【《电力变压器运行维护与故障处理分析》11000字】

第第第二章电力变压器的工作原理2.1变压器基本结构总体来说，油箱、绕组、铁心等是变压器的主要组成元件，并且变压器的种类也是多种多样的，本文选择了油浸式变压器为研究对象，并对其基本结构进行了以下讨论。2.1.1铁心变压器最主要的组成零件就是铁心。变压器一次侧、二次侧线圈均绕在铁芯中，当电流通过时，将会产生磁通，其变化将导致损耗，为减少这一损失，我们用几块0.35-0.5mm厚的电工钢片，逐层叠放，构成了变压器的铁芯，并在两面都涂上了绝缘材料。在大容量变压器中应用最广泛的一种绝缘钢板为冷轧板，具有低损耗和高磁导率两大特点。心式是一种常用的变压器铁心，它的两个重要的组成元件，一个是两个表面缠绕着绝缘铜线的铁心柱，另一个是两个用来连接两个铁心柱的铁轭。在铁芯柱上还设置了一个线圈套筒，该线圈套筒的主要功能是根据需要来完成磁路的闭合。在心形结构中，将磁轭和铁心柱的连接采用了重叠的形式，使得每一层的连接处都不在一个地方，以保证激励电流不会过大，但也存在着一些不可忽略的缺点，比如复杂度高，制作起来费时费力。2.1.2绕组对于变压器而言，绕组就是通常所说的电路部分，输送电能是该部件的基本作用，主要包括一次侧绕组，二次侧压绕组。线圈是指若干个按照一定规则连接在一起的线圈，一般是用缠绕在一起，起到一定的绝缘作用的铜导线制成。在低电压情况下，高电压线圈的截面变得更小，并且有更多的匝数。在电力系统中，线圈的力学强度、耐高温程度是决定变压器寿命、稳定性的重要因素。常见的线圈形式有两种，一种是同心型，另一种是交叠型。前一种方法是将一个相对独立的高低压线圈在磁芯柱上绕制在一起；后者是指高低压线圈在磁心柱上的交替排列，并呈现出交互重叠的线饼状。2.1.3油箱及附件油箱通常被装在油浸变压器内，外壳就是油箱。变压器的升压和降压，都需要依靠变压器内的线圈来传递，在传递的过程中会产生热，而要保证变压器能够在较低的温度下工作，最常见的办法就是增大散热面积。为了达到这个目的，大容量的变压器就必须配备一个管式油箱，也就是在油箱的外面安装一个散热管，当油温的升高和膨胀时，热油的高度会升高，并流入到油箱的上部，再经过散热管对其进行冷却，油位高度会降低，并流入到油箱的底部，这样就会形成一个自然循环，将热量释放出来。为了对变压器中的油量进行有效的控制，一般都设置了储油柜，储油柜与油箱之间经输油管道相连。储油柜位于油箱的上部，并通过输送油管与油箱相连。为防止储油柜内的油过多，在储油柜内设置一个泄油阀，以泄出变压器的油；为了避免储油柜中的油料减少，所述储油柜的上部设有加油栓，可补充变压器油。储油柜将油箱内的空气和外界隔离开来，使油氧化和吸水的区域缩小。通过热胀冷缩原理，将储油柜内部油面高度控制到指定高度，变压器内的油温度上升时受热膨胀，把变压器油压进储油柜内，使油的表面上升，气温下降后遇冷收缩，变压器油回流油箱，油面下降。储油柜侧面设有油位计，可以观察油面高度变化情况。另外，为了不使空气流入油箱而造成油质恶化，另外，在储油箱内还设有一个吸湿器，它主要是作为一个空气过滤器，外界的空气在进入储油箱内之前，必须先通过吸湿器干燥，这样就可以防止由于空气对油的污染。当运行变压器发生故障时，如果油箱内存在着气体，我们在油箱和储油柜之间安装了一个气体继电器，气体继电器会自动地进行工作，从而导致所设的开关会自动地跳开，从而将变压器的电源断开，或者是发出某种的故障信号。