高压电力设备在线监测技术 第8章 电力变压器在线监测与诊断.

1、第八章第八章 电力变压器在线电力变压器在线监监测与故障诊断测与故障诊断On-line monitoring and fault diagnosis for power transformer1本章内容 概述 变压器绝缘的劣化及诊断内容 变压器局部放电的在线监测 温度的监测 含水量的监测 变压器寿命的预测28.1 概述3电力变压器在电力系统中的作用电力变压器的工作原理2121NNUU 电力变压器结构电力变压器内部结构电力变压器内部结构变压器绕组截面电力变压器铁心变压器故障统计变压器故障统计 故障类型故障类型 (根据根据164 台次故障数据统计台次故障数据统计)1 电气设计电气设计10%2 机械设

2、计机械设计7%3 制造工艺制造工艺13%4 材料品质材料品质17%5 不适当的短路应力不适当的短路应力7%7 不适当维修不适当维修7%8 操作错误操作错误3%9 雷电雷电3%10 未知原因未知原因23%11 其他其他 10%* IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers, 1996电力变压器“吊芯”检修变压器故障统计变压器故障统计 发生故障的部位发生故障的部位 (根据根据164 台次故障数据台次故障数据) 1高压套管11%2中压套管2%3低压套管0%4 绕组端部接线 5%5 高压绕组23%6 中压绕组17%7 低压绕组

3、1%8 绕组分接开关0%9 接头4%10 磁路 4%11 屏蔽体绝缘3%12 铁心绝缘 5%13 铁心夹件 1%14 绕组夹件6%15 油循环系统1%16 油箱2%17 换热器 1%18 分接开关3%19 有载分接开关0%20 除湿器0%21 附件1%22 未知部位5%23 其他6%51% 的主要故障均涉及绝缘(11+23+17 根本原因)* IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers, 1996统计结论统计结论 有相当数量的故障原因不明。有相当数量的故障原因不明。 绝大多数故障与绝缘有关。绝大多数故障与绝缘有关。这一

4、方面反映了调查不充分这一方面反映了调查不充分, , 或者缺乏决定性证据或者缺乏决定性证据, , 或缺乏足或缺乏足够的知识对故障进行判断。够的知识对故障进行判断。主要故障原因主要故障原因 受潮；受潮； 短路应力造成的绕组变形；短路应力造成的绕组变形； 由于检修造成的绕组接头接触由于检修造成的绕组接头接触不良；不良； 铁心多点接地。铁心多点接地。变压器主要故障类型 在热和电的作用下，绝缘油会逐渐老化、分解而产生各种低分子烃、氢气以及有机酸和石蜡等； 而以纤维素为基础的固体绝缘材料（纸和纸板）发生劣化分解时，除释放出水、醛类、酮类和有机酸外，还会产生相当数量的一氧化碳和二氧化碳。绝缘的分解与劣化绝缘

5、的分解与劣化8.2 变压器绝缘的劣化及诊断内容绝缘系统绝缘系统变压器油变压器油CnHm固体绝缘固体绝缘纤维素纤维素 (C6H10O5)nDPDP值降低值降低C,CO, CO2H2OFurfuralsolid particles油特性的衰退油特性的衰退H2CH4, C2H4C2H6, C2H4,C2H2CO, CO2acidsresin电应力电应力热应力热应力联合应力作用及其影响联合应力作用及其影响变压器油及其对故障分析的作用变压器固体绝缘的老化：纤维素的降解变压器固体绝缘的老化：纤维素的降解CH2OHOOHOHOHCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOHAcidsCH2OHOOHOHOC

6、H2OHOHOHOOCH2OHOHOHOHOH (water)纤维素纤维素(C6H10O5)nOCHOHHHHOHHOHCO80 C - 300 C+CH2OHOHOHOOHHHHHOHOH+C变压器固体绝缘的老化产物变压器固体绝缘的老化产物糠醛糠醛铜屑齿轮碎片 电弧熔粒绝缘纤维变压器油中的颗粒变压器油中的颗粒变压器的重要试验项目测量绕组的绝缘电阻、吸收比及极化指数；测量绕组连同套管的泄漏电流及tan；测量非纯瓷套管的tan及C;测量绕组连同套管的导电部分的直流电阻；测量铁芯对地的绝缘电阻；油箱及套管中的绝缘油试验；油中溶解气体的色谱分析；绕组连同套管的交流耐压；油中微量水分测量。28 绕组温

