《电力变压器常见故障的机理分析及诊断方法分析》5200字

2电力变压器常见故障的机理分析及诊断方法分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u204092电力变压器常见故障的机理分析及诊断方法分析综述 1302191.1变压器类型及常见故障分析 1298561.2变压器油中气体的相关机理 4289121.3变压器内部故障与特征气体的关系 6281041.4基于油中溶解气体分析的故障诊断方法 7电力变压器的工作常暴露与自然环境中，各部件会受到化学、热、及自身内部电的影响积累因素，往往将故障归结为机械、化学应力、环境因素、热应力几个方面[23]。在日常运行的过程中，由于高温、放电、氧化等不良诱因对固体绝缘材料产生不良影响，使其在多种因素的作用下老化分解，进而产生一定的烃类气体和氧化类气体，且大多具有可溶性，正常运行的情况下各气体元素均在规定范围值内，而当变压器内部产生故障或潜在故障时，产气速率加快，超出正常允许标称值。由于电力变压器一般采用油浸式变压器进行散热和绝缘，伴随着故障的发展，气体含量产出增加并最终溶解在变压器油内。1.1变压器类型及常见故障分析1.1.1电力变压器类型电力变压器是根据电磁感应原理来变换交流电压(电流)的枢纽装置，依据容量及使用环境的不同产生各种分类，详细分类如图2-1所示；图2-1变压器分类Fig.2-1Transformerclassification由上表可知电力变压器的实际类型多数为油浸式变压器，该型式的变压器成为电力系统中涉猎最为广泛的类型。基于电网发展现状，本文将以油浸式电力变压器为基础展开研究。1.1.2电力变压器故障原因分析变压器在实际运行中的故障依照故障发生的特点，可将故障类型有如图2-2划分：图2-2变压器故障划分Fig.2-2Transformerfaultdivision变压器故障的具体类型划分方式较多，按照性质划分可总体归为：放电故障和过热故障。（1）过热性故障所谓过热故障是当带电运行的变压器在能量转移的过程中所产生的电损耗以热效应形式，以局部过热或内部过热发生在变压器绕组、铁心等部位，发生过热故障主要是由三方面引起：一是因为绕组短路及过负荷引起的过流发热的导体故障，二是因为由于焊装原因引起的导引线及分接头开关接触不良故障，三是由于漏磁引起的磁路故障[25-26]。发热时绝缘材料可溢出烃类气体，尤其故障部位，热量散发少，但甲烷气体的含量较高。最终烃类气体除乙炔以外，均有产出。随着温度的逐渐升高同时会有CO及CO2的溢出。变压器发生过热性故障存在一定的时延，在故障初期不会立即影响变压器的运行状态，只要及早的发现故障，并清除故障，就不会对变压器本身造成伤害。实际的生产中，往往由于变压器过热性故障特征不明显，存在一定的潜伏期，使得运维人员在在巡检过程中不易发现问题，从而导致由长期发热引起的绝缘老化、零部件烧坏等。变压器的过热性故障可根据局部温度点进行详细划分，如下表2-1所示。表2-1过热故障的具体划分Tab.2-1Transformerclassification（2）放电故障所谓放电故障是指依据电能量密度不同，当受到电应力的我作用时，产生绝缘劣化的现象[27]。通常放电性故障通过两种方式对绝缘造成损伤，即直接破坏和间接破坏。直接破坏，放电时的高能电流从局部对绝缘整体进行损坏，直至绝缘击穿为止；间接破坏是因为放电时的电化学反应作用，裂解释放出O3、NO等活性气体具有腐蚀性，对绝缘造成损坏增加损耗。发生放电故障时，依据放电能量的大小具体细分三种情况即：电弧放电（高能放电）、局部放电（低能放电）、火花放电（低能放电）。电弧放电电弧放电是由于局部电能量高或短路原因所造成的故障，放电时产生的高能量电子破坏电解质，损坏绝缘并裂解出可燃气体，产期速率高且产气量大，成分多为乙炔和氢气，少量乙烯和甲烷。故障多以绕组匝间击穿、对地闪络、阴险断裂等形式表现，严重时可能会发引起金属材料融化变形从而引起爆炸等恶性事故。这类故障在雷暴天气因素下极易诱发，由于变压器在遭受雷击时引起绝缘击穿导致电弧的产生。局部放电局部放电是一种非贯穿性放电，容易发生在导体尖端和边缘及绝缘内部的油膜、气泡等位置，当高压场强作用于多个此类位置时，尽管局放能量较低，随着时间的推移，逐渐发展形成循环放电，对设备造成损伤。