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1、第七章 电力变压器的在线监测,电力变压器分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器（联络几个不同电压等级电网用）和厂用电变压器（供发电厂自用）等几种。它们还可以按线圈数、相数、冷却方式、绕组结构、铁心结构、防潮方式以及调压方式等分类。,表7-1 变压器绝缘分类,当变压器绕组有电流流过时，电流与漏磁通的相互作用产生电磁力。正常情况下，这些电动力不大。当发生短路时，由于变压器短路电流可能达到额定电流的2030倍，因而绕组短路电磁力有可能达到正常时的几百到近千倍。如果绕组固定不结实或者绝缘材料已经老化，就有可能导致绕组变形、松散等，造成事故。,变压器油的老化、受潮以及含有杂质、气泡等将影响到
2、电气性能，特别在高温下，会加速绝缘油的老化；高温时绝缘纸老化变脆，当遇到短路等故障时，就可能因承受不了机械应力而使纸层断裂，导致绝缘击穿。,7.1 电力变压器的预防性试验,表72 变压器绝缘预防性试验项目,* 适用于1.6MVA以上的330kV以上的油浸变压器。 * 适用于1.6MVA以下的35kV以上的变电所用变压器。,7.1.1 油中溶解气体色谱分析,表73 各种故障下油和绝缘材料产生的主要成分,A 变压器内气体产生原因,变压器在制造、运输、安装和运行过程中，不可避免会混入空气，引起绝缘逐渐老化和分解。随着故障的发展，分解出的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断溶解在油中。当产气量大于溶
3、解量时，还会有一部分气体进入气体继电器。由于故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重性有密切关系，所以定期分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展情况。,变压器油中气体的来源，一方面是由于变压器中出现故障点，另一方面是来自变压器的维修或变压器内部结构或材料，如补焊、补油、真空滤油机、分接开关、绝缘材料吸收的气体、非精制的变压器油、油流静电放电、变压器内部活性金属材料等。,B 变压器油故障判断标准,评价变压器油中气体含量变化情况的简单方法是用绝对产气速率和相对产气速率，若C1和C2分别表示第一次取样和第二次取样测得的油中某气体的含量，t表示取样间
4、隔中的实际运行时间，G为变压器总油量/t，d表示油的密度/（tm-3）,则,绝对产气速率为,相对产气速率为,规程规定，烃类气体总的产气速率大于0.25ml/h（开放式）和0.5 ml/h（密封式）时，或相对产气速率大于10/min，可判断为变压器内部存在异常。,注: (1) 500 kV变压器乙炔含量的注意值为1ppm。(2)1ppm1/106。,表74 变压器油中气体含量规定值,C 变压器油故障定性分析,表74 故障性质的定性分析方法,D 变压器油故障定性分析,表76 三比值法的编码规则,表77 三比值法故障性质判断,当变压器内部存在高温过热和放电性故障时，绝大部分情况下C2H4/C2H63
5、，于是可选择三比值中的其余两项构成直角坐标，CH4/H2作纵坐标，C2H2/ C2H4作横坐标，形成T（过热）D（放电）分析判断图，如图72所示。,图72 TD分析判断图,图72 变压器故障诊断流程图,7.1.2 变压器油中水分测量,测量绝缘电阻、泄漏电流和可以定性判定变压器绝缘是否受潮，但不能直接定量地测定变压器油纸中含水量。目前常见的定量测量变压器微量水分含量的方法有：气相色谱法、库仑法。,气相色谱分析法测定油中微量水分（简称为微水）与测定其他成分一样。首先利用色谱仪中的汽化加热器将注入的油样经过瞬间汽化，被汽化的全部水分和部分油气被载气带至适当的色谱柱进行分离，然后用热导池检测器来检测，