7、度绕组温度； 铁心接地电流铁心接地电流； 油中溶解气体分析（油中溶解气体分析（DGA ）；）； 局部放电（局部放电（PD）。）。变压器故障的有效检测项目变压器故障的有效检测项目8.3 变压器局部放电的在线监测29四种典型局部放电形式四种典型局部放电形式当A=1时，从左到右依次为单指数衰减、单指数振荡衰减、双指数衰减和双指数振荡衰减。30(a) 典型非振荡信号时域图(b) 含噪声非振荡信号时域图(c) 典型振荡信号时域图(d) 含噪声振荡信号时域图典型局部放电波形与实际波形对比典型局部放电波形与实际波形对比31局部放电检测与诊断方法32套管换油伐接地线检测传感器检测传感器变压器内部绕组结构示意还

8、需解决的问题：1）局部放电电磁波传输机理；2）检测放电的有效性；3）PD产生的EMW经过绕组间隙了么？4）EMW在传输路径的衰减？5）局放如何标定？6）局放如何定位？7）局放危险性如何评估。33PD产生电磁波信号的传播机理研究产生电磁波信号的传播机理研究单绕组模型实验室模拟FDTD计算模拟34PD信号的传播过程的试验结果对比信号的传播过程的试验结果对比35差分法测局部放电（I）差分法测局部放电（II）电-超声联合法 超声局放测量以超声找DGA异常位置为什么测局放用UHF法 去除电晕等干扰 外界电晕噪声350MHz，而局放可达1GHz 灵敏度高 反应速度快 可自动选择高信噪比频带 可带电安装传感

9、器42UHF UHF 局放测量局放测量局放测量分析和危害评估的难点：局放测量分析和危害评估的难点： 内部放电源？ UHF测量：PRPD (相位分解局放测量)、屏蔽、频率分析 局放视在电荷pC？定量？ UHF测量 目前与pC之间没有相关性（研究中）?ZL=50?f50?UHF-Measuring UnitTank wall PDSensorUHF 局放测量局放测量(3003000 MHz)U / mV t / ns500kV主变的实测效果例在400800MHz时，信噪比约为50dB，局部放电的检测灵敏度可达100pc以下UHF测局放实例故障之一局放量6000pC，UHF图谱如上。解体发现系由于静

10、电屏蔽焊接不良造成电位浮动产生：UHF测局放实例故障之二修理后试验，发现仍有明显放电（4000pC局放量），超高频法也有明显放电存在。表明此变压器有一个以上的局部放电源，返厂处理。49UHFUHF与与IEC60270IEC60270的相关性的相关性5010015020025030001020304050QIEC / pCAmplitude / mV 1o1u2o2u UHF与与IEC60270线性相关线性相关振幅，能量振幅，能量 QIEC 相关性因素取决于局放点相关性因素取决于局放点 油箱的尺寸油箱的尺寸 故障类型故障类型 传感器类型传感器类型Amplitude U / mV8.4 温度的监测

11、50传统方式传统方式： 变压器温度过高会降低绝缘性能,从而降低其使用寿命，它还有控制风机以及超温报警，超温跳闸的功能。优点优点：Pt100，结构简单，操作便捷 缺点缺点：1）模拟量输出；2）测点有限；3）无法对绕组温度进行测定；4）51光纤测温的重要性光纤测温的重要性 与传统方法的不与传统方法的不同同 在线监测在线监测 油温与绕组温度油温与绕组温度不一致不一致 冷却系统瞬时控冷却系统瞬时控制制 现场维修人员有现场维修人员有效工具效工具 热运行试验热运行试验光纤绕组测温监测光纤绕组测温监测光纤绕组测温安装光纤绕组测温安装54温度计（传感器端部）安装温度计（传感器端部）安装 在线圈或线圈套筒处理之

12、前安装改良支撑、合适的支架以保护光纤电在线圈或线圈套筒处理之前安装改良支撑、合适的支架以保护光纤电缆缆 为了便于安装，需要将套筒磁极尾的末端进行适当的改动为了便于安装，需要将套筒磁极尾的末端进行适当的改动 完整撑条必须安装在临近最热点的撑条中，更换原有的盘式绕组。合完整撑条必须安装在临近最热点的撑条中，更换原有的盘式绕组。合适尺寸的楔形撑条是必须的适尺寸的楔形撑条是必须的55光纤绕组测温安装光纤绕组测温安装56设备设备运行运行动态动态负荷的关系负荷的关系02004006008001000120009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:00MVA0102030

