基于油气量的电力变压器故障诊断研究.docx

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基于油气量的电力变压器故障诊断研究

毕业设计报告（论文）

基于油气量的电力变压器故障诊断研究

所属系电气工程系

专业自动化专业

学号

姓　　名

指导教师

起讫日期

设计地点

东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）

诚信承诺

本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。

如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。

学生签名：

日　　期：

基于油气量的电力变压器故障诊断研究—故障特征分析

摘要

本毕业设计基于油中气体的电力变压器故障诊断研究，重点针对变压器故障特征进行研究。

对变压器故障进行总结、归类、分析；电力变压器故障检测主要有电气量检测和化学检测方法。

化学检测主要是通过变压器油中特征气体的含量、产气速率和三比值法进行分析判断，它对变压器的潜伏性故障及故障发展程度的早期发现具有有效性。

具体应用中要根据故障或缺陷的不同发展阶段,采用不同的分析方法,结合设备的实际运行状况及外部电气试验数据,充分发挥油化学检测的灵敏性,正确评判设备状况或制定针对性的检修策略。

实际应用过程中，为了更准确的诊断变压器的内部故障，色谱分析应根据设备历史运行状况、特征气体的含量等采用不同的分析模型确定设备运行是否属于正常或存在潜伏性故障以及故障类别。

关键词：

电力变压器故障;分析;诊断;油中气体;色谱分析

thepowertransformerfaultdiagnosisBasedontheamountofoilandgas—FaultAnalysis

Abstract

Thegraduationdesignbasedontheoilgaspowertransformerfaultdiagnosisresearch,focusingoncharacteristicsoftransformerfaults.Summaryoftransformerfaults,classificationandanalysis;powertransformerfaultdetectionaretheamountoftestingofelectricalandchemicaldetectionmethods.Chemicaldetectionofthemaincharacteristicsoftransformeroilbygascontent,gasproductionrateandthethreeratiomethodanalysistodetermineitspotentialtransformerfailuresandfailuresoftheearlylevelofdevelopmentfoundtohavevalidity.Specificapplicationfailureordefectsaccordingtodifferentstagesofdevelopment,usingdifferentanalyticalmethods,combinedwiththeactualoperationalstatusofequipmentandexternalelectricaltestdata,givefullplaytothesensitivityoftheoilchemicaltests,thecorrectevaluationequipmentmaintenancestatusorthedevelopmentoftargetedstrategy.Theactualapplicationprocess,moreaccuratediagnosisfortransformerinternalfault,chromatographicanalysisshouldbebasedonequipmenthistoryoperatingconditions,characteristicsofgascontentanalysismodelusingdifferentequipmentoperationtodeterminewhethertherearenormalorlatentfailuresandfailurecategories.

Keywords:

PowerTransformerFault；Analysis；Diagnosis；Gasofoil；Chromatography

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论5

1.1本课题的背景意义5

1.2电力变压器故障的研究5

1.3本文的主要工作5

第二章变压器故障6

2.1短路故障6

2.1.1短路电流引起绝缘过热故障6

2.1.2短路电动力引起绕组变形故障7

2.2放电故障8

2.2.1放电故障的类型与特征8

2.2.2放电故障对变压器绝缘的影响9

2.3绝缘故障10

2.3.1固体纸绝缘故障10

2.3.2液体油绝缘故障11

2.3.3影响变压器绝缘故障的主要因素12

第三章变压器油中气体分析诊断与故障检查14

3.1变压油中溶解气体分析的原理14

3.1.1变压器绝缘材料的化学组成14

3.1.2气体在绝缘油中的溶解14

3.1.3气体在变压器中扩散、吸附和损失14

3.2气相色谱的基本概念15

3.2.1色谱分析原理15

3.2.2色谱法的分类16

3.2.3气象色谱法16

3.2.4色谱法的优缺点16

3.2.5气相色谱仪17

3.2.6定性定量方法17

3.2.7影响因素19

3.3油中溶解气体分析方法20

3.3.1分析的气体对象20

3.3.2对气相色谱仪的要求20

3.3.3检测周期和对分析结果的要求20

3.3.4气体分析步骤20

3.4分析结果的计算21

3.4.1计算各组分浓度21

3.4.2溶解平衡法计算方法21

3.4.3真空法计算法22

3.4.4气体继电器中气体浓度的计算方法22

第四章变压器综合故障处理23

4.1变压器故障的综合判断方法23

4.2综合分析判断的基本原则25

4.3有无异常的判断25

4.4故障严重性判断26

第五章变压器事故处理27

5.1变压器自行跳闸后的处理27

5.2变压器气体保护动作后的处理27

5.3变压器差动保护动作后的处理28

5.4变压器着火事故处理29

第六章结论30

参考文献31

致谢32

第一章绪论

1.1本课题的背景意义

早期预测变压器等充油电气设备内部故障，对于安全发供电，防止事故于未然，是极为重要的。

作为绝缘监督的手段，过去国内为广泛采用直流泄露、绝缘电阻、介损测量、交流耐压和局部放电测量等电器绝缘特性试验。

但是，这些试验的共同特点是要求被测试设备停运，很难测出发生事故前的极小的内部故障。

虽然局部放电试验是检出绝缘局部缺陷的较好方法，但往往受外部干扰，影响检测的准确性。

利用绝缘油中溶解气体分析，检测充油电气设备内部早期故障，已成为变压器等充油电气设备绝缘监督的一种重要手段。

特别是这类检测技术可以在设备不停电时进行，因此可以定期地对运行中的设备内部状况进行诊断，确保设备的安全可靠运行，以便对设备由定期维修方式转变为内部状态预知维修方式。

这在实践中已充分地显示了较大的经济效益。

1.2电力变压器故障的研究

电力变压器故障检测主要有电气量检测和化学检测方法。

化学检测主要是通过变压器油中特征气体的含量、产气速率和三比值法进行分析判断，它对变压器的潜伏性故障及故障发展程度的早期发现具有有效性。

实际应用过程中，为了更准确的诊断变压器的内部故障，色谱分析应根据设备历史运行状况、特征气体的含量等采用不同的分析模型确定设备运行是否属于正常或存在潜伏性故障以及故障类别。

1.3本文的主要工作

（1）对变压器故障进行总结、归类、分析

（2）完成分析变压器故障产生机理

（3）寄卖分析基于油中色谱进行诊断的变压器故障特征

（4）提出具体诊断方法

第二章变压器故障

2.1短路故障

变压器短路故障主要指变压器出口短路，以及内部引线或绕组间对地短路、及相与相之间发生的短路而导致的故障。

  变压器正常运行中由于受出口短路故障的影响，遭受损坏的情况较为严重。

据有关资料统计，近年来，一些地区110kV及以上电压等级的变压器遭受短路故障电流冲击直接导致损坏的事故，约占全部事故的50％以上，与前几年统计相比呈大幅度上升的趋势。

这类故障的案例很多，特别是变压器低压出口短路时形成的故障一般要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果和损失，因此，尤应引起足够的重视。

2.1.1短路电流引起绝缘过热故障

变压器突发短路时，其高、低压绕组可能同时通过为额定值数十倍的短路电流，它将产生很大的热量，使变压器严重发热。

当变压器承受短路电流的能力不够，热稳定性差，会使变压器绝缘材料严重受损，而

形成变压器击穿及损毁事故。

变压器发生出口短路时，短路电流的绝对值表达式为:

（2-1）

式中

——短路类型的角标

——比例系数，其值与短路类型有关

——所求短路类型的正序电流绝对值。

不同类型短路的正序电流绝对值表达式为:

（2-2）

式中 

——故障前相电压

——等值正序阻抗

——附加阻抗。

变压器的出口短路主要包括：

三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路等几种类型。

据资料统计表明，在中性点接地系统中，单相接地短路约占全部短路故障的65％，两相短路约占10％～15％，两相接地短路约占15％一20％，三相短路约占5％，其中以三相短路时的短路电流值最大，国标GBl094·5—85《电力变压器第5部分承受短路的能力》中就是以三相短路电流为依据的。

忽略系统阻抗对短路电流的影响，则三相短路表达式为

 （2-3）

式中

－三相短路电流；

－变压器接入系统的额定电压

－变压器短路阻抗；

－变压器额定电流；

－变压器短路电压百分数。

对220kV三绕组变压罪而言，高压对中、低压的短路阻抗一般在10％一30％之间，中压对低压的短路阻抗一般在10％以下，因此变压器发生短路故障时，强大的短路电流致使变压器绝缘材料受热损坏。