提醒工作人员以最快的速度处理故障。变压器线圈的两端都用导线穿过绝缘体引出至外界。变压器上有一层类似于绝缘体的陶瓷外壳，它和导体外壳一起，组成了变压器的绝缘外壳。绝缘套管的下部设置在变压器油箱中，而导电杆的顶部则是用一种像设备线夹这样的连接材料与外部的输电线路相连接，油箱内的和绕组之间的联接。2.2电子变压器工作原理电力变压器属于一种电力传输和配电设备，它将电子功率变换器（整流器，逆变器）和高频变压器相结合，以实现电力转换，电力传输和系统隔离的基本功能。鉴于当前电网中所用功率装置的容量及阻抗均低于输电装置，预计其在配电网中的应用将会更加广泛。图2.1是电力变压器工作原理。图2.1电力变压器的基本原理如图2.1所示，为了保证配电网中的变换器与传统的变换器的一致性，将一次侧的变换器和相应的高频变换器分别定义在初级侧；与负荷端相联接，所述的高频变压器相应的线圈被限定在次级侧，并通过所述的高频变压器来联接。该变频器的基本工作原理为：在初级侧，母线的高电压经由电子变频器转化为高频交流方波。由于铁心物质的饱和磁感应强度与变压器的工作频率成反比，所以，将初级侧的功率变换器提升，可以提高铁心物质的利用效率，从而减小变压器的体积和空间。通过高频绝缘变压器，对高频方波进行了变换。它与PET的二次端连接。次级侧功率转换器在转换成用于提供负载使用的低频工频交流电流。初级侧总线供电电压的大小与次级侧输出电压的大小之间的比率被叫做电子电力变压器变比。要实现传统电子电力变压器的基本功能，其核心是利用转换器来实现对电流振幅及频率的控制，而高频变送器则能实现对常规变送器的电隔离。第三章变压器在运行中的维护和检查3.1变压器在运行中的要求按照GBT50062-2008《继电保护和安全自动装置技术规程》4.1.2中的“继电保护设备应满足四项基本条件：可靠性、选择性、敏感性和速度[1]。”从上一章节中得知了变压器的数据：一家小型工厂，其高压侧电压为10KV,2台Dyn11耦合式的油浸式变压器，其容量为500KVA。在GBT50062-2008《继电保护和安全自动装置技术规程》中有这样的要求：“6~10KV的厂房变电站的变压器，应该安装下列保护[1]。”(1)400kVA以上的变压器，在单独运行或多台一起运行时，用作其它负荷的后备供电时，应设置过载保护。根据《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，提出了一种500kVA功率的变流器，该变流器在该变流器上装有过载保护。(2)400KVA及以上的厂房和800KVA的户外油浸变压器，均需安装气体防护装置。煤气保护的核心是煤气继电器。放置在油箱中间，油枕中间，产生的瓦斯产生在其内部，使瓦斯继电器产生感应。针对变压器油箱中气体流量大，流量大，需设置气体保护器的情况，本设计采用了油浸变压器。(3)10KV厂房配电所的主变，在其高压端设置时限过流保护器。将出现故障时，流经保护设备的电流与设定值进行对比。该保护主要是在变压器外部发生过电流时进行保护，也可作为变压器内部故障的邻近器件的备用保护。该保护适用于所有安装了过电流保护装置的低压电力系统和线路。在10KV的变压器上安装有时间限制的过流保护装置，以防止因外部故障引起的过流。(4)在变压器内部油管、引出线发生的、电压不超过10KV、容量不超过10MVA的情况下，设置电流速断保护。这种保护的保护范围是为了防止短路危害程度本设计电压为10KV，容量为500KVA，必须安装快速断开保护装置。