电力变压器的状态监测和故障诊断

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1、1绪论1.1课题提出的意义及本文的研究工作电力变压器是电力系统重要的变电设备，其运行状态直接影响系统的安全 性，随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电网容量加大和覆盖面增广， 它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。一直以来，电力运行人员对电力变压器采用定期检修方式来保证电力变压器 的安全运行。定期检修在理论上存在一定的不合理性，它是一种盲目性的检修方 式，主要以预防性试验为主，虽然这种检修方式相对于故障检修方式有很大的进 步。但是，定期检修并没有考虑到电力设备的初始状态量变化情况，导致电力设 备出现“该修没修的严重后果。本文主要研究了电力变压器的状态监测和故障诊断方法，分析了变

2、压器常见 故障，以及它们的表现特征，并进行故障分类和总结。然后采用常用的基于变压 器油中溶解气体分析方法对变压器内部故障进行诊断分析，主要采用了改良三比 值方法，对改良三比值方法进行了分析和讨论。针对三比值编码单一精确易造成 的误判、漏判，根据改良三比值法的模糊隶属度函数，引入了MATLAB中模糊逻辑 工具箱用于刻画各对比值的隶属度。通过区间模糊化，更合理地确定编码组合， 对故障判断更有利，编码的模糊化处理在三比值的基础上更进了一步，具有实际 意义。2电力变压器的状态监测和故障诊断电力变压器担负着电能的传输、分配及电压的变换等多种功能，为电力部门 提供服务，是电力系统的最关键的电力设备之一。电

3、力系统的可靠、安全、经济、 优质运行的重要保证是变压器处于正常运行。根据声音、温度及其它现象，对变压器进行直观观察，是运行人员做出的初 步判断。在实际诊断过程中准确的故障诊断需要多来源信息的支持即对诊断的要 求越高，越需要各方面更全面的信息。同时离线与在线，时间与空间上存在的差 异以及不同试验对不同故障的灵敏度各不相同，使变压器的故障诊断信息表现出 多层次性。所以只有从多方面获得关于同一对象的多维信息，并加以融合处理， 才能对设备进行更可靠更准确的监测与诊断。现有的预防性试验方法不能有效地发现变压器在运行条件下的内部潜伏性 故障，而通过气体继电器又不能知道气体组分及每种组分的含量，还往往给出一

4、 种假相，不能真正反映出现的故障。实测和研究表明，采用油中溶解气体的气相 色谱法，根据变压器的内部析出的气体可以分析变压器的潜伏性故障，特别是对 过热性、电弧性和绝缘破坏性故障等，不管故障发生在变压器的什么部位，都能 很好的反映出来。油中溶解气体分析法是目前检测变压器内部故障的常用方法， 是监督与保障设备安全运行的一个重要手段。2.1变压器运行中有故障的特征1. 声音异常变压器在正常运行中会发出轻微的、均匀的、连续的“嗡嗡”声，这是运行 中电气设备的一种固有特性。若产生的声音不均匀或有特殊的响声，则应视为异 常现象。有下列情况：(1) 变压器声音比平时增大，但均匀，则异常原因可能为电网发生过电

5、压或变压 器过负荷。(2) 变压器有杂音，则异常原因可能为内部夹件或压紧铁芯的螺钉松动。(3) 变压器有放电声，则异常原因可能为变压器内部发生故障。(4) 变压器有水沸腾声，则异常原因可能为绕组发生短路故障或分接开关因接触不良引起严重过热。2. 油温异常运行中变压器的铁损和铜损转化为热量，若在同样条件下，变压器上层油温 比平时高出10C以上，或负载不变而温度不断上升（冷却装置运行正常），则为温 度出现异常。异常的原因有：（1）变压器内部有故障如绕组匝间或层间短路，绕组对周围放电，内部引线接 头发热及铁芯多点接地等。（2）冷却装置不正常。如潜油泵停运，风扇，散热器损坏等。3. 油位异常变压器运行

6、中温度的变化会使油体积发生变化，从而引起油位的上下移动。 常见的油位异常有：（1）假油位 假油位指的是当变压器温度变化正常时，变压器油表管内的油位变化 不正常或不变。产生的原因是：（a）油标管堵塞（b）油枕呼吸器堵塞（c）防爆 管通气孔堵塞（d）变压器油枕内存在一定量的空气。油面过低。产生的原因有：（a）变压器严重渗漏油（b）工作人员放油后，因 疏忽，未作充分补充（c）气温过低且油量不足。4. 外表异常（1）防爆管、防爆膜破裂，原因可能是内部故障引起。（2）套管闪络放电，原因可能有：（a）套管表面过脏（b）套管制作工艺不良（c） 系统出现内部过电压或雷电冲击过电压。（3）油渗透主要原因是油箱与

7、零部件连接处密封不良，焊接或铸件存在缺陷，运 行中额外重荷或受到振动等。2.2变压器常见故障1. 过热故障过热故障通常为变压器内部的局部过热、温度升高。根据严重程度，过热故 障又分为轻度过热（一般低于150C）、低温过热（150-300C）、中温过热（300C -700C）、高温过热（一般高于700C）四种情况。过热与变压器正常运行下的发热 是有区别的，正常运行时的温度发热源来自十绕组和铁芯，即铜损和铁损。电力变压器内部故障方面，过热故障占60%还多，危害性严重。存在于固体 绝缘中的过热性故障会引起绝缘的劣化和热解，对绝缘危害较大。另外过热性故 障还包括接点接触不良、磁路故障、导体故障等，例如

