【论文】干式变压器运行状态在线检测与故障诊断.pdf

干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 i 摘 要 本文介绍了干式变压器运行状态的在线检测方法以及故障诊断的一些方法 干式变压器由于具有难燃 安全 维护方便 体积小等特点 已在城市的高层 建筑和电站等场所得到广泛的应用 随着城市建设规模的扩大 要保证城市电力送 的进 供得出 用得上 110kv 级终端将成为城市电力的重点 对于为此所要用的 干式变压器来说 其安全运行和使用寿命 很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安 全可靠 而绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏 是导致变压器不能正常工作的 主要原因之一 此外还有过压 欠压 过载等因素 因此 对变压器的运行温度及 运行时电压 电流的监测及报警控制是十分重要的 干式变压器的故障诊断是根据其运行状态信息查找故障源 它能实现设备在带 负载 不停机的情况下 通过使用先进的技术手段 对设备状态参数进行检测和分 析 判断设备是否存在异常或故障 故障的部位和原因以及故障的劣化趋势等 以 确定合理的检修时间和方案 分析的基础是电工基本理论 是对电气设备的构造 原理 性能的充分理解 是与故障实际的结合 在线检测可以捕捉到非瞬间故障的 先兆信息 它的最突出特点是可以在运行中实时检测 这是在线检测最大的技术优 势 尽管根据在线检测捕捉到的动态信息对变压器内部的突发性故障进行预测存在 很大的局限性 但它却是现代化状态维护的必须手段 本人在研究中运用了试验与 工程计算的方法 以此来诊断变压器的故障以及在线进行检测 并且 在实验后能 够得到正确的结论 且与以往的结论相一致 关键词关键词 干式变压器 在线检测 故障诊断 运行状态 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 ii abstract the paper introduces the running state of dry type transformer on line detection methods and some methods of fault diagnosis dry type transformer is difficult due to burn safe convenient maintenance small volume etc in the city has been high rise buildings and station etc widely applied with the expansion of the scale of urban construction to guarantee the power of urban and that say for the level of 110kv power will be the city terminal point for this to use dry type transformer the safety operation and service life to a large extent depends on the winding insulation of safe and reliable and winding insulation resistance temperature temperature exceeds insulation is destroyed transformer can not work normally one of the main reasons in addition over voltage overload and other factors therefore the operating temperature of transformer and runtime of current and voltage monitoring and alarming control is very important dry type transformer fault diagnosis is according to the operation state information source it can find fault with load realize equipment in the circumstances does not stop through the use of advanced technology equipment state parameters of testing and analysis judgement equipment malfunction or whether there exists abnormal failure parts and reasons of the failure and degradation trend etc in order to determine reasonable access time and plan the analysis is based on the basic theory electrician of electrical equipment structure principle function and failure to