(5)将低电压单相短路保护装置设置于该变压器的低电压端。低压单相短路保护主要包括：熔断器保护、三相都带有过电流解除器的低压断路器保护、零序过电流保护。(6)为避免漏电，必须安装变压器壳体的接地保护装置。用于保护的部件是接地保护线。(7)为使电力变压器能够正常工作，必须安装防雷保护器，以防止雷电对变压器造成损害。因此，在该方案中，对变压器保护的主要形式为：过载保护，气体保护，过流保护，电流速断保护，零序电流保护，接地保护，防雷保护。3.2变压器的允许运行方式（1）要实现变压器的经济运行，首先要保证其安全运行，在现实生活中，这两个方面是相互促进的，这是由于随着电力消耗的减少，变压器的工作温度也随之下降，这样就保证了变压器的安全供电。（2）对所述切换进行重复操作的次数应该进行控制。若确实需要切换开关以达到经济运转，则应预先配置一个具有较长起动周期并可正常工作的负荷，或设定一个关键工作区。（3）在节能问题上，错误的认识和行为应该被修正。例如，一般人都认为“大马拉小车”会无端消耗30%-50%的电能，所以应该尽可能选择小容量的变压器，或者减少配置的变压器个数，但是这种做法不但很难真正的节电，还会增加用电量。3.3变压器在运行中的维护和检查（1）对变压器上部的油温度进行检测，看是否超过了规定的温度。由于每个变压器的负载，冷却情况随着季节的不同而不同，基于以上情况，油层温度非但不应高于允许值为依据，并在前人工作经验之上，和上一次油温相比。若油温骤升，为了确定变压器内部的故障，还应检查冷却器的工作情况，循环油的损坏情况等。（2）检查油质要透明，黄色小油条可以判定油质优劣。油位要与环境温度标准一致，如果油位太低，要检查变压器有无漏油现象。若音频适配器有问题，则可能是接线错误或接触不良。音频适配器一定要正常。在平时的工作中，通常甚至会有电磁嗡嗡声。如果声音有任何变化，必须认真查看，并向当班汇报，并马上通知维修部门。（3）检查轴瓦清洁度，没有裂痕，没有漏气，散热设备完好。（4）如遇气候改变，须作特殊检验。在大风天气下，要注意导线的摇摆情况，并注意变压器的顶盖、套管和导线上没有任何杂物。在下雪天，任何与之相联系的部分，在降雪之后，都不会马上溶化或流出。在大雾天气下，各剖面均出现了火花放电等现象。第四章变压器的不正常运行和故障处理4.1变压器运行中的不正常现象及其分析（1）当变压器在运行过程中，如果发现有漏油、油位高低不一致、温度异常、声音异常、制冷系统异常等现象，都要尽早进行处理。（2）如变压器负载超过了一般的额定负载，则应依有关规定适当降低其负荷。（3）在变压器中出现噪声过大，异常过大，爆炸和温度异常，且有升高的迹象。油箱或安全阀；油面泄漏的情况下，油面会降到油面以下。油脂变色过快，炭在油脂中形成。如果套筒破损严重，出现漏油现象，必须马上切断电源进行维修。（4）如遇变压器机油温度上升，油面显著低于正常值，必须及时补充机油。加油要按规定进行。如果由于大量漏油造成油面快速降低，则应把煤气防护改为只作参考用，并应及时采取防止漏油的措施并及时补充燃油。（5）当变压器的油面因温度升高而逐渐升高时，如果存在着在最高温度超过油面指示的情况，那么，就需要对其进行排放，以便油到适当的高度，以避免漏油。4.2变压器故障及其处理4.2.1电路故障此处所说的短路故障指的是变压器出口处因种种原因造成短路现象，将在下文中具体探讨：（1）短路电流引起绝缘过热故障变压器正常工作时，若突然发生短路问题时，绕组中会有较大短路电流通过，它的值约为额定值的数十倍，随后会散发很多热量，使变压器温度升高。