故障时长生气体成分较为固定，氢气含量最多，当放电密度升高时，逐渐产生总量不超2%的乙炔，这一特点也是区别与其他两种放电形式的不同之处。（3）火花放电火花放电是由电位差或导体接触不良引起的间歇性放电故障，其放电时能量密度较低，不易发现且绝缘击穿的时间较长和氢气组成，该成分与电弧放电时产生的气体一致，总烃含量较低。1.2变压器油中气体的相关机理1.1.1油中溶解气体的来源油内溶解气体量的多少一定程度上影响着油色谱分析的总烃含量，溶解在变压器绝缘油内的气体组分以下三个部分构成[28]：（1）源于正常运行时变压器油内产生气体对于变压器内部绝缘油和固体绝缘介质常常因为温度、水分等因素的作用，及铜和铁等金属材料的催化作用而产生氧化及裂解等反应，其中氧化物多以一氧化碳CO、二氧化碳CO2成分最多，其次含量较多的由氢气及烃类物质气体，出现正常劣化的情况下会产生少量气体，且含量低于规定的安全标称值。（2）源于空气通常变压器内的油中溶解气体的组分均源自于空气，由72%的氧气O2和27%的氮气N2及1%的其他气体共同组成。当环境条件达到101.3kPa，25℃的环境下，空气在油中饱和度为11%，由于氧气O2在油中溶解度比氮气N2高，导致气体的成分比例与空气的实际组成成分比例并不相同，其中空气中N2含量为79%，O2含量为20%。（3）源于变压器在故障运行时产生的气体当变压器内部存在潜伏性故障运行时，绝缘油可不受温度影响在强场作用的下会分解出气体，下表2-2、2-3分别所示为25℃左右和230℃-600℃时下，电场能量为130V/cm时变压器油作用后产气的成分量。表2-225℃时电场作用产气成分（体积%）Tab.2-2Gasproductionbyelectricfieldat25℃表2-3230℃至600℃时电场作用产气成分（×10-1mg/g）Tab.2-3Electricfieldactiongasproductioncompositionfrom230℃to600℃1.1.2油中特征气体的产生原理正常运行的变压器在长期工作的条件下，变压器内部会有少量气体溢出并溶解在绝缘油中，依据分解物与气体含量的多少将溶解气体分为两类，即为正常类气体与故障类气体。油绝缘纸等绝缘物质裂解后产生气体的主要成分由甲烷、乙烯、乙炔等烃类物质、氢气、碳氧化物组成。基于年限和工作强度的影响，不发生故障或异常运行状态，出现正常损耗或轻微老化等原因产生的微量气体属于正常类气体；当发生故障时在电和热的作用及氧化等因素下导致有机绝缘材料老化分解，此时加速产生的气体属于故障类气体。通常判断变压器是否存在故障，检测的特征气体有：甲烷CH4，乙烷C2H6，乙烯C2H4，乙炔C2H2，氢气H2，一氧化碳CO，二氧化碳CO2。绝缘材料裂解后产生的气体主要包括H2、CO2、CO及烃类气体，这类气体产生的具体原因有以下两个方面：(1)固体绝缘物质的分解油浸式变压器中固体绝缘材料包括了油绝缘纸、层压板、及固定机械结构的垫块儿等，这类物质多以纤维素分子链构成，分子结构中均包含无水右旋糖环、碳氧键和甙键。这类物质由于热稳定键较弱容易出现裂解，高温下碳氧键与无水右旋糖环最先分解后形成碳化物，在温度高于150摄氏度以上时，化合物会通过裂解碳化并有水的生成，最终生成变压器油内的烃类气体[24]。(2)变压器绝缘油分解变压器绝缘油是由各种碳氢化合物及碳碳键组成的混合化学基团，其性质主要受电能量和温度的影响。变压器内部温度升高会使得油内分子裂解，由于碳氢键和碳碳键的断裂后又经过化学反应聚合，当温度超过500摄氏度会产生甲烷、乙烯等，当有局部电弧且温度超过800摄氏度时将生成从而生成乙炔、乙烷等物质。变压器内部产生放电反应时，气体成分受放电能量大小的影响，使得碳氢键裂解后产生氢气。1.1.3油中气体的溶解过程分析当在一定的压力和温度下，电力变压器的正常类及故障类气体初期均以气泡形式存在，气泡本身具有可溶性，随着运行时间的推移，扩散程度不断增加，气体最终大多溶解于油内。气泡的溶解受到变压器运行温度、气体产生速率及气体本身的性质所影响，变压器绝缘油溶解气体的速度较慢，气体常以分子形态扩散溶解，在油气的油饱和度未达到峰值前，气体将会持续缓慢的进行溶解反应，且气体将以任意自由扩散的形式存在变压器油箱内。当发生故障等原因致使变压器内绝缘物质裂解产气速率加快时，气体将以悬浮形式从油内上升，部分气体会溢出变压器油外，此时，油中溶解气体的部分氧气和氮气等气体将被置换出来，这一过程受气泡体积大小及油液的粘稠程度所决定。