8、：分接升关接触不良、铁 芯多点接地、局部短路、漏磁环流、紧固件松动以及像硅胶进入本体而引起局部 油道堵塞致使局部散热不良都可能会引起过热性故障。因而综合变压器各方面考虑，产生过热性故障的主要原因有：(1) 油箱底部有金属异物，由于强油循环逐渐造成铁芯多点接地。(2) 油箱底部有金属屑，由于电场作用形成动态式“小桥”通路，造成铁芯 两点接地。(3) 变压器制造结构缺陷引起的涡流。(4) 制造或检修中引线焊接触及分接开关接触不良或匝间绝缘破损引起的局 部过热。2. 放电故障通常，按放电的能量密度将变压器内部的放电故障分为局部放电、火花放电 和电弧放电三类。(1) 局部放电故障当变压器油纸绝缘中含有

9、气隙时，由于气体的介电系数小而击穿场强比油和 纸都低，在运行电压作用下，因此变压器绝缘结构内部而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。一般气隙刚放电时放电量不超过几百皮库，但气隙放电发展到油中也出现局 部放电时，放电量可达到几千到几十万皮库，往往引起绝缘纸层损坏而逐渐发展 到严重事故。(2) 火花放电故障火花放电一般是低能量放电，即一种间隙性放电故障。当变压器内部某些金 属部件接触不良并处于高、低压电极之间部位时，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转换极性的短暂时间，套管均压球和 无载分接头开关等高电位

10、处，铁心叠片磁屏蔽及紧固螺栓与地连接松动脱落等低 电位处，以及高压套管端部接触不良时等均会形成悬浮电位而引起火花放电。(3) 电弧放电故障电弧放电又称高能放电。电弧放电以线圈匝、层间击穿为多见，其次是引线 断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧而且量大，尤其 是匝、层间绝缘故障，因无先兆现象，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出 来。2.3常用的变压器状态监测由于变压器受结构，运行工况，气候环境因素的影响，并且变压器受强电流， 电磁场力作用，以及内部非常复杂的物理，化学作用，使得变压器的故障表现形 式非常多样化，提取故障的特征非常难。常用的状态监测方法主要有：1、油中关键气体

11、在线监测关键气体是指当变压器发生故障时，出现某种特有的气体成份或是引起原有 的气体成份的溶度的大量增加。通过分析特征气体，就可以初步判断变压器发生 的故障类型。通过在软件中对关键气体的检测或是规定其极限，可以及时掌管变 压器的运行状态信息。2、局部放电监测和定位当变压器有制造缺陷时，如接触不良等，在变压器内部就会有局部放电现象 产生，同时，如果油或是纸中有气泡也会有局部放电产生。局部放电分为低能量 的火花放电和高能量的电弧放电。3、变压器绕组变形监测变压器运行的工况条件是非常恶劣的，往往承受着高负载的电流冲击，特别 是发生短路时，线圈内部承受着强大的电流应力，容易引起绕组的变形，通过对 绕组变

12、形的分析可以发现变压器是否存在故障。绕组变形分析主要运用传递函数 方法。4、变压器铁芯接地电流在线监测变压器在运行中只允许一点接地，如果发生多点接地时，会形成环流，使变 压器油温升高。5、泄漏电流和电容量的测量变压器是磁电共生系统，当其工作在正常状态时， 系统是 平衡的，通过测定 泄漏电流和电容量也能提示出变压器系统是不是有故障发生。2.4变压器油中溶解气体分析的诊断依据目前高压变压器几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝 缘材料（纸和纸板等）在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会 逐渐变质，裂解成低分子气体，由于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着不同 的热稳定性，

13、所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃， 每一种烃类气体最大产气率都有一个特定的温度范围，故绝缘油在各不相同的故 障性质下产生不同成分、不同含量的烃类气体。由此可见，油中溶解气体的组分 和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映电气设 备电气异常的特征量。变压器不同故障类型产生的主要气体和次要气体见表2-1。表2-1充油电力变压器不同故障类型产生的气体故障类型主要气体成分次要气体成分油过热CH4 C2H2H2C2H6油和纸过热CH4 C2H4 CO CO2H2C2H6油纸绝缘中局部放电H2 C2H4 CO CO2C2H2 C业 CO2油中火花放电C2H

14、2H2油中电弧C2H2H2CH4 C2H4 C2H6油和纸中电弧C2H2 H2 CO CO2CH4 C2H4 C2H6进水受潮或油中起泡H 2根据不同故障类型（表2-1）产生的油中特征气体组分，只能粗略地判断电力 变压器内部是否可能有早期的故障存在，不能确定故障的性质和状态。因此国内 外通常以油中溶解气体组分含量来诊断充油电力变压器的故障性质。目前普遍被 采用改良三比值法作为判断变压器等充油电气设备故障性质的主要方法。三比值 法的编码规则和判断方法如表2-2和表2-3所小。表2-2改良三比值法的编码规则特征气 体比值比之范围编码说明CH /CH2 22 4CH4 / H2CH /CH2 42

15、60.1010例如： C2H2 / C2H4=13编码1CH4 / H2=13 编码2=0.11100= 13222编码组合故障类型判别故障实例C2H2 / C2H4CH4 / H2C2H4 / C2H6001轻微过热导线绝缘过热，注意CO和CO的含2量及CO2/C O比值20低温过热分接开关接触不良，引线夹件螺 丝松动或执焊接不良，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21中温过热0, 1, 22高温过热10局部发电高湿度、高含气量引起油中低能量密集的电局部发电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，分接头引线和油隙闪络， 不同电位之间的油中火花放电或 悬浮电位之间的火花放电20, 1, 2低能放电兼过热10, 10, 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、引线对 外箱壳放电、线圈熔断、分接开 关飞弧、环路断流引起电弧、引 线对其他接地体放电等20, 1, 2电弧放电