基于特征气体法的电力变压器故障诊断及其应用研究.

1、基于特征气体法的电力变压器故障诊断及其应用研究摘要 随着电网的扩大，变压器在电网中的作用日益提高，从而变压器在线故障诊断技术也显得异常重要。分析了变压器常见的故障类型以及变压器故障与变压器油产生特征气体的对应关系；进而提出了基于特征气体法的电力变压器故障诊断技术，分析了无编码比值法的原理与技术方法；最后结合某市110kV和220kV变电站实际运行情况，对基于三比值法以及无编码比值法的变压器故障诊断技术的应用效果进行了对比分析。关键词：故障诊断；电力变压器；特征气体；三比值法The Method Based On The Characteristics of Gas of Fault Diagn

2、osis of Power Transformer and Its ApplicationsAbstract With the expansion of power grid, the role of the transformer in the power grid is increasing day by day, thus transformer on-line fault diagnosis technology also becomes extremely important. This paper Analysis the common faults of transformer

3、and the corresponding relation between transformer faults and the characteristics gas produced from transformer oil ;Andthen putting forward the method based on the characteristics of gas of fault diagnosis of power transformer;this paper analyzes the method on the coding ratio principle; Finally, c

4、ombining with 110 kV and 220 kV substation practical operation of one city,the article analysis the application effect of fault diagnosis technology of the power transformer,which based on the method of ratio of three ratio and no coding ratio.Key words: fault diagnosis; power transformer; character

5、istic gas; three ratio method 1.引言随着电网的不断发展，电力系统变得越来越庞大，在国民生活中的地位越来越重要，因此，电网的可靠、持续、安全运行显得越来越重要。而据资料统计，引起电网故障的主要因素之一是电力变压器故障1-2。近几年电网中新建变电站数量和新增变压器的数量一直处于增长趋势，由此可见，确保电力变压器的稳定、可靠运行是保证电网安全、持续运行的重要保障。在过去的电网建设中，已经形成比较成熟的故障预防体系，即定期地对电力变压器进行停电实验与维修检测。这种方案可以较好地提高电力系统运行的可靠性，但是停电实验会造成较大的经济损失，维修检测的成本也较高，而且这种方案

6、不能及时发现故障隐患。随着电网的发展以及社会对电网可靠性运行的要求越来越高，变压器的在线故障诊断技术显得异常重要。在长期运行中，变压器油与其中的绝缘性材料在电弧、热、声等影响下会逐渐变质，并产生相应的气体，并且如果变压器存在隐性故障时会加剧气体的产生速度以及产生量。而且根据变压器故障统计情况，变压器不同的故障类型有相对应的特征气体。基于此原理，本文提出了基于特征气体法的电力变压器故障诊断技术。2.变压器常见故障与变压器油中产生的特征气体关系2.1 变压器常见故障以变压器油箱为界，变压器故障可以分为油箱外和油箱内故障。油箱外的故障主要是引出线上发生的接地短路以及相间短路。而变压器箱内部故障不易判

7、别，油箱内的主要故障类型有相间短路、匝间短路、接地短路以及变压器过热时铁芯的烧损等。油箱内故障时会产生电弧，较轻时会对绕组的绝缘以及铁芯造成破坏，并且绝缘材料和变压器油在受热情况下会分解出大量气体，严重时甚至会引发爆炸。另外，还可以按变压器结构划分为绕组、油质等故障；按回路可划分为电路、油路等故障；按照故障的性质可以分为热和放电故障。2.2 变压器内部故障与特征气体的对应关系变压器内部故障大体上可以认为是热故障以及放电故障这两种。根据大量的现场以及模拟实验：当电弧放电时会产生较大的电流，在这种情况下变压器油中会分解出较多的乙炔、氢气，该情况下分解出的甲烷会比较少；当变压器局部放电时产生的电流比

8、较小，这时会分解出氢气以及甲烷；当变压器的油温过高时会分解出甲烷、丙烯等，当某些绝缘材料也同时过热时还会分解出一氧化碳等气体。变压器不同故障情况与特征气体的对应情况3-4可归结为表1。表1 充油变压器在不同故障情况下所产生的气体变压器内部故障类型气体的主要成分气体的次要成分变压器油过热、变压器油和纸过热、油中绝缘纸局部放电、油中的火花放电、油电弧、油中纸电弧、注：该表摘自变压器油中溶解气体分析和判断导则（DL/T722-2000）2.3 热故障时气体基本特征根据模拟以及故障特性分析可知，在故障不太严重，温度不太高的情况下，特征气体的主要成分为，随着故障越严重，温度逐渐升高，、依次增加，在一定条