如果此时变压器的性能不够稳定的话，变压器的绝缘材料就会受到影响，轻则影响绝缘性能，重则发生击穿事故。（2）短路电动力引起绕组变形故障当变压器在运行中发生故障时，如果故障电流很小，则电网中的继电保护设备均能正常动作，从而起到保护线路的作用。反之，如果短路电流过大，则可能导致继电器不能及时动作，这时，绕组就会发生严重的变形，甚至是损坏。当线圈出现微小的变形时，必须立即维修，否则，由于长时间受到短路电流的影响，在多次冲击下，将会对变压器造成损害。因此，要提高变压器的耐受短路性能，就需要根据变压器的实际情况，确定合适的维修时间。对出现故障或事故的变压器进行了分析，结果表明，线圈的变形是造成变压器故障的主要原因。当变压器出现了较大的变形，却没有被发现而一直在运转时，就有可能引起断电等事故，严重时甚至会导致变压器报废。造成线圈变形的原因有很多种，比如绕组机械结构缺乏足够强度或无法承受内、外冲击力，以电动力作用最为显著。4.2.2磁路故障当磁路发生故障时，会产生不同程度的放电，从而产生局部放电、火花放电、高能量放电等现象。（1）变压器局部放电故障局部放电是在一定的电压作用下，在一定的电流强度下，在空气间隙、油膜或导线的边缘发生的一种非贯穿性的放电。因为放电的能量不同，所以生成的气体也不同。目前，常用的检测手段有电法、超声波法和化学法。（2）变压器火花放电故障在放电能量密度＞10-6C数量级时，将产生一次闪络放电。这其中有两个原因，一个是因为悬浮电位，一个是因为油中的杂质。下文将详细解释：1)悬浮电位引发的电弧：在电力系统中，某些设备的金属结构在制造过程中可能会发生故障，再加上设备的运输和长时间的机械运行，很有可能会发生故障，导致设备在高压和低压之间发生故障、发生短路，此时对地电位就是悬浮电位。这些部件周围都是高强度的磁场，所以周围的固态介质都会被烧毁，或者被碳化。在高电势和低电势两种情况下，都会发生悬空放电。2)含杂质的油：油中含有杂质时，由于润滑油中含有杂质而引起的火花放电，其故障几率远大于悬空电势，这里所称的杂质，包括水分、纤维等。从有关数据可以看出，水的介电常数远大于变压器油。在一个磁场中，首先产生极化的，是含有杂质的油脂，在磁场的作用下，会受到磁场的影响，向着电极的方向靠拢，并且以一种类似于桥梁的形式，被称为“小桥”，其介电常数大于变压器油脂，导电性也高于变压器油脂，从而导致磁场在油脂中的扭曲。再一次，因为光纤的介电常数很大，油中电场也随之增大，这时变压器油受场强影响呈游离状态，在这种状态下，会有气体生成，由此又引起了大量气泡，由于这些气泡的存在，油则游离得更严重，如此循环往复，变压器油箱内就会有很多气泡，油脂、气泡产生气体通道，油分子间由此而产生空隙，在此条件下，极易产生火花放电现象。这表明当电压很低时存在火花放电故障的可能性。按道理火花放电故障较易检测，加工也比较方便，但需始终关注其发展程度，避免绝缘击穿。（3）变压器电弧放电故障电弧放电也可以说是一种高能量放电，其生成能量密度非常大。现阶段，一般的电弧会产生对地闪络、绕组匝层间的绝缘破坏等现象。在电弧放电失效之后，因为能量的高度集中，所以会迅速地产生出一种气体，而这种气体引起的放电，就会产生一种电子崩，这种电子崩会以一种特殊的方式，撞击在绝缘层上，固态的纸张绝缘因为承受不住这种撞击，就会被烧毁，金属也会受到这种撞击而受到伤害。