变压器故障检测技术

CHANGSHACHANGSHA UNIVERSITYUNIVERSITY OFOF SCIENCESCIENCE Fault Electricity 变压器故障检测技术 0 目 录 中文摘要 英文摘要 第一章 绪论 3 1 1 变压器的意义 3 1 2 变压器的工作原理 3 第二章 变压器的故障类型 5 2 1 过热性故障 5 2 2 放电性故障 5 2 3 变压器绝缘受潮 5 2 4 变压器渗漏故障 6 第三章 变压器的故障检测 7 3 1 直视检查方法 7 3 2 电气预防性试验方法 8 3 3 油中气体色谱检测 8 第四章 色谱分析诊断 9 4 1 变压器故障的油中气体色谱检测 9 4 1 1 特征气体的含量 10 4 1 2 根据气体含量变化分析判断 10 4 2 油中主要气体含量故障分析方法 11 4 2 1 变压器的注意值 11 第五章 在线检测技术 13 结束语 14 参 考 文 献 15 变压器故障检测技术 1 第一章 绪论 1 1 变压器的意义 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置 主要构件是初级线圈 次 级线圈和铁心 磁芯 在电器设备和无线电路中 常用作升降电压 匹配阻抗 安 全隔离等 在发电机中 不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈 均能在 线圈中感应电势 此两种情况 磁通的值均不变 但与线圈相交链的磁通数量却有变 动 这是互感应的原理 变压器就是一种利用电磁互感应 变换电压 电流和阻抗的 器件 变压器的功能主要有 电压变换 电流变换 阻抗变换 隔离 稳压 磁饱和 变压器 等 变压器是供配电系统中广泛使用的重要且昂贵的高压电气设备 在运行中变压器 一旦发生损坏性故障 将会直接影响电网的供电 除修复费用大外 还会造成更大的 直接经济损失 因此 选用高质量的变压器 提高运行维护水平 使用有效的故障检 测技术 具有十分重要的实际价值 1 2 变压器的工作原理 变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电气设备 可以将某一数值的交流电 压变换为同频率的另一数值的交流电压 目前在电力 电信 自动控制 测量等方面 广泛地使用各种各样的变压器 例如输 配电用的电力变压器 用来测量和试验的电 压互感器 电流互感器 调压器等 变压器的主要结构部件有由铁芯和绕组两个基本部分组成的器身 以及置放器身 且盛有变压器油的油箱 此外还有为把绕组出线端从油箱内引出而在油箱盖上装有绝 缘套管 为在一定范围内调整电压而附有分接开关等 如图 1 1 为变压器的工作原理 图 变压器故障检测技术 2 图 1 1 变压器工作原理图 变压器故障检测技术 3 第二章第二章 变压器的故障类型的故障类型 变压器的故障类型很多 可能由于设计 制造 工艺 运输 安装 原材料等方 面的缺陷 在运行中产生局部放电 局部过热等问题 从而导致贯通性击穿 匝间短 路 绝缘损坏 烧损爆炸等严重事故 按故障发生的部位可分为外部故障和内部故障 按故障发生的过程可分为突发性故障和长年累月逐步扩展而形成的故障 这些故障可 能互相影响 转化 使故障更趋严重 2 1 过热性故障 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 2 2 放电性故障 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 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 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 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 2 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 变压器故障检测技术 4 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 4 变压器渗漏故障 变压器的渗漏是变压器故障的常见问题 特别是一些运行年限已久的变压器更为 普遍 轻者污染设备外表影响美观 重者威胁设备安全运行甚至人员生命 变压器的 渗漏包括进出空气 正常经吸湿器进入的空气 除外和渗漏油 造成渗漏的原因主要有两个方面 一方面是在变压器设计及制造工艺过程中潜伏 下来的 另一方面是由于变压器的安装和维护不当引起的 变压器主要渗漏部位经常 出现在散热器接口 平面碟阀帽子 套管 瓷瓶 焊缝 砂眼 法兰等部位 进出空气 进出空气是一种看不见的渗漏形式 例如套管头部 储油柜的隔膜 安全气道的玻璃 焊缝砂眼以及钢材夹砂等部位的进出空气都是看不见的 多年来 电力系统的主要恶性事故大多是绕组的烧伤事故和因变压器低压出口短路对器身的严 重损坏 渗漏油的分类 变压器的渗漏油可分为内漏和外漏两种 而外漏又可分为焊缝渗 漏和密封面渗漏两种 内漏 内漏最普遍的就是充油套管中的油以及有载调压装置切换开关油室的油向 变压器本体渗漏 外漏 外漏分为焊缝渗漏和密封面渗漏两种 焊缝渗漏 焊缝渗漏是由于钢板焊 接部位存在砂眼所造成的 密封面渗漏 密封面渗漏情况比较复杂 要具体问题具体 分析 在变压器大修或安装过程中应把防止密封面渗漏作为一项重要工作 变压器故障检测技术 5 第三章第三章 变压器的的故障检测 变压器故障的检测技术是准确诊断故障的主要手段 传统检测手段主要包括油中 可燃性气体的色谱分析 直流电阻检测 绝缘电阻及吸收比 极化指数检测 绝缘介 质损失角正切检测 油质检测 局部放电检测及绝缘耐压试验 包括感应耐压 等 随着技术的进步 又许多新的技术得到了发展应用 如红外测温 绕组变形或低电压 下短路阻抗测量 糠醛分析或绝缘纸聚合度的测量 内窥镜直接检测变压器内部状况 等 检测 诊断变压器的方法很多 但归纳起来 现在较为常见的可分为 3 种 直观 检查 电气预防性试验和绝缘油筒化试验 其中后两种方法用于综合判定复杂的变压 器内部故障 3 