9、件下，容易分解为和，故特征气体中的含量会比少，且总是与同时生成。由此可见当变压器发生热故障时，变压器油产生的气体特征如下：（1）当热点大于油的分解热点且小于固体绝缘材料的故障热点时，特征气体为甲烷和乙烯，且占总气体的比重大于80%。故障点温度比较低的时候，所占比重较大；当热点温度大于500摄氏度时，、所占比重增大；当热点温度大于800摄氏度时，会出现含量不大于含量10%的乙炔。（2）热故障时还会产生比较多的、气体，且随着故障越来越严重，温度逐渐升高时所产生的和气体增多，比重加大。当热故障时局部温度达到绝缘材料的破坏温度点时，就会分解出不同以上成分的气体。目前变压器绝缘纸主要成分为纤维素，其在高

10、温下分解所产生的气体情况5如表2：表2 纤维素在分解产物分解的产物比重（%）分解的产物比重（%）4.21水35.510.39醋酸1.40.28丙酮0.070.15焦油4.2碳39.59其他5.2由上表可见，在绝缘纸分解时所产生的、很多，而碳氢类化合物很少，与变压器油所分解的气体成分不同。2.4 放电故障时气体基本特征2.4.1 电弧放电故障变压器发生该类故障时，油中气体主要是、，其次和的含量也比较多。在变压器油内发生该类故障时，一般情况下，占总炔类的2575%，占3090%，而的含量大多数情况下比低。如果出现油中绝缘材料的绝缘故障时，的含量较高。2.4.2 火花放电故障当变压器发生火花放电故障

11、时，故障特征气体为、为主，由于此类故障能量比较小，所以总炔类含量不是很高，但是含量却可以达到2585%，占总炔类的比例不大，在20%以下，占30%以上。3.基于特征气体法的变压器故障诊断技术现在国内常用的变压器故障诊断方案有以变压器油中特征气体的成分为鉴别方案法、以存在于气体型继电器中的气体为鉴别方案法、基于三比值法的变压器故障诊断法等，而且我国目前已经有了改良型的三比值法方案，在一定程度上提高了鉴别的精确度，但是该法存在一个不足之处就是其编码不多，因此运行中的变压器常常因为故障找不到相对应的编码而无法鉴别故障类型以及故障严重程度。另外，还有其它多种诊断技术6-8。本文在三比值法的基础上提出了

12、基于无编码比值法的变压器故障诊断方案，该法可以弥补三比值法的缺陷，两种方法配合使用，将大大提高变压器故障诊断的精确性与可行性。3.1 基于无编码比值法的变压器故障诊断原理分析从第二节分析可知，变压器在不同故障情况下，油中气体含量不同。本文提出的无编码比值法就是利用这一规律，用变压器故障情况下一些主要的气体含量以及不同气体之间的比值来判断变压器的故障类型以及故障严重程度。比如，在变压器过热的情况下，氢气比较少，甲烷比较多；而放电时氢气比较多，甲烷比较少。利用此特点，就可以利用氢气与甲烷含量的比值来区分热故障和放电故障。3.2基于无编码比值法的变压器故障诊断的方法3.2.1 根据计算比值进行故障诊

13、断根据日本等过进行大大量模拟实验以及长期实际运行经验数据，可以得出几种气体比值与故障类型的统计表，如表3.表3 特征气体比值与故障类型对应表典型故障0.1小于1不相关绝缘材料老化、绕组的油道不通畅0.113不相关铁芯局部短路，引线的接头松动0.13不相关高能放电0.10.3不相关1匝间短路、引线对地放电、有载开关将电流切断过热且高能放电0.10.3不相关1低能放电3不相关1分接、选择开关错位或者调节不到位、铁芯接地过热且低能放电3不相关1 参照表3，进行故障诊断计算步骤如下：（1）以的比值确定是过热故障还是放电性故障当时为过热类型故障；当时为放电类型故障。（2）以的比值确定过热故障的严重程度当