故障严重时还会烧损设备，甚至引起爆炸事故，因为难以预测，所以常常会突然爆发。综合以上3种放电故障，可发现，它们既相互关联，也相互区别。所不同的是，在出现故障的情况，三者在放电过程中能量密度不同，除其生成气体成分的类型及数量亦不同。联系则为火花放电与电弧放电都是由局部放电演变而来，两者之间存在某种因果关系。变压器出了问题就不是瞬间的，而是慢慢发展而来的，所以通常一个时刻内存在着好几种故障，但也不排除只有一种故障的情况。因此，我们需要根据具体情况然后做出相应的判断。4.2.3绝缘故障（1）固体纸绝缘故障绝缘垫、绝缘绑扎带、绝缘卷、绝缘板、绝缘纸与其它构成固态纸绝缘，固态纸绝缘是油浸式变压器中最重要的部分。其由纤维素构成，其中为纤维素的聚合度。新脂的通常是一千三百左右，当变为二百五十左右时，它的机械强度会大大降低，大概低于新纸的一半，当为150～200时则表示纸极度老化。当绝缘纸老化后，会产生水，一氧化碳，二氧化碳，以及糠醛等物质。极易造成电器设备的损坏，并对其内部的金属进行侵蚀。在长时间的使用中，纤维原料不可避免地会发生聚合程度降低，出现收缩，甚至脆裂的情况，从而造成纸张纤维的劣化。固体绝缘的老化是不可逆的，变压器的寿命是由绝缘材料的寿命来确定的，所以，在选择变压器时，必须要综合考虑多个因素，既要有好的机械性能，也要有好的电气绝缘性，另外，还必须有好的老化特性。（2）液体油绝缘故障在变压器中，液体绝缘属于油绝缘。目前使用的油浸变压器，其主要特点是：具有较高的电绝缘强度，设备小巧、轻便；导热性能好，散热性能好，冷却效果好；内层氧化缓慢，延长了变压器的使用寿命。一般情况下，在变压器中使用的绝缘油，是通过一步一步地提取精制而得到的。然而，所制取出来的绝缘油并不纯净，其中还含有很多的杂质，除去这些杂质的主要成分是多种碳氢化合物。树脂和酸，这些组分都不稳定，在外界因素作用下，持续氧化。随着时间的推移，绝缘油氧化过程通常较慢，若保养好可使用二十年，不会老化，但油中通常掺杂有金属，杂质及气体，它们会加速润滑油的氧化速率，导致油变质。变压器油质量随时间变化而变化，一般经过“污染”和“劣化”两个阶段。在变压器中，由于含有大量的湿气及其他杂质，可能会使变压器油受到污染，但这与其发生氧化没有任何关系。油被污染后，第一个影响的是绝缘，第二个影响是油的击穿场强。油在经过了氧化之后，很快就会进入劣化阶段。在这个过程中，除了指纯油脂中的碳氢化合物发生的氧化反应之外，还存在着因为油中的杂质而导致的氧化反应速度突然增加的情形。此处所说的杂质主要是一些金属粉屑。如今使用的全封闭式变压器其实并不能达到理想状态，它的内部仍然存在着极少量的氧，氧特别容易溶解，所以它在油溶解的气体中占比很高。4.2.4瓦斯保护动作处理主变压器采用气体保护，以轻气体为信号，重气体作用于跳闸。对发生故障的原因进行了分析，并提出了解决办法：（1）对发生故障的信号进行了检测。分析了造成这一现象的原因，认为其主要原因为：变压器内部有小故障。当变压器内的二次电路出现故障时，操作人员应及时对其进行检测，如有异常，则要对其进行采样和分析。(2)在瓦斯保护动作跳闸时，可能发生变压器内发生严重故障，导致机油中大量瓦斯溶解，或二次电路发生故障。当发生瓦斯保护跳闸时，必须首先安装好备用变压器，然后进行外检。检查防爆油垫板有无裂缝，焊接处有无裂缝，变压器壳体有无变形。