13、405060708090100110120DG RUDD T 230H500 3A MVA/DG (Sun 2004-07-04 08:00 - Mon 2004-07-05 08:00)MVATDG-ATDG-BTDG-CTDGHDG-AHDG-BHDG-CHDGHotspotTop OilLoad绕组分布式温度和应力测量技术581.绝缘强度降低绝缘强度降低击穿电压降低局放起始电压降低2.水解作用加速固体材料老化水解作用加速固体材料老化 机械强度降低 3.较湿的纸板析出气泡较湿的纸板析出气泡 绝缘系统中水分含量非常重要！绝缘系统中水分含量非常重要！水分的作用水分的作用8.5 含水量的监测变压

14、器中水分的来源变压器中水分的来源 残留水分p厚绝缘的组成部分可向周围的油释放水分 侵入水分p密封薄弱p自由呼吸式缺少干燥剂p内部检查p分子流 (微量) 绝缘物质分解变压器油和绝缘纸对水分的吸收能力变压器油和绝缘纸对水分的吸收能力 绝缘纸可以吸收10%自身重量的水分 (100000 ppm) 水在变压器油中的溶解度很低；在饱和状态， 油中水分小于 50 ppm 相对于变压器油，绝缘纸可以吸收2000倍的水分变压器中水分主要在固体绝缘系统变压器中水分主要在固体绝缘系统Oil90%Thick5%Thin2%Winding3%Insulation Weight DistributionThick55%

15、Thin22%Winding22%Oil1%Water Distribution变压器中水分分配实例变压器中水分分配实例变压器中主要水分存在于固体绝缘中变压器油中水分含量的改变不会导致纸中水分成比例的变化25MVA:63析出气泡的温度析出气泡的温度与含水量有关与含水量有关变压器绝缘的老化变压器绝缘的老化绝缘纸的劣化纸中水分的影响变压器水分测量方法变压器水分测量方法 油纸水分平衡曲线油中水分确定 Karl Fisher滴定法 油纸水分饱和特性油中水分确定 在线电容型传感器 纸板响应特性纸板水分确定 FDS RVM, PDCKarl Fisher滴定法滴定法 Sampling Uncertaint

16、y of KFT Literature sources Absorption capacity Aging 5,816,215,28,912,219,87,50510152025USBCDEFGMoisture in oil (ppm)滴定法的不确定性Round robin tests at oil/paper samplesWidely scattered resultsWater content (Oommen curves): 2,6-5,2 % true value 1,9 % CIGR Task Force固体材料水分含量估计固体材料水分含量估计滴定法的结果对比滴定法的结果对比电容型

17、传感器电容型传感器70电介质响应测量方法电介质响应测量方法油箱保护高压绕组低压绕组高压电源主绝缘电流表物理性质测量物理性质测量:纸板及绝缘油的导电率界面极化影响因素影响因素:绝缘几何尺寸温度受潮程度可导电的老化产物71时域及频域的方法时域及频域的方法时域：时域：极化/去极化电流(PDC)频域：频域：频域谱法(FDS)缺点：缺点： 低频段水分估计低频段水分估计 测试时间测试时间0,0010,010,11100,0001 0,001 0,010,11101001000频率 (Hz)tan高 低 高 高 低 低纸板中的水分绝缘几何尺寸油电导率0,1101001000110100100010000 时

18、间 (s)I ( (nA)1低 high low 油电导率高 IdepIpol绝缘几何尺寸 72测量时间的选择测量时间的选择典型情况典型情况:干燥变压器或者低温环境 0.1 mHz, 2:50小时中等受潮变压器及环温适中 1 mHz, 22分钟受潮变压器或高温环境 0.1 Hz, 5 min足够数据点足够数据点 73德国对油中饱和湿度的建议德国对油中饱和湿度的建议设备的电压等级170kV72.5kV170kV20时，油中饱和湿度20250 Simoni, Ramu, Montanari, Crine, etc0510152025303540458090100110120140Temperatu

19、re()ageing factorC6C9812V C8C9812V 纸板热老化纸板热老化变压器寿命评估技术 基于固体纸板材料的机械特性 聚合度 (Degree of Polymerization, DP) 抗张强度(Tensile Strength, TS) 基于老化分解产物 CO、CO2 油中糠醛含量(Furan) 油中丙酮含量(Acetone) 基于固体材料含水量81WhiteBlackRedYellowBlueGreenE*abL*L*A : Standard colorB : Samples colorA : Standard color of the same lightness as BCIE 1976 L*a*b* color spaceColor difference (E*ab)