电力变压器的绝缘性试验.doc

电力变压器的绝缘性试验由于电力变压器内部结构复杂，电场、热场分布不均匀，因而事故率相对较高。因此要认真地对变压器进行定期的绝缘预防性试验，一般为13年进行一次停电试验。不同电压等级、不同容量、不同结构的变压器试验项目略有不同。变压器绝缘电阻、泄漏电流和介质损耗等性能主要与绝缘材料和工艺质量有关，它们的变化反映了绝缘工艺质量或受潮情况，但是一般而言，其检测意义比电容器、电力电缆或电容套管要小得多，不作硬性指标要求。变压器绝缘主要是油和纸绝缘，最主要的是耐电强度。对于电压等级为220kV及以下的变压器，要进行1min工频耐压试验和冲击电压试验以考核其绝缘强度；对于更高电压等级的变压器，还要进行冲击试验。由于冲击试验比较复杂，所以220kV以下的变压器只在型式试验中进行；但220kV及以上电压等级的变压器的出厂试验也规定要进行全波冲击耐压试验。出厂试验中，常采用二倍以上额定电压进行耐压试验，这样可以同时考核主绝缘和纵绝缘。测量绕组连同套管一起的绝缘电阻、吸收比和极化指数，对检查变压器整体的绝缘状况具有较高的灵敏度，能有效地检查出变压器绝缘整体受潮、部件表面受潮或脏污以及贯穿性的集中缺陷。例如，各种贯穿性短路、瓷件破裂、引线接壳、器身内有铜线搭桥等现象引起的半贯通性或金属性短路。经验表明，变压器绝缘在干燥前后绝缘电阻的变化倍数比介质损失角正切值变化倍数大得多。一、绝缘电阻、吸收比和极化指数测量测量绕组绝缘电阻时，应依次测量各绕组对地和其他绕组间的绝缘电阻值。被测绕组各引线端应短路，其余各非被测绕组都短路接地。将空闲绕组接地的方式可以测出被测部分对接地部分和不同电压部分间的绝缘状态，测量的顺序和具体部件见表5-1。表5-1 绝缘电阻测量顺序和部位顺序双绕组变压器三绕组变压器被测绕组接地部位被测绕组接地部位1低压外壳及高压低压外壳、高压及中压2高压外壳及低压中压外壳、高压及低压3-高压外壳、中压及低压4（高压及低压）（外壳）（高压及中压）（外壳及低压）5-（高压、中压及低压）（外壳）注 1、如果表头指标超过量程，应记录为（量程）+，例如10000+，而不应记为。2、序号4和5的项目，只对15000kVA及其以上的变压器进行测定。3、括号内的部位必要时才进行。测量绝缘电阻时，对额定电压为1000V以上的绕组，用2500V兆欧表测量，其量程一般不低于10000M；对额定电压为1000V以下的绕组，用1000V或2500V兆欧表测量。规程中对变压器绕组的绝缘电阻没有规定具体值，而是采用相对比较的方法，规定按换算至同一温度时，与前一次测量结果相比无明显变化。若采用绝缘值判别时，通常采用预防性试验绝缘电阻值应不低于安装或大修后投入运行前的测量值50%。对500kV变压器，在相同温度下，其绝缘电阻不小于出厂值的70%，20时最低电阻值不得低于2000M。规程规定对于电压35kV及其以下容量小于10000kVA的变压器，在温度1030时，吸收比（K=R60/R15）不小于1.3；对于35kV以上容量大于10000kVA的变压器，在温度1030时吸收比不小于1.5。实际测量时，受潮或绝缘内部有局部缺陷的变压器的吸收比接近与1.0。变压器绕组绝缘电阻测量应尽量在50时测量，不同温度（t1,t2）下的电阻值（R1、R2）可按工程简化公式进行计算。为避免绕组上残缺电荷导致测量值偏大，测量前应将被测绕组与油箱短路接地，其放电时间应不少于2min。测量刚停止运行时变压器，需将变压器自电网断开后静置30分钟，使油温与绕组温度趋于相同，在进行绝缘电阻等的测定，并把变压器上层油温作为绝缘温度。