电力变压器在线检测与故障诊断C0502321101410909000145.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date电力变压器在线检测与故障诊断C0502321101410909000145电力变压器在线检测与故障诊断C0502321101410909000145 网络高等教育专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目：电力变压器在线检测与故障诊断学习中心： 重庆涪陵奥鹏学习中心 层 次： 高中起点专科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009年秋季 学 号： 09148120

2、9069 学 生： 冉维平 指导教师： 郑婷婷 完成日期： 2011年9月8日 -内容摘要电力变压器是电力系统最重要和最贵重的设备，它们的安全运行直接关系到电网的供电可靠性。首先，论述了研究基于油中溶解气体分析故障的重要意义，详细分析了国内外的研究现状及发展趋势。其次，研究了油中溶解气体的主要类型及其在不同故障状态下的各种比例关系原理，确定采用改良型三要素法进行电力变压器故障诊断。利用虚拟仪器提出了对电力变压器进行状态评估、故障诊断和故障预测三位一体的研究理念，仿真实验结果验证了改良型三要素法能够为电力变压器的状态维修提供理论依据，对降低电力变压器的维修费用和提高电力变压器的可靠性具有重要的理

3、论意义和实际应用价值。关键词：变压器；气体分析；虚拟仪器；在线检测目 录内容摘要I引 言11 电力变压器21.1 电力变压器故障分析装置研究的目的及意义21.2 变压器状态在线监测的发展及其现状21.2.1 国外的发展现状21.2.2 国内的发展现状22 电力变压器内部故障与油中溶解气体的关系42.1 电力变压器的结构特点42.2 电力变压器内部故障的主要类型52.2.1 绕组故障52.2.2 铁芯故障52.2.3 放电故障52.2.4 油和油纸故障52.2.5 分接开关故障62.3 三比值法的基本原理及其方法62.3.1 三比值法的原理62.3.2 三比值法的应用规则82.3.3 改良型三比

4、值法83 结束语10参考文献11引 言变压器在线监测技术就是在工作电压下对变压器中相关特征量进行实时、连续监测，将实测数据与大量积累的实验数据进行比较，及时、全面地分析判断变压器绝缘状况，发现和捕捉变压器内部早期故障缺陷，确保变压器的安全稳定运行。利用虚拟仪器提出了对电力变压器进行状态评估、故障诊断和故障预测三位一体的研究理念，仿真实验结果验证了改良型三要素法能够为电力变压器的状态维修提供理论依据，对降低电力变压器的维修费用和提高电力变压器的可靠性具有重要的理论意义和实际应用价值。1 电力变压器1.1 电力变压器故障分析装置研究的目的及意义变压器属于静止电机，它可以将一种电压、电流的交流电能转

5、换为同频率的另一种电压、电流的交流电能。从电力的生产、输送、分配到各个用电用户，使用着各种各样的变压器。对电力系统而言，变压器是一种主要设备，如果传输功率一定的话，只有将线路中的电压升高才能减小传输的电流，从而有效的减小传输线路上的损耗，并减小线路压降，从而使得远距离输电变为可能。1. 2 变压器状态在线监测的发展及其现状1.2.1 国外的发展现状国外的设备状态检修技术发展较早。七十年代末，美国电力科学研究院(EPR)就对电力设备的状态检修进行研究和应用，目前已向以可靠性为中心的状态检修(RCM)发展。口本是从八十年代开始对电力设备实施以状态分析和在线检测为基础的状态检修。欧洲大多数国家也正在

6、进行检修体制的改革，方向也是状态检修。基于计算机网络技术的设备管理、事故分析和预警系统在美国、加拿大等国家已普遍应用，目在实践应用中不断改进和完善，形成多种系统1。美国GE能源公司研制出了HYDRAN 201系列油中溶解气体在线监测装置。它包括HYDRAN传感器和电子微处理器，通过选择性气体渗透膜对可燃性气体(H2, CO, C2H2, C2H4)进行监测。HYDRAN 201 Ti智能传送器的功能有现场显示气体浓度以及气体浓度的变化率；故障报警；历史纪录；周期性传感器测试、校准、设置和自检;远程软件升级等。HYDRAN 201 Ci通讯控制器提供了HYDRAN201 Ti智能传送器的网络通讯

7、能力，采用RS485总线将现场监测获得的数据传输到本地监测诊断中心，也可通过可选的MODEM与远程计算机通讯。仪器对变压器的状态变化作早期报警。提示何时需要进行诊断或维护，防止出现设备损坏和非正常停机。可以连续监测变压器油中气体的动态变化过程，能及时反映运行设备的工作状况。当变压器油中气体的含量达到检测设备预设的值时，检测设备会及时发出报警信号。HYDRAN 103B是便携式全自动电池供电的装置。1.2.2 国内的发展现状我国从上世纪70年代采用变压器在线测试，80年代开始实现数字化测量，从90年代开始采用多功能微机在线监测。我国于1987年颁布的全民所有制工业交通企业设备管理条例中明确规定企