fully understand the practical on line detection can catch the instantaneous breakdown of information it is the most prominent characteristic in operation of real time detection this is the biggest advantage of on line detection technology although according to capture of on line detection of dynamic information of transformer fault prediction of sudden inside a lot of limitation but it is a modern state maintenance must means i use in the study of the test method in order to diagnose transformer faults and online testing in the experiment and can get the correct conclusions after the conclusion and consistent keywords dry type transformer on line detection and diagnosis running state 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 iii 目 录 第一章 绪 论 1 1 第二章 干式变压器介绍 3 3 2 1 干式变压器 3 2 2 干式变压器结构特点 3 2 3 干式变压器形式 3 2 4 干式变压器类型 3 第三章 干式变压器在线检测 1313 3 1 干式变压器在线检测的意义 13 3 2 干式变压器在线检测的条件和特点 14 3 3 在线检测的对象和经济效益 15 3 4 干式变压器在线检测的方法和装置 15 第四章 干式变压器故障诊断 3434 4 1 设备故障率 34 4 2 设备服役期各时段的检查维修 35 4 3 电气故障的分类及其特点 36 4 4 设备故障检测与诊断方法 36 第五章 结 论 4141 参考文献 42 致 谢 43 声 明 43 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 1 第一章 绪 论 我国新建设的地铁供电系统绝大多数采用集中供电方式 地铁拥有自己的主变 电所 由主变电所向牵引变电所 降压变电所和牵引降压混合变电所供电 形成完 整可靠的供电系统 以确保地铁系统的安全运行 地铁主变电所的主变压器 110kv 或 220kv 因为容量大 电压等级高 一般采用油浸有载调压变压器 随 着地铁设备的快速国产化 在妥善解决有载分接开关的前提下 在广州地铁 2 线 和深圳地铁 1 线均采用国内厂家的变压器 降压变电所中负责向 220 380kv 低压 系统供电的动力变压器 由于处于城市区域的地下或深人城市公共环境中 考虑防 潮 消防和环保等各方面的要求 不能采用传统的油变压器 因此全部采用干式变 压器 牵引变电所中负责向电动车组提供 750v 或 1500v 直流供电的牵引变压器 与动力变压器一样也采用干式变压器原理构成 因为肩负降压和整流的双重作用 是地铁供电系统中的特种变压器 干式变压器由于具有难燃 安全 维护方便 体积小等特点 已在城市的高层 建筑和电站等场所得到广泛的应用 随着城市建设规模的扩大 要保证城市电力送 的进 供得出 用得上 110kv 级终端将成为城市电力的重点 对于为此所要用的 干式变压器来说 其安全运行和使用寿命 很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安 全可靠 而绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏 是导致变压器不能正常工作的 主要原因之一 此外还有过压 欠压 过载等因素 因此 对变压器的运行温度及 运行时电压 电流的监测及报警控制是十分重要的 电力变压器是输电和配电网络中最重要的设备 电力变压器的工作效率代表电 力部门的财政收益 传统检测变压器状态信息的方法是外观检查 理化 高压电气 试验和继电保护 这些传统方法属于常规的试验和检测 仅仅能够提供变压器故障 和事故后的滞后信息 即在事故过后才能获得状态信息 与现代化状态维护发展趋 势不相适应 虽然检测方法种类很多 却不能满足对变压器进行实时状态检测的需 要 继电保护装置的作用也是如此 随着变压器现代维护技术的发展 产生了状态检测 它打破了以往收集变压器 信息的局限性 目前电力系统通过采用对变压器的在线检测 可以即时连续记录各 种影响变压器寿命的相关数据 对这些电气的自动化处理可及早发现故障隐患 实 现基本的状态维护 现代科技进步使微电子技术 传感技术和计算机技术广泛应用 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 2 于电力系统高压设备的状态检测成为现实 国内外应用的各种在线检测装置和方法 相继投入到电网和变电站 从而积累了许多在线检测的经验 促使在线检测技术上 不断完善和成熟 变压器在线检测技术的优越之处是以微处理技术为核心 具有标准程序软件 可将传感器 数据收集硬件 