性能和绝缘性能，容易产生局部放电，降低绝缘的工频及冲击击穿强度，缩 短变压器的使用寿命。下面按故障性质对变压器故障作个简单的介绍。 2 2 1 放电故障 研究表明，变压器在工作电压下的长期运行寿命与其绝缘介质中有无局 部放电存在密切联系，放电越弱，则正常运行寿命越长。 局部放电对绝缘介质的破坏大致有如下几个方面： ( 1 ) 电粒子冲击绝缘介质，破坏其分子结构，如纤维碎裂，因而绝缘 介质受到损伤。并且，由于带电粒子的撞击作用，使绝缘出现局部温度升高， 从而易引起绝缘的过热，严重时就会出现碳化； 。 ( 2 ) 局部放电产生的臭氧( 0 3 ) 及氮的化合物( n o 、n 0 2 ) 当遇到水份则产 生硝酸，对绝缘介质的侵蚀更为剧烈： ( 3 ) 在局部放电时，油因电解而分解生成油泥沉积在固体绝缘材料上， 使绝缘介质的损耗角t a l l6 激增，散热能力降低，使该处形成局部过热点，形 成更剧烈的放电，促使绝缘损坏。 长期的局部放电会进一步发展为沿厚度方向的贯通性击穿及沿表面的 树枝状放电。这种沿表面的树枝状放电通常更容易发生，它属于一种高能量 的局部放电，最终将形成树枝状的碳化通道。 局部放电的持续发展，最终会使绝缘正常寿命缩短并使故障发生的可能 性大大增加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 过热故障 过热性故障占变压器故障的比例较大，对绝缘危害性严重。当变压器内 部发生各种热性故障时，由于局部温度较高，可导致热点附近的绝缘物发生 热分解而析出气体。变压器内油浸绝缘纸开始热解时产生的主要气体是c c h ， 随温度的升高，产生的c o 含量也增多。热点常会从低温逐步发展为高温， 引起绝缘劣化与热解，甚至会迅速发展为电弧性热点而造成设各损坏事故。 2 2 3 绝缘油故障 在油浸式变压器中，变压器油是最基本的绝缘材料之一。变压器油具有 绝缘、冷却、防潮、灭弧等作用，油品的质量直接影响变压器的运行效果。变 压器油的主要成分有环烷烃、烷烃、芳香烃及混入的杂质，各种杂质，特别 是水分和气体，对油的耐电强度影响很大。 变压器油的主要性能指标有绝缘击穿电压、粘度、介质损耗角及电阻率 等，其中，绝缘击穿电压是检验油耐受极限电应力情况非常重要的一项指标。 正常情况下变压器油的氧化过程进行的很缓慢，但当变压器线圈发生局 部过热、放电、击穿，以及铁芯过热、接地等各种故障时，故障点的热能会 使烃类化合物的键断裂而产生低分子烃类或氢气。变压器内部存在的放电、 过热等故障还会导致故障区附近的固体绝缘材料产生裂解，使纤维素断键， 形成碳的化合物，如c o 、c 0 2 。综上所述，变压器油中会溶解有氢气( h 2 ) 、 氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、乙烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 h 4 ) 、乙炔 ( c 2 h 2 ) 等微量气体。这些气体的含量与施加于这些材料上的热应力、电应力 和机械应力的强弱成正比例关系。随着变压器的老化，变压器油中溶解的气 体会呈缓慢增加趋势。如果存在潜伏性过热或放电现象时，变压器油中气体 会出现很多异常现象，如产气速率高，气泡扩大增多，使放电增强，从而加 速绝缘损坏。通过分析油中溶解气体的成分、特征气体含量、变化趋势等可 判断变压器是否存在内部潜伏性故障及故障的性质【2 】。 2 2 4 变压器故障的衍生效应 变压器产生故障时，油中含有气体除对气相色谱分析有用的几种之外， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 还有原子氧( o ) 、臭氧( 0 3 ) 、一氧化氮( n 0 ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 等，这些气体与 油中水分起化学作用后，会产生硝酸和亚硝酸，它们对绝缘材料起到强烈的 腐蚀作用，并与裸铜起化学反应后产生铜绿和硝酸铜粉末，使铜导体腐蚀， 所以变压器故障后，必须对油进行净化和脱气处理。 