2.1.2短路电动力引起绕组变形故障

变压器受短路冲击时，如果短路电流小，继电保护正确动作，绕组变形将是轻微的；如果短路电流大，继电保护延时动作甚至拒动，变形将会很严重，甚至造成绕组损坏。

对于轻微的变形，如果不及时检修，恢复垫块位置，紧固绕组的压钉及铁轭的拉板、拉杆，加强引线的夹紧力，在多次短路冲击后，由于累积效应也会使变压器损坏。

因此诊断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期是提高变压器抗短路能力的一项重要措施。

  绕组受力状态如图2-1、图2-2所示。

由于绕组中漏磁中

的存在，载流导线在漏磁作用下受到电动力的作用，特别是在绕组突然短路时，电动力最严重。

漏磁通常可分解为纵轴分量F1和横轴分量F2，纵轴磁场F1使绕组产生辐向力，而横轴磁场F2使绕组受轴向力。

轴向力使整个绕组受到张力P1，在导线中产生拉伸应力。

而内绕组受到压缩力P2，导线受到挤压应力。

图2—1  变压器绕组漏磁及受力示意图   图2—2  变压器绕组受力分析图

轴向力的产生分为两部分，一部分是由于绕组端部漏磁弯曲部分的辐向分量与载流导体作用而产生。

它使内、外绕组都受压力，由于绕组端部磁场

最大因而压力也最大，但中部几乎为零，绕组的另一端力的方向改变。

轴向力的另一部分是由于内外安匝不平衡所产生的辐向漏磁与载流导体作用而产生，该力使内绕组受压，外绕组受拉；安匝不平衡越大，该轴向力也越大。

因此，变压器绕组在出口短路时，将承受很大的轴向和辐向电动力。

轴向电动力使绕组向中间压缩，这种由电动力产生的机械应力，可能影响绕组匝间绝缘，对绕组的匝间绝缘造成损伤；而辐向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳定性，造成相间绝缘损坏。

电动力过大，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。

对于由于变压器出口短路电动力造成的影响，判断主变压器绕组是否变形，过去只采取吊罩检查的方法，目前一些单位采用绕组变形测试仪进行分析判断，取得了一些现场经验，如有些地区选用TDT—1型变压器绕组变形测试仪进行现场测试检查，通过对主变压器的高、中、低压三相的九个绕组分别施加l0kHz至lkHz高频脉冲，由计算机记录脉冲波形曲线并储存。

通过彩色喷墨打印，将波形绘制出图，显示正常波形与故障后波形变化的对比和分析，试验人员根据该仪器特有的频率和波形，能比较科学地准确判断主变压器绕组变形情况。

  对于变压器的热稳定及动稳定，在给定的条件下，仍以设计计算值为检验的依据，但计算值与实际值究竟有无误差，尚缺少研究与分析，一般情况下是以设计值大于变压器实际承受能力为准的。

目前逐步开展的变压器突发短路试验，将为检验设计、工艺水平提供重要的依据。

变压器低压侧发生短路时，所承受的短路电流最大，而低压绕组的结构一般采用圆筒式或螺旋式多股导线并绕，为了提高绕组的动稳定能力，绕组内多采用绝缘纸筒支撑，但有些厂家仅考虑变压器的散热能力，对于其动稳定，则只要计算值能够满足要求，便将支撑取消，于是当变压器遭受出口短路时，由于动稳定能力不足，而使绕组变形甚至损坏。

2.2放电故障

根据放电的能量密度的大小，变压器的放电故障常分为局部放电、火花放电和高能量放电三种类型。

2.2.1放电故障的类型与特征

1．变压器局部放电故障

在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现称为局部放电。

局部放电刚开始时是一种低能量的放电，变压器内部出现这种放电时，情况比较复杂，根据绝缘介质的不同，可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电；根据绝缘部位来分，有固体绝缘中空穴、电极尖端、油角间隙、油与绝缘纸板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等处的局部放电。

（1）局部放电的原因。

1）当油中存在气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔，由于气体的介电常数小，在交流电压下所承受的场强高，但其耐压强度却低于油和纸绝缘材料，在气隙中容易首先引起放电。

2）外界环境条件的影响。

如油处理不彻底下降使油中析出气泡等，都会引起放电。

3）由寻：

制造质量不良。

如某些部位有尖角高而出现放电。

带进气泡、杂物和水分，或因外界气温漆瘤等，它们承受的电场强度较

4）金属部件或导电体之间接触不良而引起的放电。

局部放电的能量密度虽不大，但若进一步发展将会形成放电的恶性循环，最终导致设备的击穿或损坏，而引起严重的事故。

（2）放电产生气体的特征。

放电产生的气体，由于放电能量不同而有所不同。

如放电能量密度在10-9C以下时，一般总烃不高，主要成分是氢气，其次是甲烷，氢气占氢烃总量的曰80％一90％；当放电能量密度为10.8～10.7C时，则氢气相应降低，而出现乙炔，但乙炔这时在总烃中所占的比例常不到2％，这是局部放电区别于其他放电现象的主要标志。