通信系统和分析功能组装成一体 弥补了室内常规检 测方法和装置的不足 变压器综合在线检测技术通过及时捕捉早期故障的先兆信 息 不仅防止了故障向严重程度的发展 还能够将故障造成的严重后果降到最低限 度 变压器在线检测服务器与电力部门连接 使各连接部门都可随时获取变压器状 态信息 这种方式不仅降低了变压器维护成本 还降低了意外停电率 连接到监测 服务器的用户数量不限 通过防火墙可进入成套变电站 因此 变压器在线检测提 高了运行可靠性 减少了维护费用的投入 延长了检修周期和变压器寿命 本文通过几种实验方法对干式变压器运行时的状态进行了检测与故障诊断 以 保障变压器在工作中的安全与高效运行 干式变压器的故障诊断是根据其运行状态 信息查找故障源 它能实现设备在带负载 不停机的情况下 通过使用先进的技术 手段 对设备状态参数进行检测和分析 判断设备是否存在异常或故障 故障的部 位和原因以及故障的劣化趋势等 以确定合理的检修时间和方案 分析的基础是电 工基本理论 是对电气设备的构造 原理 性能的充分理解 是与故障实际的结合 在线检测可以捕捉到非瞬间故障的先兆信息 它的最突出特点是可以在运行中实时 检测 这是在线检测最大的技术优势 尽管根据在线检测捕捉到的动态信息对变压 器内部的突发性故障进行预测存在很大的局限性 但它却是现代化状态维护的必须 手段 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 3 第二章 干式变压器介绍 2 1 干式变压器 依靠空气对流进行冷却 一般用于局部照明 电子线路等小容量变压器 在电 力系统中 一般汽机变 锅炉变 除灰变 除尘变 脱硫变等都是干式变压器 变 比为6000v 400v 用于带额定电压380v的负载 简单的说干式变压器就是指铁芯 和绕组不浸渍在绝缘油中的变压器 2 2 干式变压器结构特点 铁芯 采用优质冷轧晶粒取向硅钢片 铁芯硅钢片采用45度全斜接缝 使磁通 沿着硅钢片接缝方向通过 绕组 有以下几种 1 缠绕式 2 环氧树脂加石英砂填充浇注 3 玻璃纤维增强 环氧树脂浇注 即薄绝缘结构 4 多股玻璃丝浸渍环氧树脂缠绕式 一般多采用第3 种形式 因为它能有效的防止浇注的树脂开裂 提高了设备的可靠性 高压绕组 一般采用多层圆筒式或多层分段式结构 低压绕组 一般采用层式或箔式结构 2 3 干式变压器形式 开启式 是一种常用的形式 其器身与大气直接接触 适应于比较干燥而洁净 的室内 环境温度20度时 相对湿度不应超过85 一般有空气自冷和风冷两种冷 却方式 封闭式 器身处在封闭的外壳内 与大气不直接接触 由于密封 散热条件 差 主要用于矿用它属于是防爆型的 浇注式 用环氧树脂或其它树脂浇注作为主绝缘 它结构简单 体积小 适用 于较小容量的变压器 2 4 干式变压器的类型 2 4 1 按不同要求干式变压器的分类 干式变压器分类有很多种方法 如按型号分 有sc 环氧树脂浇注包封式 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 4 scr 非环氧树脂浇注固体绝缘包封式 sg 敞开式 也可按绝缘等级分 有b 级 f级 h级和c级 国外有些国家在h和c级之间还有一个n级 它们的温度限制见表2 1 表2 1 各绝缘耐热等级的温度限制值 绝缘的温 度等级 a 级 e 级 b 级 f 级 h 级 n 级 c 级 最高允许 温度 105 120 130 155 180 200 220 绕组温升 限值 k 60 75 80 100 125 135 150 性能参考 温度 80 95 100 120 145 155 170 2 4 2 按变压器所选用的绝缘材料分类 分类见表 2 2 表 2 2 干式变压器分类 环氧树脂 nomex 真空浇注工艺 薄绝缘 分类 sf6 气体 厚绝缘 有填料 无填料 有填料 缠绕工 艺 敞开式 ovdt 浸渍工艺 包封式 vdt 涂层工艺 其他类 对于干式变压器来说 研究的角度不同分类方式也不同 如果从构造的角度进 行分类 一般可按绕组是否包封 外壳是否封闭和绝缘材料的温度等级a b f h c级进行分类 如果从变压器的整体技术来进行分类 一般可按浸渍式干式变压器 环氧树脂 浇注式干式变压器 缠绕式干式变压器进行分类 在环氧树脂干式变压器中又可分 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 5 为树脂浇注干式变压器和缠绕式树脂干式变压器 地铁供电系统一般采用环氧树脂 浇注式干式变压器作为动力变压器 树脂浇注式分为厚层有填料环氧树脂浇注和薄层无填料树脂浇注两种 一种是 带填料的厚绝缘包封绕组带填料结构的变压器是60年代中期问世的产品 低压绕组 为铝箔绕制的f级圆筒式结构 高压是由铝导线绕制的 采用以石英粉为填料的环 氧浇注绕组 其耐热等级为b级 环氧浇注树脂层厚一般在6 12mm 这种绕组的 特点是 包封层防潮 阻燃 自熄性好 机械强度高 由于它的绝缘性能好 无燃 烧危险 可深入负荷中心 在国内发展很快 但如何防止包封层开裂是当时国内外 的一个重大课题 因为铜的热膨胀系数与石英粉填料的热膨胀系数差异较大 这种 结构给铜绕组的发展带来较大阻碍 另一种是薄层树脂浇注绕组 其高压绕组采用玻璃纤维加强薄绝缘结构 彻底 解决了树脂层开裂的问题 美国和欧洲各国先后推出了这一结构 它采用玻璃纤维 加强薄层树脂浇注绕组 绕组用铜材料绕制 包封层厚度仅为1 2mm 这种绕组 又分为带填料和不带填料的两种结构 具有以下特点 难燃性 由于这种结构采用玻璃纤维加强 玻璃纤维占填充物的80 以上 具 有良好的阻燃性 