对于新投入或大修后的变压器，应在充满合格油并静止一段时间，待气泡消除后，方可进行试验。通常，对8000kVA及其以上的较大型电力变压器需静置20h以上，对310kVA的小容量电力变压器，需静置5h以上。在实际测量过程中，会出现绝缘电阻高、吸收比反而不合格的情况，其中原因比较复杂，这时可采用极化指数PI来进行判断，极化指数定义为加压10min时绝缘电阻与加压1min的绝缘电阻之比，即PI=P10/P1。目前现场试验时，常规定PI不小于1.5。二、泄漏电流测量测量泄漏电流比测量绝缘电阻有更高的灵敏度。运行检测经验表明，测量泄漏电流能有效地发现用其他试验项目所不能发现的变压器局部缺陷。双绕组和三绕组变压器测量泄漏电流的顺序与部位如表5-2所示。测量泄漏电流时，绕组上所加的电压与绕组的额定电压有关，表5-3列出了试验电压的标准。表5-2 变压器泄漏电流测量顺序和部位顺序双绕组变压器三绕组变压器加压绕组接地部分加压绕组接地部分1高压低压、外壳高压中、低压、外壳2低压高压、外壳中压高、低压、外壳3低压高、中压、外壳表5-3泄漏电流试验电压标准绕组额定电压（kV）3610203566330500直流试验电压（kV）510204060测量时，加压至试验电压，待1min后读取的电流值即为所测得的泄漏电流值，为了是读数准确，应将微安表接在高电位处。因为泄漏电流值与变压器的绝缘结构、温度等因素有关，所以在规程中也不作规定。在判断时要与历年测量结果的比较，一般情况下，当年测量值不应大于上一年测量值的150%，同时还应与同类型的变压器的泄漏电流比较。对500kV变压器的泄漏电流不作规定，但一般不大于30A。三、介质损耗角正切测量测量变压器的介质损耗角正切值tan主要用来检查变压器整体受潮、釉质劣化、绕组上附着油泥及严重的局部缺陷等，是判断31.5MVA以下变压器绝缘状态的一种较有效的手段。测量变压器的介质损耗角正切值是将套管连同在一起测量的，但是为了提高测量的准确性和检出缺陷的灵敏度，必要时可进行分解试验，以判明缺陷所在位置。表5-4给出了规程规定tan测量值，测量结果要求与历年数值进行比较，变化应不大于30%。当采用电桥法测量时，对于工作电压10kV及以上的绕组，试验电压为10kV；对于工作电压为10kV及其以下的绕组，试验电压为额定电压。当采用M型试验器时，试验电压通常采用2500V。表5-4 介质损耗角正切值规定变压器电压等级330500kV66220kV35kV及以下tan0.6%0.8%1.5%测量温度以顶层油温为准，尽量使每次测量的温度相近。测量应尽量在油温低于50下进行，不同温度下（t1、t2）的tan值（tan1、tan2）可按如下工程简化公式进行换算 （51）变压器介质损耗角正切测量结果常受表面泄露和外界条件（如干扰电场和大地条件）的影响，应采取措施减少和消除这种影响。1、 平衡电桥测量方法由于变压器外壳均直接接地，所以多采用QS-1型西林电桥的反接法进行测量。对双绕组和三绕组变压器的测量部位见表5-5。表5-5 电桥法测量变压器绕组的部位双绕组变压器三绕组变压器序号测量端接地端序号测量端接地端1高压低压+铁芯1高压中压、铁芯、低压2低压高压+铁芯2中压高压、铁芯、低压3高压+低压铁芯3低压高压、铁芯、中压4高压+低压中压、铁芯5高压+中压低压、铁芯6低压+中压高压、铁芯7高压+中压+低压铁芯对双绕组变压器测量tan及C时，接线如图5-1所示。从上述接线方式中可以清晰地看出，测量所得的数据并不是各绕组的tan和C，需要在测量后进行计算。