8、业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术现代化，原电力部颁布的发电厂检修规程中也指出“应用诊断技术进行预知维修是设备检修的发展方向，各主管局可先在部分管理较好且维修技术资料完整的电厂进行试点积累经验，逐步推广”。可见，开展状态检修技术研究是一项势在必行的工作，是检修技术发展的方向。国家电力公司为了推动我国电力行业状态检修技术的研究，批准华北电力科学研究院和西安热工研究院联合开展了“火力发电机组的状态检修技术研究”；国内其它一些电网公司和省公司对状态检修也都十分重视，所属的研究院所也都不同程度地开展了一些状态检修的试验研究工作

9、，国内的多家电力研究部门和高校已经研制出了各种在线监测装置，陆续投入到大中型发电厂和变电站进行使用。尽管现在的在线监测装置还存在有很多的问题，不过却为我国的电力自动化行业积累了很多的实践经验。上海交通大学和南方电力平果有限公司合作开发的大型油浸电力设备色谱在线监测系统获得了2002年度中国电力科学技术二等奖。油中溶解气体分析(DGA)方法源于Halstead的试验发现，通过试验发现任何一种特定的烃类气体的产生速率随温度变化，在特定的温度下有某一种气体的产气率会出现最大值2。随着温度升高，产气率最大的气体依次为CH4, C2H4, C2H4及C2H4。西安交大和清华大学也分别研制出了比较实用的故

10、障诊断系统。这些系统主要有两种形式：集中式和分散式。集中式可对所有被测设备定时或巡回自动监测，分散式是利用专门的测试仪器测量信号。目前集中式的在线监测尚存在不足之处，如，测量结果重复性较差，传感器信号失真，监测系统管理和综合判断能力不够等。2 电力变压器内部故障与油中溶解气体的关系对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，电力变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐老化、裂解，产生少量的CH4、C2H6、C2H4和C2H2等低分子烃类，以及CO、CO2和H2等气体，并多数溶解在油中。当电力变压器内部存在潜伏性的局部过热或局部放电时，就会加

11、快产气的速率。随着故障的进一步发展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流和扩散作用，就会不断地溶解，并不断地增加。一般来说，对于不同性质的故障，绝缘物分解产生的气体组分不同而对于同一性质的故障，由于程度不同，所产生的气体数量也不同。油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出电力变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映电力设备异常的特征量。通过对运行中的电力变压器定期分析溶解于油中的气体组分、含量和产气速率，就能够及早发现电力变压器内部存在的潜伏性故障，判断是否会危及其安全运行。2.1 电力变压器的结构特点充油电力变压器由绕组(一次和二次)、铁芯、油箱、高低压套管、引线、散热器、净油器、储油柜、

12、气体继电器、分接开关等组件或附件组成。变压器在运行中常见的绝缘事故大多与绕组、铁芯、分接开关和高低压套管及引线有关。 (1)绕组：绕组是电力变压器的最重要和最复杂的部件，它基本上决定了电力变压器的容量、电压、电流和使用条件。变压器的绕组由一次、二次及绕组间的绝缘、对地绝缘和由燕尾垫块、撑条构成的油道及其高低压引线构成。根据充油电力变压器的容量及电压等级，常采用的绕组有层式绕组和饼式绕组两大类。大型电力变压器的高压绕组在里层，低压绕组在外层。 (2)铁芯：铁芯是电力变压器中最重要的部件之一，它将一次电路的电能转化为磁能，再把该磁能转化为二次电路的电能，是能量传递的媒介。现代大型充油电力变压器的铁

13、芯都是用冷轧硅钢片，在铁芯柱和铁扼的硅钢片间部分交错搭接，使接缝交错遮盖，同时采用铁芯柱无孔帮扎及铁扼无孔拉带结构。 (3)引线：引线将外部电能传入到变压器中，又将其电能从变压器中输出，因此它既要满足负载电流和电场要求，又要保证变压器的结构稳定。由于引线的曲率半径小，表面电荷密度大，电场强度高，易产生局部放电，因此高压引线都采用直径不宜过小的圆导线。 (4)分接开关：分接开关用来连接和切断变压器绕组的分接头，实现对变压器的调压，使电网供给用户稳定的电压并控制潮流或调节负荷电流。变压器的分接开关分为无励磁或无载分接开关和有载分接开关。(5)高压套管：高压套管包括带电荷绝缘两部分，它与绕组和电网连