其中带填料的结构比不带填料的难燃性更好 不开裂 局部放电小 由于铜与玻璃纤维加强的树脂层的热膨胀系数相差不大 玻璃纤维包封层的机械强度大 决定了其具有不开裂的良好特性 另外 这种结构 采用高真空下浇注 因此局部放电小 散热性能好 由于绕组绝缘采用薄绝缘 导线用铜材 耐热等级从b级提高到 f级 又提高了热传导性能 从根本上解决了干式变压器的散热性能 同时 过负 载能力也得到加强 还可在绕组内设置轴向冷却气道 给发展大型的干式变压器提 供了有利条件 2 4 3 环氧树脂干式变压器的介绍 环氧树脂浇注的干式变压器机械强度高 耐受短路能力强 防潮及耐腐蚀性能 特别好 且局部放电小 运行寿命长损耗低 过负荷能力强 企业设计制造经验丰 富 产品具备高安全可靠性及良好的环保特性 尤其是运行业绩非常好 根据变压 器行业统计 此树脂真空浇注干变 crdt 在我国市场占有率高达90 以上 h级绝缘与f级绝缘的环氧树脂浇注干式变压器 在外形 基本结构方面极为 相近 不同之处主要是采用h级绝缘环氧树脂 导线匝绝缘要用nomex纸包烧 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 6 部分线圈绝缘件要用nomex纸板制造 采用h级绝缘但要按f级进行温升考核 变 压器不但具有环氧树脂浇注式结构的优点 抗短路能力强 免维护 难燃阻燃等 而且具有更高的超铭牌运动能力 相对于其他类型h级绝缘的干式变压器 环氧树 脂浇注式技术更为成熟 可靠 表2 3 环氧树脂干式变压器技术参数 容量 空 载 损 耗 w 负 载 损 耗 w 120 阻 抗 电 压 空 载 电 流 总重 kg 噪音 db 30 200 750 4 0 2 2 320 40 50 300 1050 4 0 2 0 500 40 80 380 1460 4 0 1 8 580 40 100 430 1670 4 0 1 8 660 42 125 520 1950 4 0 1 6 800 42 160 600 2250 4 0 1 4 980 42 200 700 2680 4 0 1 4 1100 44 250 800 2920 4 0 1 4 1280 44 315 940 3670 4 0 1 2 1510 46 400 960 4220 4 0 1 2 1850 46 500 1150 5170 4 0 1 2 2080 46 630 1320 6220 4 0 1 0 2260 48 630 1280 6310 4 0 1 0 2360 48 800 1500 7360 6 0 1 0 2770 50 1000 1760 8600 6 0 0 8 3300 52 1250 2060 10260 6 0 0 8 3890 54 1600 2400 12420 6 0 0 8 4800 54 1600 2400 12420 6 0 0 8 4800 54 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 7 环氧树脂真空浇注变压器 1 早在 70 年代上海和北京变压器厂相继开发出厚绝缘带石英粉填料的在真 空状态浇注的环氧树脂包封干式变压器 从此干式变压器在我国正式成为批量供应 的新一代产品 尽管由于当时它在材料上 制造工艺上存在一些问题而被后来的纯 环氧树脂的薄绝缘技术所替代 但它毕竟为干式变压器开创了一个好的开端 2 由于厚绝缘 6mm 难于解决开裂问题 正在人们对环氧树脂干式变压器 技术产生怀疑时 顺德变压器厂成功地从德国引进不带石英填料的纯环氧树脂薄绝 缘 1 3mm 技术 它的出现 使我国的干式变压器的技术得到迅速发展 3 本世纪初上海 ge 公司采用美国技术研究开发出 h 级绝缘的带填料的薄绝 缘环氧树脂真空浇注干式变压器 变压器的内部的部分绝缘材料采用 nomex 绝缘 纸 他成功的解决了变压器内部各种绝缘构件之间的绝缘配合 工艺配方和浇注均 匀等技术难题 它的出现把环氧树脂包封的干式变压器绝缘耐热等级从 b 级 f 级 提高到 h 级 但是要提高到 c 级 目前的技术是不可能的 4 浇注干式变压器的环氧树脂可以用电子灌封胶 环氧树脂胶粘剂种类很 多 但是各种胶粘剂都有抗温黏着力等所适应环境的技术数据及配比 环氧树脂本 身是一种在分子中含有两个 或以上 活性环氧基的低分子质量化合物 分子质量在 300 2000之间 具有热塑性 在常温和一般加热条件下 不会固化 因而也不具 备良好的机械强度 电气绝缘 耐化学腐蚀等性能 无法直接应用 因此 必须加 入固化剂 组成配方树脂 并且在一定条件下进行固化反应 生成立体网状结构的 产物 才会显现出各种优良的性能 成为具有真正使用价值的环氧材料 所以说 固化剂在环氧树脂的应用上具有不可缺少的 甚至在某种程度上起着决定性的作 用 我们讨论固化剂 实际上也就是讨论环氧树脂的应用问题 当然 在环氧树脂 中仅仅加入固化剂 还不能完全满足实际应用的要求 还必须加入稀释剂 填料 增韧剂 着色剂 阻燃剂 以及各种特殊要求的助剂如防沉剂等 各种不同种类牌 号的固化剂 稀释剂 增韧剂等以及各种助剂 按实际使用要求 进行有目的的选 择组合 就会出现千变万化的配方 运用这些配合技术可以解决众多领域的技术课 题 形成各种各样的材料 如层压材料 涂料 胶粘剂 浇铸料 灌封料 浸渍 料 塑封料 包封料 耐磨材料 密封材料等等 采用nomex 纸作绝缘的securamid干式变压器 近年来 干式变压器中又有一种采用nomex纸作绝缘的securamid干式变压器 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 