14、为过低温类型的故障，即温度低于300摄氏度的故障；当时为中温类型故障，即温度处于300到700摄氏度的故障；当时为温度大于700摄氏度的高温故障。（3）以的比值诊断过热故障与放电故障是否同时存在当时热故障与放电故障同时发生；当时仅有放电性故障。3.2.2 根据故障分区图进行故障诊断根据计算的、值，再参照变压器故障性质分区图（图1）进行故障诊断。（1）以的值确定故障区域当时为过热类型故障；当时为放电类型故障。（2）以的值确定过热类型故障的区域查看图1左坐标的值确定处于何种过热故障类型。（3）以的值确定故障的严重程度查看图1右坐标的值确定故障的严重程度。图1 故障类型分区图3.2.3 比值计算程序

15、（1）输入测量值：和总炔值（ppm）。（2）进行判断：如果中的任何一个满足条件，则按第（3）部的计算框图进行故障判断，否则变压器正常运行，无故障发生。（3）计算框图：图2 基于无编码比值法电力变压器故障诊断的计算框图3.2.4 无编码比值诊断法的特点分析（1）计算简便，只需计算出两组特征气体比值即可进行判断，与三比值法相比，免去编码步骤。（2）与三比值法相比，解决了由于编码限制而引起的不能判断故障的缺陷，使得判断结果更加精确。（3）该法可以画出故障分区图，得到比值后，可以从图中直接看出故障类型和性质，简单明了。（4）该类方法更加适合计算机程序计算。4.基于特征气体法的变压器故障诊断技术实际应用

16、分析利用特征气体法对变压器故障进行诊断已经是当今电网中所用最广泛的手段。下面将某电力公司110kV和220kV两个电压等级变电站中，电力变压器的在线监测装置所测得的特征气体的含量以及离线测量数据，分别无编码比值判别法以及三比值判别法进行分析，分别得出故障类型并与实际故障情况进行比较。（1）110kV变电站中变压器的故障诊断分析某变电站110kV变电站中3#主变2003年的特征气体测量值如下：为200，为56,1，为43，为44，为5，为129。下面计算气体比值： （5.1） （5.2） （5.3） 先利用三比值法进行诊断故障。对上述比值进行编码，可得编码为222，这样由三比值法可以诊断出变压器

17、的故障类型为：低能放电并且兼有过热故障。再利用无编码的比值诊断法进行分析如下：1）由，可以诊断出变压器为高能放电故障。2）由，可以诊断出变压器为过热故障。由此可知，利用无编码三比值诊断法可以诊断出变压器为高能放电兼过热故障。经过吊芯检验，得知变压器匝间处于短路状态，并有过放电的痕迹，并且固定铁芯的夹板已有明显的灼痕，并宜变黄，明显经过严重的电弧放电而引起的过热故障。通过以上分析可见，无编码三比值诊断法所诊断的结果比较切合实际。（2）220kV变电站中变压器故障诊断分析某220kV变电站中2#主变于2004年6月21号进行色谱分析时发现总炔的含量逐渐增加，在进行跟踪监测，发现总炔的含量又出现下降

18、，进而又上升的趋势。跟踪监测数据如下表4：表4 跟踪监测数据（单位）监测日期04.6.21315.06368.6776.801.78211.01588.65762.5404.6.23418.47495.35103.183.02340.02758.441020.3204.6.25307.73339.2271.782.03254.02382.35720.9604.6.292555.27286.0461.231.60155.58461.50604.2004.7.15333.70370.3082.151.59164.90489.65787.7504.9.12374.15402.9089.251.591

19、62.30482.72867.9504.11.10509.50563.34174.130158.29501.811247.1205.02.10568.11674.80211.600156.23919.171424.42利用上面测量的跟踪数据，采用无编码比值的诊断方案进行判断，得出变压器为高温过热故障（温度大于700），当用三比值法进行诊断时，共有6次022的编码，2次120的编码，1次221的编码，这样可以知道，用该法诊断结果为高热故障的概率为65.7%。后经实际调查发现，220kV变电站中的该变压器故障确定为高温过热故障；经过原因查找，发现是由变压器的分接开关没有焊接牢固，从而增大了接触电阻，故引起分接开关处过热而导致故障出现。由此可见，前者诊断方案比后者更精确，更加切合实际。5.结语对基于特征气体法的电力变压器故障诊断方法进行研究之后，本文对该类诊断方案在某