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配电变压器状态检修与监测
配电变压器状态检修与监测
摘要
电网运行的经验表明，变压器的故障率较高，且容量越大、电压等级越高，故障率越高。
配电变压器是输配电网中极为重要的枢纽设备，其运行的状态和性能如何，直接关系到电网的可靠性与安全性。
本文以配电变压器状态检修与监测为研究对象，详细阐述了配电变压器在线检修和监测的重要意义，并根据实际情况分析了配电变压器发生故障类型，根据故障的类型，探讨了配电变压器状态检修技术，对我国电网安全与稳定的维护具有重要的实际意义。
关键词：
电网；变压器；状态检修
Abstract
Experienceshowsthatgridoperation,thetransformerfailurerateishigher,andthegreaterthecapacity,thehigherthevoltagelevel,thehigherfailurerate.Distributiontransformersinthetransmissionanddistributionnetworkisextremelyimportanthubdevicestatusandperformanceofitsoperationhaveadirectrelationshiptothereliabilityandsecurityofthegrid.Inthispaper,thestateofmaintenanceandmonitoringofdistributiontransformersforthestudy,elaboratedontheimportanceofonlinedistributiontransformermaintenanceandmonitoring,andanalysisoftheactualsituationofthetypedistributiontransformerfailure,dependingonthetypeoffailure,discussesthedistributiontransformercondition-basedmaintenancetechnologyhasimportantpracticalsignificanceforChina'spowergridsecurityandstabilitymaintenance.
Keywords:
Grid;transformer;condition-basedmaintenance
目录
摘要1
Abstract2
第一章状态检修的基本原理4
1.1状态检修的基本概念4
1.2设备失效机理4
1.3设备的状态监测与故障诊断6
1.4设备的状态监测6
1.4.1离线状态监测6
1.4.2在线状态监测6
第二章变压器故障检测8
2.1变压器常见故障类型8
2.1.1短路故障8
2.1.2放电故障8
2.1.3绝缘故障9
2.1.4铁芯故障9
2.2变压器故障诊断方法9
2.2.1特征气体判断法9
2.2.2三比值法10
2.3变压器的在线监测11
第三章变压器状态检修实例12
第四章总结13
参考文献14
致谢15
第一章状态检修的基本原理
1.1状态检修的基本概念
检修的概念是为了保持或者恢复设备的原始功能所进行的作业行为，其目的是为了延长设备的使用寿命。
对设备进行及时的检修有助于发挥充分发挥设备的性能，延长设备的使用寿命，从而取得更多的经济效益。
根据欧盟EN13306标准，状态检修是根据设备性能和/参数的监测结构及其处理措施进行的预防检修。
从中可以看出，所谓状态检修就是企业以安全、环境、经济与效益为基础，利用智能传感网络和通信平台实现设备状态的实时监测和信息共享，通过风险评估、检修决策和高级应用开发等技术手段，达到设备运行安全可靠、作业管理智能化、企业效益最优化的一种检修策略。
1.2设备失效机理
工程系统发生的设备失效一般是由一种或几种特定原因相互作用引起的。
设备的失效除了来自于制造商对用户需求和期望的忽视和/或轻视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等原因外，另一个重要的原因就是随着设备使用时间的增长，其内部逐渐的老化。
一般认为设备的失效是一种二元状态，即正常或损坏；然而大多数实际失效要比这复杂得多。
通常设备的失效是作用在系统上或系统内的应力和系统的材料/组件交互作用综合体的结果。
交互作用涉及到的每个变量通常认为是随机的，因此，要正确地理解系统可靠性，就需要充分理解材料/组件对应力的响应，以及每个变量的可变性。
通常，失效机理被概括分为过应力机理和磨损机理。
而当设备失效时伴随而来的就是设备发生重大或轻微的故障，逐步影响设备的使用情况，从而降低系统运行的可靠性。
由设备失效引起的故障形态由内因和外因构成，内因一般是由于设备自身的原因造成，如设计缺陷、制造工艺等原因所组成，外因一般由动作应力、环境应力、人为失误以及时间因素等所组成。