当油液黏稠程度较高时，由于产出气泡在油中悬浮速度慢，有足够的时间与油液反应，使置换过程更加充分。当气泡的体积越大时，增加了与绝缘油接触的面积，同样致使悬浮速度变慢，使气体置换更加充分。这样的气体置换过程直至油中溶解气体饱和前反复进行。油中溶解气体分析法通常用于监测故障发生过程缓慢的类型，且监测效果较好，而针对突发性故障监测效果欠佳，源于当故障突发时产气速率高，此时气体的悬浮速度快，导致气泡与绝缘油接触的时间减少，气体溶解及置换量也减少。故障过程中大量气体将直接导入气体继电器内，故利用油中溶解气体分析法提取油气量小，导致故障诊断不准确，故障监测不灵敏。1.3变压器内部故障与特征气体的关系油浸式变压器故障详细划分时有：机械故障、过热性故障、放电性故障，而机械故障常以过热和放电的形式表现，所以通常以过热性故障、放电性故障二者归纳。变压器内的主要故障类型有过热性故障和高能放电故障，再者是火花放电、局部放电、“高能放电+过热”的综合性故障、受潮。据实验研究表明，电弧放电时变压器绝缘油多数产生的气体是C2H2和H2，，少量气体为CH4；局部放电时主要产生H2、CH4；油箱内的绝缘材料过热时还会分解少量CO和CO2。如表2-4将不同故障类型与特征气体关系进行总结。通常将变压器内部故障时将CH4、C2H6、C2H4、C2H2含量总和称之为总烃气体。将总烃气体与H2、CO、CO2作为具有研究价值的特征气体。表2-4各故障与气体的对应关系Tab.2-4Correspondingrelationbetweeneachfaultandgas1.4基于油中溶解气体分析的故障诊断方法首先，判断是否存在故障具有一定的标准，对于出现异常的数值才可进一步判断故障类型及故障性质。正常运行的电力变压器中，H2与烃类气体均有规定[29]，当气体含量超出表2-5时，应对气体跟踪分析。表2-5正常运行时变压器的油中溶解气体极限值Tab.2-5Limitofdissolvedgasintransformeroilduringnormaloperation故障的发生常以潜伏性故障为开端，产气速率快但气体含量整体较少，当总烃气体含量超过规定极限值，应从溶解气体产气速率角度进行故障判断。具体以绝对产气速率Ra是在正常工况下每天运行时的产气的平均值判断，即为（mL/月）其中Ci为第i次测样油中气体的浓度（i=1，2）；为两次取样时工作时间间隔；m表示油箱内总油量；p为油密度。如表2-6所示当产期速率达到极限值，需要缩短检测周期，防止故障的恶化发生。表2-6绝对产期速率极限值（mL/月）Tab.2-6Limitvalueofabsoluteyieldrate对异常气体进行进一步判断，根据多年的实践研究，油中溶解气体分析法可有效地检测内部故障，不易受到外界因素的影响，我国多半数的变压器均是基于该方式下检测故障的[30]。长期以来在变压器故障诊断的研究中总结出了一系列的传统方法，一般通过检测特征气体的浓度信息，或是利用数学方法直接或间接地判断出各气体的故障。其中运用较多的是特征气体检测法，细分为有编码与无编码两类，有编码又分为如下几类，德能堡比值法，罗杰斯比值法，改良IEC法、电协研三比值法等。下面进行简单介绍。特征气体的判断法由于绝缘材料的选取因素及故障时释放能量大小的不同，在油中对应不同类型故障特征气体的组分也不相同。通过测量气体浓度的不同，就可以简单的判断故障类型的属性，下面介绍了故障类型对应的气体浓度的关系。图2-3故障特点Fig.2-3Faultcharacteristics从上图2-3中可以看出，当过热性故障发生时C2H2气体不是主成分且含量较少，而放电性故障却遇此情况相反，故认为C2H2可作为区别热、电故障的特征气体。油内其他气体成分不变仅H2含量增加或微水分子发生电解作用时导致H2含量增加，均会同时发生放电反应，故H2是判别发生放电反应的特征气体。反应中CO、CO2的产生则认为是判别绝缘材料是否分解的特征气体。所以故障特征气体判别法简单方便，针对性强，但由于没有具体量的概念，无法对故障的严重程度进行判别，这种方法准确率较低，容易造成误判。无编码比值法我国研究人员在处理实际问题时通过对故障实力和国外模拟故障色谱数据统分析统计后，提出无编码比值法，一定程度解决了三比值法编码少问题，根据计算比值，