8 从绕组的结构材料来分 有箔绕方式和线绕方式 而箔绕方式又分为高低压线圈都 采用箔绕方式或高压线圈采用线绕而低压线圈采用箔绕方式 下面简单介绍一下采用nomex纸作绝缘的securamid干式变压器 首先 我们要 了解nomex纸的性能 这样就可以清楚地知道这种变压器的特点 1 nomex绝缘纸是由一种芳香聚酰胺聚合物的纤维组成 图 2 1 nomex 简化的分子结构 这种纤维织成布就是一种耐酸 耐碱 防火的消防服或宇航服的材料 我们从 它的分子结构中可以看到 它没有弱的 c h 键 即使在外部高温作用下也破坏不 了它的分子结构 只能使分子之间的键断裂 因此它的化学性能特别稳定 它不会 受到昆虫 真菌和霉菌的侵害 并且与油 浸渍漆 氟碳化合物等有很好的相容性 2 nomex 绝缘纸的电气性能非常突出 可以归纳为下面几点 在 250 的高温下仍具有很高的表面电阻率 10 13 cm 和体积电阻率 10 11 cm 在很宽的频率范围内 在 200 及以下温度时 介质损耗始终在 0 01 它的相对介电常数只有 1 5 2 5 比很多常用的绝缘材料都低 它的工频击穿电压达 35kv mm 并且沿面放电起始电压很高 3 nomex 绝缘纸有良好的机械性能 经过高温高压处理过的 nomex 绝缘纸的延伸率几乎稳定不变 它有很高的抗撕 裂强度 有很好的耐磨性和韧性 它不但有良好的高温机械性能 而且还有良好的 低温机械性能 4 nomex 绝缘纸的耐温等级最高 为 c 级 长期可稳定的在 220 温度下安全工 作 在 350 时可以承受短时运行 在 250 时不会软化 熔融和助燃 即使在 750 时不会释放出有毒或腐蚀性的气体 在很低的温度下也不会脆化 因此它在很广的 温度范围内保持性能稳定 在美国它被广泛的用在 c 级绝缘的产品上 5 它有优良的防潮性能 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 9 在相对湿度为 95 的状态下 致密的 nomex 绝缘纸仍可保持 90 的完全干燥时 的介电强度 水分很难渗透经高温高压处理的表面 6 nomex 绝缘纸最突出的性能就是它的阻燃性特别好 经试验证明 它在 250 时的限氧指数 loi 仍然大于 20 8 因此它不会助燃 能阻燃 限氧指数 loi 如图 2 2 0 13 nomex 纸 环氧树脂 6mm 填料 0 13 聚酯薄膜 图 2 2 三种不同的绝缘材料限氧指数与温度的关系 7 nomex 绝缘纸的安全性好 杜邦是世界上历史悠久的化工公司 他有强烈的安 全和环保意识 他的产品 nomex 绝缘纸也就是这样一种产品 它在被燃烧时都不 会释放出有害物质 关于这一点 从云南变压器厂生产的干式变压器在意大利 cesi 独立实验室的 f1 耐火能力试验中就可以得到验证 8 从 nomex 绝缘纸的老化试验中可以看到 在 250 的高温 10 万小时作用下 它的介电强度 抗拉强度以及延伸率仍然保持了很好的状态 得到了美国 ul 的认 证 2 4 4 环氧树脂变压器的技术参数 变压器在规定的使用环境和运行条件下 主要技术数据一般都标注在变压器的 铭牌上 主要包括 额定容量 额定电压及其分接 额定频率 绕组联结组标号以 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 10 及额定性能数据 阻抗电压 空载电流 空载损耗和负载损耗 和总重 参数量如下 a 额定容量 kva 额定电压 额定电流下连续运行时 能输送的容量 b 额定电压 kv 变压器长时间运行时所能承受的工作电压 为适应电网电压 变化的需要 变压器高压侧都有分接抽头 通过调整高压绕组匝数来调节低压侧输 出电压 c 额定电流 a 变压器在额定容量下 允许长期通过的电流 d 空载损耗 kw 当以额定频率的额定电压施加在一个绕组的端子上 其余绕 组开路时所吸取的有功功率 与铁心硅钢片性能及制造工艺 和施加的电压有关 e 空载电流 当变压器在额定电压下二次侧空载时 一次绕组中通过的电流 一般以额定电流的百分数表示 f 负载损耗 kw 把变压器的二次绕组短路 在一次绕组额定分接位置上通入 额定电流 此时变压器所消耗的功率 g 阻抗电压 把变压器的二次绕组短路 在一次绕组慢慢升高电压 当二次 绕组的短路电流等于额定值时 此时一次侧所施加的电压 一般以额定电压的百分 数表示 h 相数和频率 三相开头以 s 表示 单相开头以 d 表示 中国国家标准频率 f 为 50hz 国外有 60hz 的国家 如美国 i 温升与冷却 变压器绕组与变压器周围环境的温度之差 称为绕组的温升 按标准 gb 6450 1986 干式变压器 的规定 干式变压器的温升如表 2 4 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 11 表 2 4 干式变压器温升值 1 2 3 部位 绝缘系统温度 0c 最高温升 k 105 a 60 120 e 75 130 b 80 155 f 100 180 h 125 绕组 用电阻法测量的温升 220 c 150 金属部件与相邻的材料 任何情况下 不会出现是铁心 本身 其他部件或其相邻材料 收到损害的温度 表 2 5 短路后绕组平均温度最大允许值 绝缘等级 绕组平均温度 铜 薄绝缘 铝 厚绝缘 a 180 180 b 250 300 c 350 200 f 350 h 350 j 绝缘水平 有绝缘等级标准 绝缘水平的表示方法举例如下 高压额定电压为 35kv 级 低压额定电压为 10kv 级的变压器绝缘水平表示为 