电力设备一般不会在瞬间发生故障，只有在功能退化到潜在故障P点以后才逐步发展成能够探测到的故障，若潜在故障没有检测到和采用相应的措施，通常会加快设备的老化，直到达到功能故障的F点而发生事故，如图1-1所示。
图1-1电力设备失效规律（P-F曲线）
设备故障由设备的失效所引发，因而可以根据设备的各个失效阶段来对设备故障进行研究。
对设备进行良好的状态检修即是以此为基础而实现的。
通常，设备失效分为三个阶段，如图1-2所示：
图1-2常规随运行时间变化的故障率曲线
早期失效期：
在这个时期，设备的寿命损耗程度相对稳定，此时所发生的设备失效一般是由于外部环境、人为操作失误、设备处于磨合期等原因所造成。
这时，如果能改善设备运行环境、运行人员按章操作将在一定程度上降低设备发生失效的概率。
偶发失效期：
这个时间设备处于稳定运行阶段，设备的寿命损耗程度低，失效率低且稳定，几乎近似为常数，所以不太可能采取技术措施来降低失效率，这个时期是设备运行最良好的一段过程，因此发生失效的概率较小。
损耗失效期：
随着设备运行时间的增长，设备经过长时间的运行，内部损耗较为严重，设备的寿命损耗程度上升，特点是失效率随着时间的推移而呈上升趋势，是设备故障的多发时期，也是设备进行检修的重要时期。
1.3设备的状态监测与故障诊断
设备故障诊断由状态监测、故障诊断、状态预测、安全保障和维修决策等环节组成（图1-3）。
作为设备故障诊断的主要环节，状态监测与故障诊断是一个有机整体。
同时，状态监测是故障诊断的基础、先决条件及必要手段，故障诊断是综合监测数据和信息进行决策的部分。
对设备进行状态检修依赖于先进传感测量技术、智能化通信网络和状态监测与故障诊断技术，而设备的监测系统是状态维修的基础和根据。
鉴于本文的研究内容，重点介绍一下状态监测与故障诊断技术。
图1-3设备故障诊断的主要环节
1.4设备的状态监测
根据状态监测的要求，状态监测可分为离线状态监测和在线状态监测。
下面就对这两种状态监测的定义及优缺点进行简单介绍。
1.4.1离线状态监测
传统的设备管理方法之一是对设备进行离线状态监测，也是以前使用最多最重要的方式。
所谓离线状态监测就是通过对运行中的设备或停止运行的设备定期进行规定项目的检查，从而发现设备的问题和隐患对其进行维护或维修。
离线状态监测具有投资小、监测面宽、设备相对简单、使用方面、地设备影响小、适合小型系统和设备等优点，但反映相对迟钝、数据整理麻烦并且数据不全、必须另外配备分析系统等不足之处。
长期以来，离线状态监测对于及时发现设备的问题起到良好的效果，而且其价格较低，便于携带，为企业节省了大量的投资。
1.4.2在线状态监测
在线状态监测主要是通过装在生产线和设备上的各类监测仪表，对生产及设备状况进行连续自动检测。
设备在线监测技术对设备状态实时监测，不受设备运行情况和时间的限制，可以随时检测设备的绝缘状态，一旦设备出现缺陷，能及时发现并跟踪检测、处理，对保证设备安全运行具有重要的意义。
在设备运行状态下对设备参数进行检测，检测结果符合实际情况，更加真实和全面。
可根据设备缺陷的发展和变化来确定检修项目、内容和时间，检修目的明确，针对性更强，有目的地进行维修，可提高维修水平，使设备运行更安全、可靠。
以上可以看出在线状态监测具有实时性强、真实性高、针对性强等优点，但其建设成本较高，现在仍处于推广期。
第二章变压器故障检测
2.1变压器常见故障类型
2.1.1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,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,造成十分严重的后果和损失。
通过检查发生故障或事故的变压器和进行事后分析,发现电力变压器绕组变形是诱发多种故障和事故的直接原因。
一旦变压器绕组已严重变形而未被诊断出来仍继续运行,则极有可能导致事故的发生,轻者造成停电,重者将可能烧毁变压器。
致使绕组变形的原因,主要是绕组机械结构强度不足、绕制工艺粗糙、承受正常容许的短路电流冲击能力和外部机械冲击能力差。
因此变压器绕组变形主要是受到内部电动力和外部机械力的影响,而电动力的影响最为突出,如变压器出口短路形成的短路冲击电流及产生的电动力将使绕组扭曲、变形甚至崩溃。
2.1.2放电故障
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。
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。
放电故障可以分为局部放电故障、火花放电故障、电弧放电故障三种类型。
（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。
（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。
（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。
综上所述,三种放电的形式既有区别又有一定的联系,区别是指放电能级和产气组分,联系是指局部放电是其他两种放电的前兆,而后者又是前者发展后的一种必然结果。