2 3 变压器故障与油中气体的关系 由上一节内容分析可知，正常情况下充油电气设备内的绝缘油及有机绝 缘材料，在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类及 一氧化碳、二氧化碳等气体，这些气体大都溶解在油中，当存在潜伏性故障 和过热性故障时，就会加快这些气体的产生速度，随着故障发展，分解出的 气体形成气泡在油中经对流、扩散、不断地溶解在油中，大量的研究结果表 明，变压器油中溶解气体的组成和含量与故障类型和故障严重程度有密切关 系 2 1 ，并且与绝缘油的种类和牌号没有关系。由于对判断充油变压器内部故 障有价值的气体是氢气( h 2 ) ，甲烷( c 1 4 ) ，乙烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 i - h ) 、 乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) ，则称这些气体为特征气 体，把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和称为烃类气体含量的总和或总烃。 表2 1 示出了不同故障类型时产生的气体组。因此，分析溶解于油中的气体， 就能尽早发现设备的潜伏性故障并随时掌握故障的发展情况。 表2 - 1 不同故障类型所产生的气体 故障类型 主要的气体成分次要的气体成分 油过熟 c l - h ，c 2 h 2 h 2 ，c 2 h 6 油和纸过热 c l - h ，c 2 i - h ，c o ，c 0 2h 2 ，c 2 h 6 油绝缘中局部放电 h 2 ，c l - h ，c oc 2 h 2 ，c 2 h 6 ，c 0 2 油中火花放电 h 2 ，c 2 h 2 油中电孤 h 2 ，c 2 h 2 c h 4 ，c 2 1 - 1 4 ，c 2 h 6 油和纸中电弧 h 2 ，c 2 h 2 ，c o ，c 0 2 c h 4 ，c 2 i - h ，c 2 h 6 受潮或油中有气泡 h 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章变压器故障诊断方法与理论 3 1 油中溶解气体分析法 3 1 1 以特征气体组分含量为特征量的分析法 变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热 分解本质。气体组分特征随故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同 而不同，特征气体分析法【2 】对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便， 缺点是没有明确的量的概念。 表3 1 判断变压器故降性质的特征气体含量分析法 故障性质特征气体的特点 一般过熟性故障总烃较高，c 2 h 2 51 tl l ，但c z t i 2 未构成总烃的主要成分， h 2 含量较高 局部放电总烃不高，l j 2 1 0 0 ul l ，c l h 是总烃中的主要成分 火花放电总烃不高，c d - h 1 0g tl l ，h ：较高 电弧放电总烃高，c z i z 高并构成总烃中的主要成分，i 2 舍量高 从表3 1 中可知：每种故障产生的特征气体都有c 2 h 2 ，但热故障和电故 障产生的特征气体中c 2 h 2 的含量差异很大；低能量的局部放电并不产生 c 2 h 2 ，或仅仅产生少量的c 2 h 2 。因此，c 2 h 2 既是故障点周围绝缘油分解的 特征气体，而c 2 h 2 的含量又是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。由 于大部分过热故障，特别是出现高温特点时，也会产生少量的c 2 h 2 ，因此不 能认为凡有c 2 h 2 出现的故障，都视为放电性故障。例如1 0 0 0 以上时会有 较多的c 2 h 2 出现。h 2 是油中发生放电分解的特征气体，但是h 2 的产生又不 完全由放电引起。当h 2 含量增大，而其他组分不增加时，有可能是由于变压 器进水或有气泡引起水和铁的化学反应，或在高电场强度作用下，水或气体 分子的分解或电晕作用所致；如果伴随着h 2 含量超标，c o 、c 0 2 含量较大， 即是固体绝缘受潮后加速老化的结果。c o 、c 0 2 是油纸绝缘系统中固体材料 分解的特征气体。因此，可归纳出特征气体主要成分与变压器异常情况的关 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 系，如表3 - 2 所示。 