6、将检测值（水峰高或水峰面积）与已有的含水的标准工作曲线进行比较，就可以得到油样中的含水量。,表7-9 变压器油中微水含量标准（mg/L）,7.1.3 局部放电测量,A 变压器局部放电特点,电力变压器中局部放电可分为： 绕组中部油-屏障绝缘中油道击穿； 绕组端部油道击穿； 接触绝缘导线和纸板（引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘）的油隙击穿； 引线、搭接线等油纸绝缘中的局部放电； 线圈间（纵绝缘）的油道击穿； 匝间绝缘局部击穿； 纸板沿面滑闪放电。,B 变压器局部放电测量,图7-3 变压器局部放电测量基本原理图 （a）单相励磁变压器；（b）三相励磁变压器；（c）变压器套管抽头,C 变压器局部放电测量中干
7、扰抑制,对来自电源的干扰，可采用在高压试验变压器的初级设置低通滤波器、电源侧加装屏蔽式隔离变压器、试验变压器的高压端设置高压低通滤波器等方法。对于高压端部电晕放电，可采用合适的无晕环（球）及无晕导杆作为高压连线。对于接地干扰，必须采用整个试验回路一点接地方式。,7.2 电力变压器的在线监测,目前对油浸电力变压器比较有效的在线监测方法主要有：油中溶解气体的色谱在线监测和局部放电在线监测。,7.2.1 变压器油中溶解气体的在线监测技术,A 现场油气分离技术,一类是利用某些合成材料薄膜（如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氟硅橡胶等）的透气性，让油中所溶解的气体经薄膜透析到气室里。而经薄膜渗透出的气体浓度c与不
8、少因素有关，可写成：,（71）,式中 C透析到气室的气体浓度，ppm；k亨利常数；油中气体浓度，ppm；P渗透系数，mlcm/(cm2sPa)；A渗透薄膜的面积，cm2；V接受透析出来气体的气室体积，cm3；d薄膜厚度，cm；t渗透时间，s；,图75 渗透过来气体（饱和值）与油中气体浓度的关系,由式（71）可算出，当气室与油中的气体平衡时，得：,（72）,如在60油温时，由试验求出各气体的K值如下：,若已测出气室中的各气体浓度，则可换算出油中气体的含量。,另一类简便的脱气方法是采用振荡脱气法或超声波脱气法。振荡脱气就是在一个容器里，加入一定量的含有气体油样。在一定的温度下，经过充分振荡，油中溶
9、解的各种气体必然会在气油两相间建立动态平衡。分析气相组分的含量，根据道尔顿亨利定律就可计算出油中原来气体的浓度。,超声脱气法是采用超声波装置，使气液两相迅速达到平衡。一般超声波的产生方法采用压电法，即利用电声换能器，对压电晶体的逆压电效应，通过施加交变电压，使之发生交替的压缩和拉伸而引起振动，当振动的频率与所加交变电压相同时，使所加频率在超声的频率范围内（即大于20Hz），则产生超声频的振动，因而波长很短，可定向直线传播，超声波在介质中所引起的介质微粒振动，即使振幅极小，也足可使介质微粒间产生很大的相互作用力。,当气体从油中分离出来后，在现场对其定量检测的方法有两大类：一类仍用色谱柱将不同气体
10、分离开；另一类不用色谱柱，而改用仅对某种气体敏感的传感器，它易于制成可携带型。例如目前比较成熟的检测氢气或可燃气体总量（TCG）的仪器，它不但可直接安装在变压器上作连续监测，也可制成轻便的可携带型。因为无论是过热型或放电型故障，油中含H2量或TCG量都将增长，检测油中溶解气体里的H2含量或TCG总量对发现故障有一定敏感性。,B 油中氢气的在线监测,图76 油中氢气含量监测仪原理图,C 油中多种气体的在线监测,77 变压器油中气体在线监测结构图,图78 电力变压器色谱在线监测原理框图,a 油气分离技术,b 色谱柱技术,从油中渗透的是六种气体的混合气体，必须把它们分离出来。常规用于色谱检测分离混合