由于变压器内出现的故障,常处于逐步发展的状态,同时大多不是单一类型的故障,往往是—种类型伴随着另一种类型,或几种类型同时出现,因此,更需要认真分析,具体对待。
2.1.3绝缘故障
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）的寿命决定的。
实践证明,大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。
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、纸板和木板等。
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,减低或丧失了绝缘强度。
2.1.4铁芯故障
电力变压器正常运行时,铁芯必须有一点可靠接地。
若没有接地,则铁芯对地的悬浮电压,会造成铁芯对地断续性击穿放电,铁屑一点接地后消除了形成铁芯悬浮电位的可能,但当铁芯出现两点以上接地时,铁芯间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流,并造成铁芯多点接地发热故障。
铁芯接地故障会造成铁芯局部过热,严重时,铁芯局部温升增加,轻瓦斯动作,甚至将会造成重瓦斯动作而跳闸的事故。
2.2变压器故障诊断方法
变压器存在异常情况时，应及时对其故障类型作出判断，经过多年的研究，相关学者开发了多种变压器故障诊断方法。
如IEEE57.104-1991判断法、LCIE判断法、气体图形法、坐标法、特征气体法、IEC三比值法等。
限于实际应用及篇幅问题，本节主要阐述特征气体法、IEC三比值法两种方法。
2.2.1特征气体判断法
特征气体法主要是根据变压器内部气体含量来判断变压器故障类型。
由于通过对变压器的分析可以找出反映内部故障引起的油、纸绝缘等的热分解本体，同时，气体的类型及气体含量与变压器故障类型、故障能量、绝缘材料等有关，不同的气体类型及含量可以反映不同的故障性质。
由故障点产生的特征气体与故障源之间的大致关系如表2-1所示。
表2-1判断故障性质的特征气体法
故障性质
特征气体的特点
一般过热性故障
总烃较高，C2H2<5×10-6
严重过热性故障
总烃较高，C2H2>5×10-6但未构成总烃主要成分;
总烃较高，H2较高
局部放电
总烃不高，H2>10×10-6,CH4占烃中的主要成分
火花放电
总烃不高，C2H2>10×10-6,H2较高
电弧放电
总烃高，C2H2高，H2含量高
根据725287-GB《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中关于运行中变压器油中溶解气体含量的有关规定，当油中总烃超过150ppm,H2超过150ppm,C2H2超过（调整符号的格式）150ppm时要对运行中的变压器特别注意。
由于特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，并且使用起来比较方便，直观有效，因而被大量应用。
2.2.2三比值法
在实际运行中发现，对于不同温度下的平衡压力，某些特定碳氢气体的析出速率会随温度的不同而发生变化，同时每种气体在不同的温度下达到其最大析出速率，在特定温度下各类气体的相对析出速率也是固定的。
经过多年的研究和测量发现，随着温度升高，析出速率达到最大值的次序依次为：
H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。
根据这一理论，随温度的变化，故障点产生的各气体组分间的相对比例是不同的。
在725287-GB《变压器油中溶解气体分析和判断导则》和IEC在1978年颁布的IEC599-1978有关变压器DGA故障诊断的标准采用选择5种特征气体的三个相对比例C2H2/C2H4.CH4/H2.几札/几凡进行故障诊断。
修改后的比值法将己知故障按从早期故障到重大故障的顺序做了合理的安排，此后，IEC三比值法一直是利用DGA结果对充油电力设备进行故障诊断的最基本的方法，其编码规则和对应的故障类别如表2-2.表2-3所示。
表2-2IEC三比值法编码规则
气体比值范围
比值范围的编码
C2H2/C2H4
CH4/H2
C2H2/C2H6
＜.1
0
1
0
≥0.1～＜１
0
0
0
≥１～＜３
1
2
1
≥３
2
2
2
表2-3IEC三比值法故障类型判断表
编码组合
故障类型判断
编号
C2H2/C2H4
CH4/H2
C2H2/C2H6
0
0
0
低温过热（低于100℃）
1
2
0
低温过热（150～300）℃
2
2
1
中温过热（300～700）℃
3
0,1,2
2
高温过热（高于700℃）
4
1
1
0
局部放电
5
0,1
0,1,2
低能放电
6
2
2
0,1,2
低能放电兼过热
7
0,1
0,1,2
电弧放电
8
2.3变压器的在线监测
电力变压器是输电和配电网络中最重要的设备。
传统收集状态信息的方法是检查外观、高压电气试验、继电保护等方式，但这些方法只能在事故过后才能获得状态信息。