若假设按图5-1（a）、(b)、（c）接线进行试验，测得数据分别为tana、Ca、tanb、Cb、tanc、Cc，可以推导出各绕组的C和tan为： （52）图5-1 双绕组变压器测量tan及C接线方式（a）高压-低压及地 （b）低压-高压及地 （c）（高压+低压）-地对于三绕组变压器测量C及tan的接线方式如图5-2所示。 图5-2 三绕组变压器C及tan测量接线图（a）高压-中、低压及地 （b）中压-高、低压及地 （c）低压-高、中压及地（d）（高+中）压-低压及地；（e）（中+低）压-高压及地；（f）（高+低）压-中压及地（g）（高+中+低）压-地按上述接线图进行测量，测得的C和tan分别为：Ca，Cb，Cc, Cab, Cbc, Cca, Cabc以及tana、tanb、tanc、tanab、tanbc、tanca、tanabc，可以推导出变压器各绕组对地和变压器绕组间的C和tan为： 2、非平衡电桥测量法用非平衡电桥测量（M型介质试验器）测量双绕组和三绕组变压器的tan，其测量顺序和方法按表5-6所示方法进行。测量时，M型介质试验器的试验电压均为2500V。表5-6 M型介质试验器测量变压器tan的方法双绕组变压器三绕组变压器序号测量部位屏蔽绕组序号测量部位屏蔽绕组测量端接地端测量端接地端1高压低压-1高压低压中压2高压-低压2高压-低压、中压3低压低压-3低压中压高压4低压-低压4低压-高压、中压5中压高压低压6中压-高压、低压7全部-在双绕组变压器中，试验2直接测出高压-地的tan，试验4直接测出低压-地的tan。若试验1、2、3、4所测量的视在功率分别为S1、S2、S3、S4，有功功率分别为P1、P2、P3、P4，则高压-低压之间的。在三绕组变压器中，试验2、4、6可直接测出高压、低压、中压对地的tan。若试验1、2、3、4、5、6所测得的视在功率分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6，有功功率分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6，则高压-低压之间的，低压-中压之间的，中压-高压之间的。四、交流耐压试验交流耐压试验是鉴定绝缘强度最有效的方法，特别对考核主绝缘的局部缺陷。如绕组主绝缘受潮、开裂、绕组松动、绝缘表面污染等，具有决定性作用。交流耐压试验对于10kV以下的电力变压器每15年进行一次；对于66kV及以下的电力变压器仅在大修后进行试验，如现场条件不具备，可只进行外施工频耐压试验；对于其他的电力变压器只在更换绕组后或必要时才进行交流耐压试验。电力变压器更换绕组后的交流耐压试验标准见表5-7。表5-7 交流耐压试验标准额定电压1361015203566110220330500最高工作电压13.56.911.517.523.040.072.5126252363550全部更换绕组3182535455585140200360395460510630680部分更换绕组2.5152130384772120170（195）306336391434536578在变压器注油后进行试验时，需要静置一定时间。通常500kV变压器静置时间大于72h，220kV变压器静置时间大于48h，110kV变压器静置时间大于24h.。出厂试验电压标准同全部更换绕组的电压标准，而大修后的试验电压标准同部分更换绕组后试验电压标准。进行交流耐压试验时，被试变压器的正确接线方式是被试绕组所有套管应短路连接（短接）并接高压，非被试绕组也要短接并可靠接地，如图5-3所示，图中只画出了一组绕组。