表3 - 2 特征气体主要成分与变压器异常的关系 主要成分 异常情况 具体情况 h 2 主导型局部放电、电弧放电 绕组层间短路，绕组击穿；分接开关 触点间局部放电，电弧放电短路 c 乩、c z h 。主导型过热、接触不良 分接开关接触不良，连接部位松动， 绝缘不良 c z h 2 主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络 3 1 2 以总烃及c o 、c 0 2 为特征量的分析法 通过大量故障变压器色谱分析数据与故障类别统计分析，总烃与故障类 型总有一定关联性，绝缘材料的老化程度与产气速率也有很大的关系；变压 器内绝缘纸等固体材料在运行中承受多种因素作用，将逐渐老化而分解产生 的主要气体是c o 和c 0 2 。因此可以把总烃和c o 、c 0 2 作为特征气体来诊断 运行中的变压器故障。 1 、根据总烃含量及产气速率诊断 可利用如下经验进行诊断： ( 1 ) 总烃的绝对值小于注意值；总烃产气速率小于注意值。可诊断为 变压器运行正常。 ( 2 ) 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。可诊断为变压器有故障，但发展缓慢，还可继续运行并注 意观察。 ( 3 ) 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l 2 倍。可诊断为变压器有故障，应缩短分析周期，密切注 意故障发展趋势。 ( 4 ) 总烃大于注意值的3 倍；总烃产气速率大于注意值的3 倍。可诊 断为变压器有严重故障，发展迅速，应立即采取必要措施，有条 7 件时可进行掉罩检修。 对放电性为主的变压器故障，一旦确诊，应立即停运检修，不要求进行 产气速率的追踪，追踪产气速率只能用于过热性为主的变压器故障。 2 、根据总烃变化趋势诊断 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 对大量过热性故障变压器的色谱实验分析结果表明，变压器内部存在潜 伏性故障时，总烃在随时间的变化曲线上主要有两种表现形式：一种是总烃 与时间大致成正比的关系；另一种是总烃随时间没有明显的递增关系，而是 出现时增时减的现象。对于第一种曲线，过热常常会低温逐步发展成为高温， 甚至有的迅速发展为电弧放电而造成变压器损坏事故，因此，对这种故障应 及时采取措施。对于第二种曲线，可继续运行，但应注意追踪监督。 3 、以c o 、c 0 2 为特征量诊断故障 当变压器发生低温过热性故障时，因温度不高，往往油的分解不剧烈， 烃类气体含量并不高，而c o 、c o ：含量变化却较大。因此，可以用c o 、c o ： 的产气速率和绝对值来诊断变压器固体绝缘老化状况。 3 1 3 以特征气体组分比值诊断故障的方法 特征气体组分含量只反映了故障点引起变压器油、纸绝缘的热分解本 质，但并没有反映出气体组分的相对浓度与温度间存在着相互的依赖关系。 以气体组分含量诊断故障的方法并不能确定故障的性质和状态。但是，只有 根据气体组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断变压器可能存 在时，比值诊断才有意义。， 1 、三比值法 采用特征气体含量结合可然性气体含量法，虽然可做出对故障性质的判 断，但还必须找出故障产气组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的依 赖关系及其变化规律。为此，在用特征气体法进行充油变压器设备故障诊断 过程中，经不断总结，国际电工委员会( i e c ) 相继推出了三比值法及改良 三比值法。我国现行的d l f r 7 2 2 2 0 0 0 导则推荐的也是改良三比值法。 表3 - 3 编码规则， 气体比值范围 比值范围的编码 c 2 h 2 c 2 h 4c h l h 2 c 2 h , u c 2 h 6 0 101 o o 】 l10 0 1 3 1 2 1 322 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5 种特征气体中选用两种溶解 度和扩散系数相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示。