随着变压器故障诊断技术的发展，人们越来越认识到，局部放电是变压器诸多有机绝缘材料故障和事故的根源，因而该技术得到了迅速发展，出现了多种测量方法和试验装置，亦有离线测量的。

（2）测量局部放电的方法。

1）电测法。

利用示波器、局部放电仪或无线电干扰仪，查找放电的波形或无线电干扰程度。

电测法的灵敏度较高，测到的是视在放电量，分辨率可达几皮库。

2）超声测法。

利用检测放电中出现的超声波，并将声波变换为电信号，录在磁带上进行分析。

超声测法的灵敏度较低，大约几千皮库，它的优点是抗干扰性能好，且可“定位”。

有的利用电信号和声信号的传递时间差异，可以估计探测点到放电点的距离。

3）化学测法。

检测溶解油内各种气体的含量及增减变化规律。

此法在运行监测上十分适用，简称“色谱分析”。

化学测法对局部过热或电弧放电很灵敏，但对局部放电灵敏度不高。

而且重要的是观察其趋势，例如几天测一次，就可发现油中含气的组成、比例以及数量的变化，从而判定有无局部放电或局部过热。

2．变压器火花放电故障

发生火花放电时放电能量密度大于10—6C的数量级。

（1）悬浮电位引起火花放电。

高压电力设备中某金属部件，由于结构上原因，或运输过程和运行中造成接触不良而断开，处于高压与低压电极间并按其阻抗形成分压，而在这一金属部件上产生的对地电位称为悬浮电位。

具有悬浮电位的物体附近的场强较集中，往往会逐渐烧坏周围固体介质或使之炭化，也会使绝缘油在悬浮电位作用下分解出大量特征气体，从而使绝缘油色谱分析结果超标。

悬浮放电可能发生于变压器内处于高电位的金属部件，如调压绕组，当有载分接开关转换极性时的短暂电位悬浮；套管均压球和无载分接开关拨钗等电位悬浮。

处于地电位的部件，如硅钢片磁屏蔽和各种紧固用金属螺栓等，与地的连接松动脱落，导致悬浮电位放电。

变压器高压套管端部接触不良，也会形成悬浮电位而引起火花放电。

（2）油中杂质引起火花放电。

变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。

杂质由水分、纤维质（主要是受潮的纤维）等构成。

水的介电常数e约为变压器油的40倍，在电场中，杂质首先极化，被吸引向电场强度最强的地方，即电极附近，并按电力线方向排列。

于是在电极附近形成了杂质“小桥”。

如果极间距离大、杂质少，只能形成断续“小桥”。

“小桥”的导电率和介电常数都比变压器油大，从电磁场原理得知，由于“小桥”的存在，会畸变油中的电场。

因为纤维的介电常数大，使纤维端部油中的电场加强，于是放电首先从这部分油中开始发生和发展，油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。

而后逐渐发展，使整个油间隙在气体通道中发生火花放电，所以，火花放电可能在较低的电压下发生。

如果极间距离不大，杂质又足够多，则“小桥”可能连通两个电极，这时，由于“小桥”的电导较大，沿“小桥”流过很大电流（电流大小视电源容量而定），使“小桥”强烈发热”，  “小桥”中的水分和附近的油沸腾汽化，造成一个气体通道——“气泡桥”而发生火花放电。

如果纤维不受潮，则因“小桥”的电导很小，对于油的火花放电电压的影响也较小；反之，则影响较大。

因此杂质引起变压器油发生火花放电，与“小桥”的加热过程相联系。

当冲击电压作用或电场极不均匀时，杂质不易形成“小桥”，它的作用只限于畸变电场，其火花放电过程，主要决定于外加电压的大小。

（3）火花放电的影响。

一般来说，火花放电不致很快引起绝缘击穿，主要反映在油色普分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易被发现和处理，但对其发展程度应引起足够的认识和注意。