随着变压器现代维修技术的发展，产生了状态监测，打破了传统方式收集变压器信息的局限性。
目前通过变压器在线监测来获得变压器的信息数据。
变压器在线监测技术的优越性在于以微处理技术为核心，具有标准程序软件，可将传感器、数据收集硬件、通信系统和分析功能综合为一体，有效弥补了传统方法的不足。
对变压器进行在线监测可以更全面的反映变压器的运行状况，及早捕捉变压器早期故障的征兆，从而使运行和管理人员更容易掌握变压器的运行现状。
目前国内有关变压器的在线监测主要有油中溶气在线监测、变压器油色谱在线监测、变压器绕组热点和变形在线监测、变压器油中微水在线监测、变压器漏油在线监测、局部放电在线监测、红外监测等。
第三章变压器状态检修实例
以一台110kV变压器（型号SF-SZ8-31500/110，2003年2月投运）为例，经检测，油色谱试验发现总烃超标，经三比值法分析结果判断为700℃以上高温，根据上一章所述表2-1、2-3进行分析，判断变压器为可疑状态。
有关跟踪分析数据见表3-1：
表3-1某变压器色谱分析数据μL/L
取样时间
氢气
甲烷
乙烷
乙炔
乙烯
总烃
2013.05.25
39.7
148.9
61
0
239.2
449.2
2013.05.29
50
134.2
69.4
0
244.9
448.5
2013.08.21
51.5
204.8
81.9
0
289.7
576.5
2013.09.20
64.1
196.4
90.6
0
296.6
583.6
2013.10.22
1.49
15.3
36.96
100.8
152.8
立即进行跟踪分析两次，总烃增长缓慢，无继续发展。
对铁心、夹件绝缘进行试验检查，发现铁心和夹件之间绝缘电阻为0，用万用表测只有6Ω（正常情况下为绝缘状态）。
变压器过热为铁心和夹件之间的循环电流发热所致，由于变压器铁心和夹件分别引出，采用钳型电流表测量环流为800mA，经分析认为此变压器状态发生了变化，转为可靠性下降状态。
铁心和夹件之间发生短接的原因可能为杂质短路。
2013年8月20日，利用电容放电法对该变压器铁心和夹件进行了冲击放电处理，以断开铁心与夹件之间的短接物质。
经放电冲击处理后，变压器铁心和夹件之间绝缘恢复到2000MΩ。
变压器试运行后，铁心与夹件之间的环流仅为0.4mA。
经继续跟踪，变压器油色谱分析总烃稳定，不再增长。
说明变压器内部缺陷消除，状态恢复为可疑状态。
2013年10月20日对变压器油进行了滤油再生处理，油中总烃基本满足标准要求，变压器转为正常状态。
第四章总结
随着我国经济的迅猛发展及产业结构的调整，电力需求必将继续保持高速发展的势头，而当前电力建设滞后、设备老化、新技术更新较慢等问题必将进一步阻碍电力事业的发展，电力行业面临着设备利用率低、运行成本高、系统安全运行风险系数高等问题。
作为解决这些问题的方法之一就是加强电力设备的安全运行。
而这就需要电力工作者能够及时准备的掌握设备的运行状态，从而对设备进行安全生产管理。
变压器作为电力系统的主要设备，对其进行在线监测及故障诊断从而实现对其的状态检修就显得至关重要。
因此利用在线监测技术对变压器在线运行状态进行持续监视，准确诊断其早期的潜伏性故障，可以有效对变压器进行管理，实现变压器的状态检修。
目前遂溪供电局对变压器的检修策略是故障检修和定期检修，因而缺乏合理性，浪费了大量的人力、财力、物力，严重影响着企业效益。
论文对变压器的状态检修体制进行了研究，具体的研究和工作内容安排如下：
分析状态检修的基本原理，并探讨了变压器常见的故障并分析其原因，在此基础上分析了不同的状态检修方法的特点和适用范围。
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2.
致谢
本课题在选题及研究过程中是在到老师们的亲切关怀和悉心指导下完成的。
感谢老师严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，感染和激励着我。
是我坚持把这篇论文完成下去。
从课题的选择到项目的最终完成，历时半年，从论文选题到搜集资料，从开题报告、写初稿到反复修改，期间经历了各种不同的心情变换，在写作论文的过程中心情是如此复杂。
如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，自己有一点成就感。
之前的总总努力总算小有成果。
在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢培养我四年的母校，没有母校的悉心栽培没有我今日我的成功。
感谢同学们的不离不弃，让我四年来的生活充满欢乐。
最后感谢父母的悉心培养。
正是你们无微不至的关怀与呵护，促使我日后更加努力的投入新的环境。
这也是我人生中最大的财富感谢导师在学习过程中给予我的帮助。
还要对学长学姐们在学习和生活中对我的帮助和鼓励表示特别的感谢！
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