根据表3 - 3 的编码规则和表3 - 4 的故障类型判断法作为诊断性质的依据。这种方法消除 了油体积效应的影响，是判断充油变压器故障类型的主要方法。并可以得出 对故障状态较可靠的判断。 表3 4 故障类型判断方法 编码组合故障类型判断 故障实例 c 2 h 2 c 2 h 4c h d g r t 2c 2 h 4 c 2 h 6 ol低温过热( 低于1 5 0 )绝缘导线过热，注意c o 和 c 0 2 的含量以及c 0 2 c o 值 2o 低温过热( 1 5 0 3 0 0 )分接开关接触不良，引线夹 21 中温过热( 3 0 0 7 0 0 )件螺丝松动或接头焊接不 0 0 ，1 ，2 2良，涡流引起铜过热，铁芯 高温过热( 高于7 0 0 )漏磁，局部短路，层问绝缘 不良，铁芯多点触地等 lo 局部放电 高湿度、高含气量引起油中 低能量密集的局部放电 0 ，1o ，1 ，2低能放电引线对电位未固定的部件 之间连续火花放电，分接抽 2 ， 头引线和油隙闪络，不同电 2 o l ，2低能放电兼过热 位之间的油中火花放电或 悬浮电位之间的电花放电 0 ，l0 ，1 , 2电弧放电线圈匝间、层间短路，相间 l 闪络，分接头引线油隙闪 络、引起对箱壳放电、线圈 熔断、分接开关飞弧、因环 2 0 ，1 ，2电弧放电兼过热 路电流引起电弧、引线对其 它接地体放电等 三比值法在变压器故障诊断中发挥了重要作用。但是，诊断的经验表明， 该方法在应用中存在以下几个问题： ( 1 ) 只有根据各组分含量的注意值和产气速率的注意值有理由判断可能 存在的故障时，才能进一步用三比值法判断故障性质，换言之，当油中特征 气体含量或产气速率未达到注意值时，不宜应用三比值法进行判断； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 2 ) 在实际诊断过程中，有时会出现“无编码”的情况，即根据编码规 则和分类方法得到的编码超出了已知的编码列表，因而无法确定故障性质； ( 3 ) 当多种故障同时发生时，三比值法难以区分。这些问题可通过下面 的“无编码比值法”引入模糊理论解决。 2 、无编码比值法 用无编码比值法1 2 j 分析和判断变压器故障性质，首先是计算乙炔比乙烯 的值。当其值小于o 1 时为过热性故障，再计算乙烯比乙烷的值，确定其过 热温度。当乙烯比乙烷的值小于1 时，为低温过热( ，j 、于3 0 0 c ) ：当乙烯比乙 烷的值大于1 小于3 时为中温过热( 3 0 0 7 0 0 c ) ；当乙烯比乙烷的值大于3 时为高温过热( 大于7 0 0 ) 。当乙炔比乙烯的值大于0 1 时，为放电性故障。 由此计算甲烷比氢气的值，确定是纯放电还是放电兼过热故障。当甲烷比氢 气的值大于l 时，为放电兼过热故障，反之为纯放电故障。具体分析判断方 法见表3 5 。 表3 5 用无编码比值法判断故障性质 故障性质 c 2 h 2 c 2 h 4c 2 h 4 c ：2 h 6c h d l - 1 2 典型例子 低温过热 o 1 1 无关引线外包绝缘脆化，绕组油 3 0 0 道堵塞，铁芯局部短路 中温过热 o 1l 比值 7 0 0 高能量放电0 1 比值 3 无关 1 绕组匝间、饼间短路，引线 对地放电，分接开关拨叉处 高能量放电兼 0 1 3 无关 3 无关 1 多点接触，选择开关调节不 过热 到位 该方法还可以画成故障分区图进行判断，见图3 1 。当我们求出两对比 值后，即可在故障图中查到故障性质。该图具有直观、明了，简单、准确等 优点。对于过热故障，还可以看到它的温度变化情况，这一特点对于用色谱 跟踪的变压器意义更大。在使用该图时，先是计算乙炔比乙烯的值，当其值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 小于o 1 时为过热性故障；再计算乙烯比乙烷的值，以左纵坐标为准，查出 过热温度。当乙炔比乙烯的值大于o 1 时，为放电性故障，再计算甲烷比氢 气的值，以右纵坐标为准，查出该值所对应的故障。 3 毛 望 f 1 u o 高温过热高能量放电兼低能量放电兼 过热 过热 中温过热 高能量放电低能量放电 低温过热 1 毛 舌 0 ”c 2 h 2 c 2 i - h 。 图3 1 变压器故障分区图 与三比值法相比，无编码法具有以下一些特点： ( 1 ) 可诊断放电兼过热故障； ( 2 ) 提高过热故障诊断的准确率 按三比值法，“0 0 0 ”组合编码