11、气体的色谱柱一般由两根色谱柱组成，每根色谱柱分别负责分离23种气体 .,柱前压力为0.2MPa时色谱柱分离效果如下所示：,图7-10 色谱柱分离效果图,c 气敏传感器技术,由于监测的气体是先用渗透膜分析出变压器油中的6种气体，后用色谱柱对6种气体再分离，所以要求传感器对6种特征的气体灵敏度都较高，而对选择性的要求就相对较低。采用热线型半导体传感器的结构是将加催化剂的SnO2覆盖在铂丝上，烧结成半导体敏感膜，铂丝用作加热，又与半导体敏感膜连在一起，这两个电阻并联作为测量元件。它的特点是体积小，功耗低，敏感材料活性高，可满足在线色谱监测的要求。,d 控制系统,图710 色谱在线监测终端机控制原理图
12、,由在线色谱监测系统输出的气相谱图如图711。得到这些气体的含量，就可根据三比值准则，利用计算机进行故障分析，可以诊断变压器中局部放电、局部过热、绝缘纸过热等故障。,图7-12 六种气体色谱图例,7.2.2 局部放电的在线监测,目前变压器在线监测方法主要采用脉冲电流法和超声检测法。,A 脉冲电流法,图7-15 测量局部放电的原理图 (a)并联法；（b）串联法（c）电桥法,图716 变压器局部放电脉冲电流法测量原理图 H.V.Bg高压套管；B.T高压抽头；NP中性点；MC微音器；RC-Rogowsky线圈；CD电流脉冲监测器；O.F光缆；P.O脉冲振荡器；O.R光接收器；O.T光发送器；C计数器
13、；S.O模拟脉冲振荡器；J传播时间的判断；DIS显示装置；PR打印机,图7-17 脉冲鉴别系统原理图,图718 选频法加脉冲鉴别法测量原理,B 电超声联合法,图719 电超声法原理图,油浸电力设备色谱在线监测 及诊断系统的研究,上海交通大学电气工程系肖登明教授,1 选题意义,2 国内外研究状况,油色谱在线监测系统原理,本课题研究内容,1 用渗透能力更强的油气分离膜，缩短检测周期,2 用一根柱高效分离H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，而且使用方便、易于维护,3 采用新型传感器，以得到更好的灵敏度、精度、稳定性,4 设计抗干扰能力强、自动化程度高的监控系统,5 研究基于AN
14、N的色谱故障诊断技术，使判断正确率有所一定提高。,油气分离技术的研究,1 能渗透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，而且渗透饱和时间短,2 良好的化学稳定性，耐油、耐一定程度的高温（80 0C）,3一定的机械强度，在运行中不发生蠕动变形和破损，使用寿命长,几种膜饱和时间比较,渗透时间与孔径的关系,小 结,1 对油中溶解的H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，用带微孔的聚四氟乙烯膜，可在一天内达到渗透饱和，透气速度明显优于常规聚四氟乙烯膜和PFA膜,2 薄膜微孔的最佳孔径为8-10m，可以同时满足渗透时间和强度的要求,气相色谱技术的研究,1 气相色谱分析
15、原理,2 柱结构基本形式,3 色谱柱设计的关键：复合固定相,HAYESEP D, PorapakT 两种固定相比例,分离度：,4 影响柱效的其它因素,柱径 柱长 样气量 温度 载气流速（柱压）,柱压：0.15Mpa,柱压：0.2Mpa,柱压：0.25Mpa,1 采用单根色谱柱和由HAYESEP D和Propark T组成的复合固定相，可在16分钟内实现对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体的高效分离 2 无需温控装置也可在户外使用。 3 常规色谱仪所用的多根分离柱不同，单根柱只需1ml的样气，这样保证了油气分离的周期仅需一天。,小结,传感器技术,1 几种传感器比较,2 热线半导体传感器的实验及研究,灵敏度 对数线性度 检测范围 传感器体积,热线传感器电路图,热线传感器的灵敏度,旁线传感器出峰图,热线传感器出峰图,1 半导体传感器适合多种可燃性气体的监测。 2 热线型半导体传感器对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体灵敏度、线性度和反应速度俱佳,优于普通半导体传感器。和其它传感器相比，它体积很小，与内径2mm的色谱柱配合得到了更好的气体分离效果，是用于在线色谱监测理想的气敏元件。,