3．变压器电弧放电故障

电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。

（1）电弧放电的影响。

电弧放电故障由于放电能量密度大，产气急剧，常以电子崩形e冲击电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会造成I备烧损，甚至发生爆炸事故，这种事故一般事先难以预测，也无明显预兆，常以突发的形式暴露出来。

（2）电弧放电的气体特征。

出现电弧放电故障后，气体继电器中的H2和C2H2等组分常高达几千UL/L，变压器油亦炭化而变黑。

油中特征气体的主要成分是H2和C2H2，其次C2H6和CH4。

当放电故障涉及到固体绝缘时，除了上述气体外，还会产生CO和CO2。

2.2.2放电故障对变压器绝缘的影响

放电对绝缘有两种破坏作用：

一种是由于放电质点直接轰击绝缘，使局部绝缘受到破坏并逐步扩大，使绝缘击穿。

另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，介质损耗增大，最后导致热击穿。

（1）绝缘材料电老化是放电故障的主要形式。

1）局部放电引起绝缘材料中化学键的分离、裂解和分子结构的破坏。

2）放电点热效应引起绝缘的热裂解或促进氧化裂解，增大了介质的电导和损耗产生恶性循环，加速老化过程。

3）放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化学反应腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。

4）放电过程的高能辐射，使绝缘材料变脆。

5）放电时产生的高压气体引起绝缘体开裂，并形成新的放电点，

（2）固体绝缘的电老化。

固体绝缘的电老化的形成和发展是树枝状，在电场集中处产生放电，引发树枝状放电痕迹，并逐步发展导致绝缘击穿。

（3）液体浸渍绝缘的电老化。

如局部放电一般先发生在固体或油内的小气泡中，而放电过程又使油分解产生气体并被油部分吸收，如产气速率高，气泡将扩大、增多，使放电增强，同时放电产生的X—蜡沉积在固体绝缘上使散热困难、放电增强、出现过热，促使固体绝缘损坏。

2.3绝缘故障

目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种，电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料（即油纸或树脂等）的寿命所决定的。

油浸变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油及固体绝缘材料绝缘纸、纸板和木块等c所谓变压器绝缘的老化，就是这些材料受环境因素的影响发生分解，降低或丧失了绝缘强度。

2.3.1固体纸绝缘故障

固体纸绝缘是油浸变压器绝缘的主要部分之一，包括：

绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素，化学表达式为（C6H10O6）n，式中n为聚合度。

一般新纸的聚合度为1300左右，当下降至250左右，其机械强度已下降了一半以上，极度老化致使寿命终止的聚合度为150～200。

绝缘纸老化后，其聚合度和抗张强度将逐渐降低，并生成水、CO、CO2，其次还有糠醛（呋喃甲醛）。

这些老化产物大都对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介损增大、抗拉强度下降，甚致腐蚀设备中的金属材料。

固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。

变压器的寿命主要取决于绝缘材料的寿命，因此油浸变压器固体绝缘材料，应既具有良好的电绝缘性能和机械特性，而且长年累月的运行后，其性能下降较慢，即老化特性好。

（1）纸纤维材料的性能。

绝缘纸纤维材料是油浸变压器中最主要的绝缘组件材料，纸纤维是植物的基本固体组织成分，组成物质分子的原子中有带正电的原子核和围绕原子核运行的带负电的电子，与金属导体不同的是绝缘材料中几乎没有自由电子，绝缘体中极小的电导电流主要来自离子电导。

纤维素由碳、氢和氧组成，这样由于纤维素分子结构中存在氢氧根，便存在形成水的潜在可能，使纸纤维有含水的特性。

此外，这些氢氧根可认为是被各种极性分子（如酸和水）包围着的中心，它们以氢键相结合，使得纤维易受破坏：

同时纤维中往往含有一定比例（约7％左右）的杂质，这些杂质中包括一定量的水分，因纤维呈胶体性质，使这些水分尚不能完全除去。

这样也就影响了纸纤维的性能。

极性的纤维不但易于吸潮（水分使强极性介质），而且当纸纤维吸水时，使氢氧根之间的相互作用力变弱，在纤维结构不稳定的条件下机械强度急剧变坏，因此，纸绝缘部件一般要经过干燥或真空子燥处理和浸油或绝缘漆后才能使用，浸漆的目的是使纤维保持润湿．保证其有较高的绝缘和化学稳定性及具有较高的机械强度。

同时，纸被漆密封后，可减少纸对水分的吸收，阻止材料氧化，还町填充空隙，以减