14、接，承担着不同电压等级之间的电能传输。套管的绝缘结构决定于绕组的电压等级，通常可以分为外绝缘和内绝缘。外绝缘一般为瓷套，内绝缘由绝缘油、附加绝缘和电容型绝缘等组成。2.2 电力变压器内部故障的主要类型2.2.1 绕组故障绕组故障包括各个部分绝缘的老化，绕组的受潮，绕组层间、匝间短路，高低压绕组间发生接地、断路、击穿或烧毁，系统短路和冲击电流造成绕组机械损伤或绕组内部组件变形。绕组故障主要包括:匝间短路故障，相间短路故障，绕组股间短路故障。2.2.2 铁芯故障 大量事故分析可以知道导致铁芯故障的主要原因有:铁芯组件中铁质夹件松动或损伤而碰接铁芯，压铁松动引起铁芯振动和噪声，铁芯接地不良或夹件烧化

15、，铁芯片间绝缘老化，铁芯安装不正或不齐造成空洞声，铁芯片叠装不良造成铁损增大而使铁芯发热等。主要故障包括:铁芯多点接地故障，铁芯过热故障。2.2.3 放电故障 通常放电故障按照放电能量密度分为局部放电、火花放电和电弧放电三类。在正常运行电压作用下，变压器绝缘结构内部发生非贯穿性局部放电现象，放电的部位通常在固体绝缘内的空穴、电极尖端或油中沿固体绝缘的表面等处。局部放电能量密度不大，一旦发生将会形成高能量放电，并导致绝缘击穿或损坏。当变压器内部某一金属部件接触不良并处于高、低压电极之间的部位时，因阻抗分压而在该金属部件上产生对地的悬浮电位。调压绕组在分接开关变换极性时的短暂间，套管均压球和无载分

16、接开关拔插的高电位处，铁芯叠片屏蔽及紧固螺栓与地接连松动脱落等低电位处，以及高压套管端部接触不良等均会形成悬浮电位而引起火花放电；同时变压器油中的水分、受潮的纤维等将形成杂质“小桥”而引起火花放电3。电弧放电故障具有突发性，往往造成变压器或部件烧损，甚至发生爆炸事故。2.2.4 油和油纸故障 在充油变压器中，内部绝缘的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸版、木板等主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些材料受环境的影响将发生分解而老化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。2.2.5 分接开关故障 充油变压器无载分接开关常见的故障有：当上分接头的相间绝缘距离不足且绝缘材料上堆积油泥时，若油泥受潮，在过电压

17、下将发生相间短路故障；若触头接触不良或因锈使电阻增大，绝缘支架上的紧固金属螺栓接地断裂造成悬浮放电等故障4。有载开关的故障有：因密封不严使雨水侵入而导致绝缘性能降低；过渡电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，导致触头间的电弧引发故障；因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置而造成相间短路；切换开关油室密封不严而造成变压器本体渗漏；选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形等。无载和有载分接开关的故障将引发变压器内部绝缘故障，产生故障气体，使油中溶解气体的组分含量变化。 除了上述的故障之外，还有像油箱密封不良、冷却装置故障等外部故障，这些故障通常会在变压器内部诱发相应的故障，可以被检测试验所发现。2.3 三

18、比值法的基本原理及其方法大量的实践证明，采用特征气体法结合可燃气体含量法，可做出对故障性质的判断，但必须找出故障产气体组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的依赖关系及其变化规律。为此，人们在用特征气体法等进行充油电气设备故障诊断过程中，经过不断的总结和改良，国际电工委员会(IEC)在热力动力学原理和实践的基础上，相继推出了三比值法及改良三比值法。我国现行的DL/T722-2000导则推荐的也是改良的三比值法。2.3.1 三比值法的原理通过大量的研究证明，充油电气设备的故障诊断也不能只依赖于油中溶解气体的组分含量，还取决与气体的相对含量；通过绝缘油的热力学研究结果表明，随着故障点温度升高，变压

19、器油裂解产生烃类气体按CH4C2H2C2H4C2H2的顺序推移，并且H2是低温时由局部放电的离子碰撞游离所产生。基于上述观点，产生了以CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/ C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限的反映热分解的温度范围，于是IEC将其删去而推荐采用三比值法5。随后，在人们大量应用三比值法的基础上，IEC对与编码相应的比值范围、编码组合及故障类别进行了改良，得到了目前推荐的改良的三比值法（以下简称三比值法）。由此可见，三比值法的原理是：根据充油电气设备内油，绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从5种特