li200ac85 li75ac35 其中 li200 表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为 200kv 工频耐受电压为 85kv 低压雷电冲击耐受电压为 75kv 工频耐受电压为 35kv 奥克斯高科技有限公司目 前的油浸变压器产品的绝缘水平为 li75ac35 表示变压器高压雷电冲击耐受电压 为 75kv 工频耐受电压为 35kv 因为低压是 400v 可以不考虑 k 联结组标号 根据变压器一 二次绕组的相位关系 把变压器绕组连接成各种 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 12 不同的组合 称为绕组的联结组 为了区别不同的联结组 常采用时钟表示法 即 把高压侧线电压的相量作为时钟的长针 固定在 12 上 低压侧线电压的相量作为 时钟的短针 看短针指在哪一个数字上 就作为该联结组的标号 如 dyn11 表示一 次绕组是 三角形 联结 二次绕组是带有中心点的 星形 联结 组号为 11 点 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 13 第三章 在 线 检 测 3 1 变压器在线检测的意义 电力变压器是输电和配电网络中最重要的设备 电力变压器的工作效率代表电 力部门的财政收益 传统检测变压器状态信息的方法是外观检查 理化 高压电气 试验和继电保护 这些传统方法属于常规的试验和检测 仅仅能够提供变压器故障 和事故后的滞后信息 即在事故过后才能获得状态信息 与现代化状态维护发展趋 势不相适应 虽然检测方法种类很多 却不能满足对变压器进行实时状态检测的需 要 继电保护装置的作用也是如此 随着变压器现代维护技术的发展 产生了状态检测 它打破了以往收集变压器 信息的局限性 目前电力系统通过采用对变压器的在线检测 可以即时连续记录各 种影响变压器寿命的相关数据 对这些电气的自动化处理可及早发生故障隐患 实 现基本的状态维护 现代科技进步使微电子技术 传感技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压 设备的状态检测成为现实 国内外应用的各种在线检测装置和方法相继投入到电网 和变电站 从而积累了许多在线检测的经验 促使在线检测技术上不断完善和成熟 开拓了高压装置状态维护的新局面 变压器在线检测技术的优越之处是以微处理技术为核心 具有标准程序软件 可将传感器 数据收集硬件 通信系统和分析功能组装成一体 弥补了室内常规检 测方法和装置的不足 变压器综合在线检测技术通过及时捕捉早期故障的先兆信 息 不仅防止了故障向严重程度的发展 还能够将故障造成的严重后果降到最低限 度 变压器在线检测服务器与电力部门连接 使各连接部门都可随时获取变压器状 态信息 这种方式不仅降低了变压器维护成本 还降低了意外停电率 连接到监测 服务器的用户数量不限 通过防火墙可进入成套变电站 因此 变压器在线检测提 高了运行可靠性 减少了维护费用的投入 延长了检修周期和变压器寿命 我国从 20 世纪 70 年代采用带电测试 80 年代开始实现数字化测量 从 90 年 代开始采用多功能微机在线监测 从而实现了变压器绝缘监测的全部自动化 国内 多家电力研究部门和高等院校从 90 年代初将研制的各种在线检测装置陆续投用在 中型发电厂和变电站 对变压器及高压电器设备的在线检测起到一定作用 尽管有 2 3 的在线检测装置存在这样或那样的问题 但通过在线检测 的确积累了许多实 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 14 际经验 图 3 1 是变压器诊断专家系统示意图 图 3 1 变压器异常诊断专家系统 变压器在线检测系统有两种形式 集中式和分散式 集中式可对所有被测设备 定时或巡回自动检测 分散式是利用专门的测试仪器测取信号就地测量 目前检测 集中式在线检测存在一定的不足 例如 测量结果重复性较差 传感器信号失真 检测系统管理和综合判断能力不够等 但主要应属产品结构设计和质量方面的问 题 尽管如此 维护变压器最佳运行和现代化管理的最佳途径仍是综合性变压器在 线检测 3 2 变压器在线检测的条件和特点 变压器在线检测的先决条件是与计算机联网 利用 it 技术通过标准化软件或 浏览器获得变压器状态信息 通过系统分析 计算测到的数据 并结合专家系统做 综合智能诊断 在线检测的技术优越性主要体现在它自身具有自检功能和专家系统 结合后具有综合判断故障的能力 由于在线检测的最终目的是延长高压设备的寿命 提高电力部门的供电质量和 经济效益 所以在线检测装置的造价不能太高 根据国内电力部门的统计分析 如 果将变压器事故率定在 0 5 1 那么 在线检测的费用则不应超过这一范围 变 压器在线检测的主要特点是通过连续检测变压器一段时间参数的变化趋势来判定 设备所在地 研究所 负责维护的变电所 局部放电 超声波 负荷电流 周围温度 ltc 动作次数 ltc 转矩 局部放电 干式变压器 程序控制器 光缆 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 15 变压器运行状况 在线检测可以捕捉到非瞬间故障的先兆信息 它的最突出特点是 可以在运行中实时检测 这是在线检测最大的技术优势 尽管根据在线检测捕捉到 的动态信息对变压器内部的突发性故障进行预测存在很大的局限性 但它却是现代 化状态维护的必须手段 它对于制定 部署下一步的检修计划和方案具有十分重要 的现实指导意义 在线检测所采用的检测仪 