图5-3 变压器交流耐压试验的正确接线方式T1-试验变压器；T2-被试变压器当进行交流耐压试验时，变压器的连接方式不正确，可能损坏被试变压器绝缘。如被试绕组和非被试绕组均被短接时（如图5-4），由于分布电容的影响，在被试绕组对地及非被试绕组将有电流通过，而且沿整个被试绕组的电流不相等，愈靠近A段电流愈大，因而所有线匝间均存在不同的电位差。由于绕组中所流过的是电容电流，故靠近X端的电位比所加的高压高。又因为非被试绕组处于开路状态，被试绕组的电抗很大，故由此将导致X端电位升高，显然这种接线方式是不允许的，在试验中必须避免。图5-4 错误接线一：双绕组均不短接被试绕组和非被试绕组仅短接时（如图5-5），由于这种接法对被试绕组来说,始末端电流IC的方向是相反的,回路电抗很小,整个绕组对地的电位基本相等,符合试验的要求.但是,对非被试低压绕组来说,由于没有接地而处于悬浮状态,低压绕组对地将具有一定的电压.低压绕组的对地电压将取决于高、低压间和低压对地电容的大小，这时可能出现低压绕组上的电压高于其耐受电压水平，发生对地放电现象。图5-5 错误接线二：双绕组均仅短接在变压器交流耐压试验时，除了发生击穿可以判断变压器存在绝缘故障外，还可以根据试验过程中的一些异常现象来判断是否存在隐含的绝缘缺陷：（1） 在升压阶段或持续时间阶段，发生清脆、响亮的“当”、“当”放电声音，这种声音很像金属物撞击油箱的声音，这往往是由于油隙距离不够或者是电场畸变等所造成的油隙一类绝缘结构击穿所致。而且此时还伴有放电声，电流表指示值产生突变。当重复进行试验时，放电电压下降并不明显。（2） 试验中，若发生较小的“当”、“当”放电声，且仪表摆动不大，在重复誓言时放电现象却消失了。这往往是变压器油中有气泡，在电场力的作用下，可能形成一条一定长度的很狭窄的气隙通道，由于气泡的耐电强度比油低，当气隙通道发展到一定长度时，将可能导致气隙通道击穿，最后导致变压器油击穿。如果变压器油中气泡不多，七隙通道放电后缩短了，这时气泡被击穿后，变压器油可能不再击穿。这种局部击穿所出现的放电声音，可能是轻微、断续的，电流表的指示值也不会变动。由气泡所引起的无论是贯穿性的或者是局部性的放电，在重复试验中可能会消失，因为在放电后，气泡容易从上部逸走。（3） 在加压过程中，变压器内部有炒豆般的放电声，而电流表的指示值还很稳定，这可能是由于悬浮的金属件对地放电所致。在制造过程中，铁心可能没有和夹件通过金属片连接，使铁心在电场中悬浮，由于静电感应的作用，在一定电压下，铁心对接地的夹件就开始放电。五、变压器油中水分测量油浸变压器在运行中会受到电、热、机械力、化学腐蚀和光辐射等外界因素的影响，致使变压器油和纤维材料逐渐老化变质，分解出微量水分。此外，由于密封不严，潮气和水分也会进入油箱内，使油中的水分逐渐增多。当水分含量超过一定限度时，就会使绝缘性能明显下降，甚至危及变压器安全。若油中不含固体杂质，当油的含水量在40ppm(1ppm=10-6)以下时，一般具有非常高的击穿强度，而当油中含水量超过100ppm时，或当油中存在固体杂质，含水量为5ppm时，其击穿强度都将下降到很低，有的还可能成为引起绝缘破坏的直接原因。测量绝缘电阻、泄漏电流和tan可以定性判定变压器绝缘是否受潮，但不能直接定量地测定变压器油纸中含水量。目前常见的定量测量变压器微量水分含量的方法有：气相色谱法、库仑法。气相色谱分析法测定油中微量水分（简称微水）与测定其他成分一样。首先利用色谱仪中的汽化加热器将注入的油样瞬间汽化，被汽化的全部水分和部分油气被载气带至适当的色谱柱进行分离，然后用热导池检测器来检测，将检测值（水峰高或水峰面积）与已有的含水的标准工作曲线进行比较，就可以得到油样中的水含量。