20、征气体中选出两种溶解度和扩散系数相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示；根据表中的编码规则个故障类型判断方法座位诊断故障性质的依据。这种方法消除了油的体积效应影响，是判断充油电气设备故障类型的主要方法，并可以得出故障状态较为可靠的诊断。我国DL/T722-2000导则推荐使用改良型三比值法（类似IEC推荐的三比值法）的编码规则和故障判断方法。三比值法的编码规则与故障类型判断方法如表2.1和表2.2所示6。表2.1 三比值法的编码规则气体比值范围比值范围的编码C2H2/ C2H4CH4/ H2C2H4/ C2H60.10100.1-11001-31213222表2.2故障类型判断方法编码组

21、合故障类型判断故障实例（参考）C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6001低温过热(低于150) 绝缘导线过热，注意CO和CO2的含量以及CO2/CO值20低温过热(150-300)分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁芯多点接地等21中温过热(300-700)0,1,22高温过热(高于700)10局部放电高湿度、高含气量引起油中低能量密集的局部放电20，10，1，2低能放电引线对电位未固定的部件之间连续火花放电，分接抽头引线和油隙闪络，不同电位间的油中火花放电或悬浮电位间的电花放电20，1，2低能放电兼过热10，10，

22、1，2电弧放电线圈匝间、层间短路，相间闪络、分接头引线间油隙闪络、引起对箱壳放电、线圈熔断、分接开关飞弧、因环路电流引起电弧、引线对其他接地体放电等20，1，2电弧放电兼过热2.3.2 三比值法的应用规则三比值法的应用原则是：(1)只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时，气体比值才是有效的，并应给予计算。对气体含量正常，且无增长趋势的设备，比值没有意义。(2)假如气体的比值与以前的不同，可能有新的故障重叠在老故障或正常老化上。为了仅仅得到相应于新故障的气体比值，要从最后一次的分析结果中减去上一次的分析数据，并且重新计算比值（尤其是要在CO和CO2含量较大

23、的情况下）。在进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下在相同的位置取样。(3)由于溶解气体分析本身存在实验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。利用DL/T722-2000导则所述的方法，分析油中溶解气体结果的重复性和再现性。对气体浓度大于10Ul/L的气体，两次测试误差不应大于平均值的10%，而计算气体比值时，误差提高的20%。当气体浓度低于10uL/L时，误差会更大，使比值精度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种有可能降低精度的因素。2.3.3 改良型三比值法 大量实例及分析表明，三比值法存在以下不足： 三比值法推荐的编码组合由典型事故统计分析获得，由于电力变压器内

24、部故障非常复杂，在实际应用中常常出现不包括在表3.1范围内编码组合所对应的故障类型，使判断无法进行。 只有油中气体各组分含量足够高或超过注意值，并且经综合分析确定电力变压器内部存在故障后，才能用三比值法判断其故障性质。而对油中各气体组分含量正常的电力变压器，其比值没有意义。如果不论电力变压器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能对正常的电力变压器造成错误的判断。 在实际应用中，当有多种故障联合作用时，可能在表中找不到相应的比值编码;同时，在三比值编码边界模糊的比值区间内的故障，往往容易误判。 三比值法不适用于气体继电器里收集到的气体分析诊断故障类型。 当故障涉及固体绝缘的正常老化过程与劣化分

25、解时，将引起CO和CO2含量地明显增长，表中无此编码组合。此时要利用CO2/CO比值配合诊断。由于故障分类存在模糊性，一种故障状态可能引起多种故障特征，而一种故障特征也可在不同程度上反映多种故障状态，三比值法不能全面反映故障状况。3 结束语主要研究虚拟仪器技术及发展趋势，并根据国际上的新技术，以计算机和数据采集卡(PC-DAQ)为体系结构，设计了基于油中溶解气体分析的电力变压器故障判断系统。首先对基于油中气体的电力变压器故障诊断模型及测试算法进行了研究，详细阐述了系统信号调理部分的构成及实现。虽然目前三比值法应用较为广泛，但是由于故障分类本身存在模糊性，每一组编码与故障类型之间也具有模糊性，三

26、比值法还未能包括和反映电力变压器内部故障的所有形态，所以它还在不断发展和积累经验，并继续进行改良，以便更全面地反映故障信息。因此，本文决定采用加入CO和CO2含量的改良型三比值法。参考文献1 孙才新，陈伟根，李俭，廖瑞金电气设备油中气体在线监测与故障诊断技M北京：科学出版社，20032 欧小冬，王艳萍变压器绝缘在线监测系统的应用J变压器, 2008（01）46-523 幸晋渝，刘念，郝江涛，薄丽雅，陈卓电力设备状态监测技术的研究现状及发展J继电器，2005（01）：36-404 王长善，张卫星，变压器在线监测技术J电气时代，2008（03）：84-875 苗桂喜 .变压器状态检修技术的应用运行与维护M.北京：中国电力出版社，20036 赵承荻.电机与变压器M.北京：中国劳动出版社，1994