如传感器等 可靠性很高 安装在变压器上不需要 人去维护 具有很高的自检功能 一旦监测仪自身存在问题 可自动发出声光报警 因此 排除了常规检测方法中由人为造成的各种误差和不准确性 在线检测的周期 能人为设定 范围可以从几小时至几年 3 3 在线检测的对象和经济效益 变压器在线检测的对象应是有问题或是怀疑有问题的变压器 检测的重点主要 集中在设备的机械特性状态的在线检测 温度状态的在线检测 真空度状态的在线 检测 sf6气体特征状态的在线检测 电寿命状态的在线检测 振动信号的检测与 分析几个方面 在线检测的费用主要取决于安装传感器的数量 在线检测的费用不 应该超出变压器的事故的损失费用 对在线检测的成本效益分析需要很多单独参 数 而这些参数很难获得 如失效概率 如果按照国内有关部门规定的事故率推算 在线检测的成本应当是一台新变压器平均价格的 1 国外经验认为 变电站在线 检测的安装成本与安装的变压器台数成反比 即变电站网络越大 在线检测的成本 则越低 3 4 变压器在线检测的方法和装置 3 4 1 变压器在线监测的原理和程序 虽然变压器在线检测的内容和目标不同 但在线检测的基本原理是相同的 它 通过安装在变压器上的各种高性能传感器 连续的获取变压器的动态信息 在线检 测装置通过智能软件系统和软件规则程序实现自动检测 在线检测的判定系统并非根据所测量的参数绝对值 而是根据测量参数随时间 的变化趋势来进行判定 它的工作程序是通过与计算机联网 在很高的自动化条件 下 收集 存储并现场处理所测到的数据 做出趋势预测 在线检测的基本流程是 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 16 数据收集 数据存储 状态分析 判断故障类型 判定故障位置 提出维护方案 3 4 2 变压器在线检测的范围 目前 国内外变压器在线检测的范围很广 主要包括 1 利用光纤传感器进行热点检测 2 在线检测局部放电 包括电气检测法 声音检测法 超高频检测法 静态 检测法 3 在线检测套管的功率因数和电容 4 在线检测冷却装置的功能 例如 风扇 5 在线检测负载电流 6 在线检测绝缘纸的湿度和迁移情况 7 在线检测结构件的夹紧力 8 在线检测 oltc 有载调压 的性能和缺陷 包括 oltc 声音传播情况 oltc 分接变换过程中的振动 在线检测 oltc 电机驱动性能 9 在线检测铁心接地故障和绕组缺陷 10 在线检测 gis 全封闭组合电器 3 4 3 局部放电的检测 绝缘系统中只有局部区域发生放电而没有贯穿施加电压的导体之间 这种现象 称之为局部放电 局部放通常有以下三种形式 1 内部局部放电 指放电发生在 绝缘体的内部 2 表面放电 指放电发生在表面 3 电晕放电 指放电发生在被气 体包围的导体附近 局部放电量是表征局部放电强度的重要参数之一 要考核放 电的强度 我们可以通过以下的办法 发生局部放电时 在施加电压的两端上会出 现脉动电荷 称为视在放电电荷 将模拟实际放电的瞬变电荷注入试品施加电压的 两端 在此两端出现的脉冲电压与局部放电时所产生的脉冲电压相同 则注入的 电荷量即为视在放电电荷量 单位用 pc 表示 通常把稳定出现的最大的视在放电 电荷量当作局部放电量 常用的局部放电监测与诊断 多采用电脉冲信号法和超声法 对电信号和声信 号联合监测取得理想的定量和定位效果 根据视在放电量 分布图谱和放电源的定 位 来判断故障 环氧树脂绝缘干式变压器及其局部放电 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 17 1 树脂绝缘干式变压器的绕组绝缘方式主要有两种 缠绕式和浇注式 其最 终结果都是将包裹绕组的液态树脂经加热固化成型 图 3 2 3 3 分别是树脂绝缘 干式变压器高压线圈及外形简图 图 3 2 高压线圈 图 3 3 树脂绝缘干式变压器 2 放电形式 内部放电 变压器线圈的导线虽被固化在环氧树脂内 但如果线圈绕组的导线 本身或绕线接驳时产生较大的毛刺 则绕组通电后在尖端部位会引起电场严重畸 变 从而造成尖端放电 以浇注式线圈为例 绕组浇注时 虽然浇注罐已处于真空 分接面板 分接铜座 出线 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 18 状态 但由于线圈制造时有尺寸偏差 引起外模组合的压力较大 会使线圈内的材 料所受的压力不同 绝缘材料的填充不均匀时 都会引起浇注模具内填充物的空间 密度不一致 以致树脂的渗透速度不均匀 树脂是从模具的底部缓慢注入的 同一 高度的部位由于渗透速度不一致 树脂有可能先从容易渗透的地方通过 从上面包 围渗透速度慢的地方 就很容易形成空穴 另外线圈分接面板拐弯处空气不易排出 这些空穴及气泡如线圈浇注后 在真空状态下的静置时间不够 线圈固化后在其内 部便很容易成为气泡 如果气泡在电场强度较高的位置 便容易被击穿而产生放电 现象 其等效电路如图 3 4 放电时的电压时间关系如图 3 5 a 含有一个气泡的是羊 b 等效电路 图 3 4 内部局部放电等效电路图 a b c b a t cc cb ca ra rb ra 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 19 图 3 5 局部放电过程示意图 表面放电 线圈表面如果有灰尘 金属碎屑 潮湿 都会引起悬浮电位过高 而放电 另外压紧线圈的垫块也同样承受一定的电压 其绝缘强度不够或表面脏污 都会引起放电 电晕放电 多发生在绕组的外部联结线上 如绝缘子上的螺杆电缆线 紫铜 管等 