在变压器自脱扣时，要确保保护动作，并进行外检。如果经过排查，发现不是内部故障，而是外部故障（断路故障），或者是人为的操作，那么就不需要进行内部的检查，也就是输入电源。如果采用差动保护，则对被保护区域的全部装置进行检测。另外，由于变压器内的易燃物质较多，如不能及时处置，极易引起爆炸或火势蔓延。引起变压器着火的主要因素有：套管破损、闪络、油垫压力下的油液流动及顶帽烧蚀等。由于变压器内部的缺陷，造成了外壳和散热器的破损，从而引起了变压器的燃烧量超标。当出现这种情况时，应启动变压器保护装置，使其断路。如有任何情况下，断路器无法打开时，必须用手将其关闭，并将会造成电力供应中断的开关拔下，将冷却装置关闭，并将火焰熄灭。当变压器熄灭后，泡沫灭火器在需要时是可取的，可以用砂子来完成隔绝灭火。第五章变压器的经济运行变压器的容量、型式、接线组别、额定功率、额定电压以及其他一些重要的参数，这些都是用公式来进行分析与计算的基础。所以，我们使用了变压器工作时的各项参数，并对其进行了计算，来比较在何种情况下，变压器的总损耗较低，也就是可以实现经济的运行。同时，在供电方面，减少电网损耗最主要的方法是让变压器实现经济运行。因此，应根据前人研究理论成果与变压器负载波动数据及变压器综合功率损耗与综合损耗率相结合，分析和计算有关的资料，以选取变压器的最经济运行模式。5.1运行应注意的问题（1）要实现变压器的经济运行，首先要保证其安全运行，在现实生活中，这两个方面是相互促进的，这是由于随着电力消耗的减少，变压器的工作温度也随之下降，这样就保证了变压器的安全供电。（2）对所述切换进行重复操作的次数应该进行控制。若确实需要切换开关以达到经济运转，则应预先配置一个具有较长起动周期并可正常工作的负荷，或设定一个临界工作区域。（3）在节能问题上，一般人都认为“大马拉小车”会无端消耗30%-50%的电能，所以应该尽可能选择小容量的变压器，或者减少配置的变压器个数，但是这种做法不但很难真正的节电，还会造成用电量的增加。5.2变压器的功率损耗5.2.1有功损耗就变压器而言，它的有功损耗可以划分为铁耗和铜耗。前者又称为空载损耗，与铁心材料有关的涡流和磁滞损耗是其最重要的组成因素，可以看出，负载大小不会影响铁耗，要想减少铁耗，必须选择低损耗的铁心。在变压器电力系统中，由于肌肤效应，电流会在导线横断面上不均匀地分布，从而增大了电能损耗，这一部分的损耗和副绕组所形成的直流电阻损耗共同组成了铜耗的重要成分，所以，要想减少铜耗，就得对负载的电流进行控制，即，变压器的运行电流不能大于其额定负载电流。有功损失的计算公式是：ΔＰ＝Ｐo＋β2Ｐk（1）5.2.2无功损耗造成变压器无功损耗的原因有两个，一个是漏磁损耗，另一个是电流损耗，后者与负载电流呈明显的正相关，因此通过控制负载电流来降低漏磁损耗；能量消耗与磁芯材料有很大关系，所以在设计磁芯时，必须选择材料中的能量消耗较小的磁芯。5.2.3变压器功率损耗的计算变压器的综合功率损失指的是无功损失与有功损失的总和，如果是双绕组变压器，利用公式（2）可以得到其综合功率损失：ΔＰz＝Ｐoz＋β2Ｐkz(2)其中：ＰＯＺ＝ＰＯ＋ＫＱＱoβ＝Ｓ／ＳＮ；ＰＫＺ＝ＰＫ＋ＫＱＱＫ在以上几个公式中，——表示时间段；——时间段内，变压器平均负载系数；——空载损耗，以KW为计量单位；——额定容量；——空载综合损耗，其单位为KW；——励磁功率；——无功经济当量；其单位为KW／KVar；——漏磁功率；——负载损耗；——时间