用色谱法检测液体中的微量水分时，普遍采用饱和值作为水分的定量基准，这种方法的优点是不受环境温度的干扰。饱和值在客观上又是恒定值，所以，只要确保达到了饱和状态，操作较为方便。苯中饱和水值和正庚烷中饱和水值可以作为定量基准。前者适用于水浓度大于100ppm的液体样品，后者适用于水浓度小于100ppm的样品。正庚烷和苯中的饱和水值的峰高与油中水值的含量存在近似线性的对应关系，利用这一关系可以为变压器中的微水含量定量。进行定量分析时，要严格按规定规程操作，否则误差较大。库仑法是一种电化学方法，它是将库仑仪与卡尔费休滴定法结合起来的方法。当被测试油中的水分进入电解液（即卡尔费休试剂）后，水参与碘、二氧化硫的氧化还原化学反应，在吡啶和甲醇的混合液中相混合，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，在电解过程中，碘分子在电极上产生氧化还原反应，直至水分完全耗尽为止。根据法拉第定律，电解时消耗的碘与电解时消耗的电量成正比。从化学反应式可知，1g分子的碘，氧化1g分子的二氧化硫，需要1g分子水。所以1g分子碘与1g分子水的当量反应，即电解碘的电量相当于电解水所需的电量。即1mg水对应于10.72电子库仑。根据这一原理，就可以直接从电解的库仑数计算出水的含量。规程规定了变压器油中微水含量值，见表5-8所示，对运行时的变压器应尽量在顶层油温高于50C时采样。表5-8 变压器油中微水含量标准（mg/L）油样66110KV220KV330500KV投运前的变压器油201510运行中的变压器油352515六、局部放电测量1、 变压器局部放电特点变压器内部绝缘结构主要采用油纸绝缘，其绝缘结构较复杂，在设计过程中可能造成局部区域场强过高；变压器在测量过程中可能导致绝缘中含有气泡和较多的水分，在运行过程中油纸劣化可分解出气泡，机械振动和热胀冷缩可造成局部开裂也会出现气泡等等，这些情况都会导致在较低外施电压下发生局部放电。变压器放电脉冲是沿绕组传播的，起始放电脉冲是按分布电容分布的。经过一段时间后，放电脉冲通过分布电感和分布电容向绕组两端传播，行波分量达到测量端的检测阻抗后，有可能产生反射或震荡，所以纵绝缘放电信号在段子上的响应比对地绝缘放电要小得多，放电脉冲波沿绕组传播的衰减随测量频率的增加而增大。对于变压器来说，油中放电对绝缘损坏是主要的，而油中放电时延较长、低频分量较大。电力变压器中局部放电可分为：1） 绕组中部油屏障绝缘中油道击穿；2） 绕组端部油道击穿；3） 接触绝缘导线和纸板（引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘）的油间隙击穿；4） 引线、搭接纸等油纸绝缘中局部放电；5） 线圈间（纵绝缘）的油道击穿；6） 匝间绝缘局部击穿；7） 纸板沿面滑闪放电。2、 变压器局部放电测量变压器局部放电测量主要包括三中情况：单相励磁变压器、三相励磁变压器和变压器套管抽头的测量，它们测量的基本接线如图5-6所示。图5-6 变压器局部放电测量基本原理图（a）单相励磁变压器；（b）三相励磁变压器；（c）变压器套管抽头规程规定，对220kV及以上的变压器在大修后、220kV及以上或120MVA及其以上的变压器更换绕组后和必要时进行局部放电试验。变压器局部放电试验采用分段升压的方式，试验时首先将试验电压升到U1=1.3Um/或U1=1.5Um/保持5min,并在此电压下进行局部放电测量，然后将试验电压加到U2=Um保持5s,然后将电压加到U1，保持30min,并进行测量。其中Um为变压器最高工作