环氧树脂干式变压器局部放电量的测量 1 测量系统 根据国家标准 要求 被试变压器在预加 1 5 倍系统电压 30s 以诱发局部放 电后不断电 降至 1 1 倍系统电压下测量局部放电量 三相变压器要测量一次绕组 的各线圈的首末端局部放电量 要达到 1 5 倍系统电压 由感应电势公式 u 4 44f mw 可知 要主磁通提高 1 5 倍已严重过励磁 而匝数在成品线圈中是不能改变 的 所以只能通过改变励磁的频率来达到 如果用三倍频变压器产生 l50hz 单相电 压的方式对试验品进行单相励磁 如图 3 6 0 a 之间加压 此种方式可能测量 出变压器线圈匝间或段间的内部局部放电量 但测量结果与实际值存在一定的偏 差 因为单相励磁时虽然保证了被测线圈的电压 被测线圈的纵向电场强度基本上 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 20 与三相励磁时相同 但其余两相却只有被试相电压的 1 2 图 9b 且相位相同 相间电位差与变压器实际运行时相差较大 图 3 6 试验 单相 接线图 三相励磁 a b c 同时加压 的方式与变压器运行时的电场分布相同 国家标 准也要求以三相同时励磁的方式进行测量 而三相同时励磁一般通过中频发电机组 实现 国内的中频机组可以产生 100 800hz 的交流电 产生的方式是通过用可控 硅旋转整流来实现 由于局部放电量是以 pc 为单位 而可控硅产生的电磁干扰可 以达到几百甚至过千个 pc 目前我国没有专供局部放电测试用的变频设备 如果 不对整流后的励磁电源及机组发出的高频信号加以滤除 测量是无法进行的 这是 部分厂家不采用中频机组的原因 其次 空间的干扰对测量的影响也较大 空间干扰主要来源于附近用电设 备的开关分合及空间无线电波 在电磁屏蔽室内进行试验 可以将干扰衰减 80db 按以上方法组建测量系统 可以使产品在屏蔽室内测量时背景干扰保持在 0 1pc 以 下 国家对包封线圈的局部放电量要求合格品 30pc 优等品 5pc 可以说试验 是在无干扰的情况下进行的 2 局部放电的判别及处理 确定局部放电点的较理想的方法是采用超声定位技术 但仍不十分成熟 一般 的干式变压器生产厂家仍没采用 对于树脂干式变压器 由于线圈是不可维修的 放电点的确定在产品开发阶段有一定的意义 对常规产品只要能判别出放电类型 根据放电的大概位置加以排除就可以了 根据放电图形判别放电形式 参见图 3 7 b a c 0 至偶和电容 接地 c b a 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 21 局部放电测量仪都带有示波器 从示波器显示的放电位置 电角度 可以判别 出放电的形式 但往往由于干扰的引入或不只一种放电 单靠图形判断还是不够充 分的 a 内部气泡放电 b 表面放电 c 电晕放电 图 3 7 放电图形 单相试验找出放电线圈 变压器的高压线圈一般采用分段连续式绕制 见图 3 8 正常使用时 图 3 8 中 l 2 连接使用 实际上分接引线一般每段有多根 以实现多档调压 a l 称为 上半 区 2 x 称为下半区 变压器高压绕组施加试验线电压为 u 时 相间电位差 沿轴向分布如图 3 9 图 3 8 线圈的架构简图 图 3 9 相间电位差轴向分布图 d 接 y 接 a x 端部出线 1 2 分接 引线 a 绕线段 b 段间绝缘 c 端部绝缘 a 1 2 x a b c 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 22 若高压绕组为星形 y 接法 测量时 y 点作为接地点 一相有局部放电比较直 观 当高压绕组为三角形 d 接法时 图 3 10a 由于两相间首尾相线圈端部各出 线端之间的电压为单个线圈的全电压 放电脉冲可以通过闭合回路串通 所以当发 现有局部放电偏大时 下起始放电电压 好用单相的分相试验的方式来判断哪一相 放电 由单相试验的电压向量图 图 3 10b 可以看出 如起始放电电压不变 认为 放电电压是在线圈内部发生的 可能是在线圈的段间或匝间 单相试验时段间及匝 间电场强度基本不变 相间电位差有较大 图 3 10b 变化 放电发生在相间或表面 其放电电压应有较大的改变 做单相试验时如果将绝缘子与连引线拆除 可以排除 连接线及绝缘子产生的放电 a 三相励磁 b 单相励磁 图 3 10 单 三相励磁电压矢量图 相反接试验 在判别出放电线圈并知道是线圈外部放电后 可以用单相反接试验的方法来判 断线圈是在上半区还是在下半区表面区间放电 同样是根据起始放电电压来判断 因为表面电位差沿轴向从接地点随着匝数的增加而变大 被测试端的表面电位最 高 由于放电位置不变 放电位置越接近测试端越容易达到放电所需的电场强度 所以放电位置是在起始放电电压相对低的被测试端 从而可以判断出表面放电的大 概位置 单相分段试验 如果放电是属于内部放电 同样可以用单相分段试验的方法来判断放电位置是 在线圈的哪一区 从图 3 8 知 线圈分上下两区 将 l 2 引线接地 分别测量 a u 0 abc u 2 u 2 u a z b x c y 干式变压器运行状态在线检测与故障诊断 23 或 x 端 便可以知道放电位置是在哪段了 如果测量 a x 均无放电发生 则放电 是在 l 2 之间的段间绝缘上 3 放电的排除 如果放电是属于内部放电 缺陷是在线圈绕制时产生的 环氧树脂包封着所有 的材料并被固化 故缺陷是无法排除的 如果是表面放电 则根据放电的位置 可 以通过以下方法排除 用干燥的空气吹或用不起丝的干净布料擦拭线圈内外表面 将线圈表面的金 属粉尘 灰尘 潮气