1 直视检查方法 对于运行中的变压器 通过日常的巡检对发生下列异常现象 可直观地诊断出一 些比较明显的故障性质 1 温度过高或声音异常 其原因可能是过负荷运行 环境温度超过 40 冷却 系统故障 漏油引起油量不足等 2 振动 响声异常及有放电声 其原因可能是电压过高或频率波动 紧固件松 动 铁心紧固不良 分接开关动作机构异常 偏磁现象等 外部接地不良或未接地的 金属部分出现静放电 瓷件 套管表面粘附污秽引起局部火花 电晕等 3 气味异常或干燥剂变色 其原因可能是套管接线端子不良或接触面氧化使触 头过热产生异味和变色 漏磁通 涡流使邮箱局部过热 风扇 潜油泵过热烧毁产生 的异味 过负荷造成温升过高 外部电晕 闪络产生的臭氧味 干燥剂受潮变色等等 4 油位计指示大大低于正常位置 其原因可能是阀门 密封圈部位焊接不好或 密封不良漏油 油位计损坏漏油 以及内部故障引起喷油 5 瓦斯继电器的气室内有气体或瓦斯动作 其原因可能是内部局部放电 铁芯 不正常 导电部分过热 6 防爆装置的防爆膜破裂 外伤及有放电痕迹 其原因可能是过电压或机械力 引起 变压器故障检测技术 6 7 瓷件 瓷套管表面出现龟裂 外伤和放电痕迹 其原因可能是过电压或机械 力引起 3 2 电气预防性试验方法 由于变压器故障类型多 原因复杂 且故障类型还可以互相转换 因此定期或在 发现有异常现象时 应进行电气预防试验来综合分析 以确定故障的部位和性质 采用电气预防性试验检测故障包括 1 绕组类故障 测量绕组连同套管的直流电阻 以判断绕组的短线 导线短股 或脱焊 匝间断路 分接头接触不良等故障 测量所有分接头的电压比 以判断绕组 间和绕组内匝间是否有断路故障 测量额定电压下的空载电流和空载损耗 以判断 315KVA 及以上变压器是否存在绕组断路故障 测量变压器额定电流下的阻抗 以判断 是否存在出口或内部断路故障 2 绝缘类故障 该试验包括 测量绕组的绝缘电阻和吸收比 以判断变压器是 否存在绝缘击穿或大范围受潮等故障 测量绕组连同套管的直流泄漏电流 以判断变 压器绝缘是否受潮或有局部缺陷故障 测量绕组连同套管一起的介质损耗角正切值 以判断变压器绝缘老化 受潮等整体状况类故障 进行绕组连同套管一起的交流耐压 试验 以判断变压器绝缘类故障 3 3 油中气体色谱检测 用油中气体分析诊断变压器故障的原理是 变压器中的绝缘材料是绝缘油和纸 这两种材料在放电和热作用下 会分解产生各种气体 而变压器内部故障都伴随着局 部过热或放电的现象 是油或纸或油和纸分解产生 CH4 甲烷 乙烷 乙烯 乙炔 氢 一氧化碳 二氧化碳等气体 当故障不太严重时 产气量较少 所产生的气体大 部分溶解于绝缘油中 此外 发热和放电的严重程度不同 所产生的气体种类 油中 溶解气体的浓度也不相同 据此可检测出变压器内部故障的性质 变压器故障检测技术 7 第四章 色谱分析诊断 4 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 1997 年颁布在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 18 1 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 1 9 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 14 4 其余 2 1 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 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 变压器故障检测技术 8 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 4 1 1 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 4 1 2 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 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 1000t2L L 以上 而取相同油样分送三处外单位测试 H2含量却均正常 变压器故障检测技术 9 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 30 90 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 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 4 2 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 CH C2H2 与色谱分析导则规定的注意值 如表 1 1 所示 进行比较 表 1 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 变压器故障检测技术 10 4 2 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 4 2 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 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 注意油中 CO CO2 含量及比值 CO 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 300 l 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 变压器故障检测技术 11 第五章 在线检测技术 随着传感器 计算机等技术的不断发展 国内外在积极研究和推广使用有关变压 器故障的在线连续自动检测装置 以实现对运行中的变压器进行在线监测与故障诊断 同时还具有微机分析 打印 报警等功能 这比停电后加电压试验更加真实可靠 目 前 国内外对油