基于油中溶解气体的电力变压器故障分析装置的设计.docx
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基于油中溶解气体的电力变压器故障分析装置的设计
毕业论文
题目:
基于油中溶解气体分析的电力变压器
故障分析装置设计
TitleDesignofaTransformerFaultAnalysisDeviceBasedonthe
DissolvedGasofTransformerOilsAnalysis
Abstract
Thisarticletakesthepowertransformerastheobjectofstudy,usingtheVirtualInstrumenttechnologytodeveloppowertransformerfaultanalysissystem'sresearchandthedevelopmentworkbasedonthegasesdissolvedintheoil.Firstly,thisarticleelaboratedimportantmeaningfortheresearchonatransformerfaultanalysisdevicebasedonthegasdissolvedinoil,domesticandforeignpresentresearchanditstrendofdevelopment.Secondly,itstudiedthemaintypeofdissolvedgasintheoilandeachkindofproportionalrelationshipprincipleunderthedifferentfaultconditions,andthendeterminedtousetheimprovementthreeessentialfactorlawtocarryonthepowertransformerfaultdiagnosis.TheprogrammedlanguagewithLabVIEWwasintroducedbriefly.Finally,aMQseriesdistributedcompoundexpressiongasstrengthsensorwhichtheChongqingUniversityHighvoltageResearchinstitutedesignedwasused,thePCI-6221dataacquisitioncardoftheNationalInstrumentCompany（NI）takedthedataacquisitionchannel,carriedongatheringandprocessinglaboratorysimulationsignals,andsystemsimulationwasrealized.
ThepaperproposestheresearchideaofcombiningthepowertransformerconditionevaluationwithfaultdiagnosisandfaultforecastingbasedontheVirtualInstrumenttechnology.Thesimulationexperimentalresultsconfirmstheimprovementthreeessentialfactorlawareabletoprovidethetheorybasisforpowertransformer'sconditionmaintain.Ithasthemeaningsandpracticalapplicationvaluetoreducepowertransformer'smaintenancecostandenhancepowertransformer'sreliability.
Keywords:
TransformerDissolvedGasAnalysisVirtualInstrumentOnlineExamination
目次
1引言
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.
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.电力变压器故障诊断技术的研究是电力变压器状态维修的基础工作.由于变压器是一个老化和故障机理复杂，具有不确定性的复杂系统，因此，电力变压器故障诊断技术是一项复杂而艰巨的任务.变压器运行工况、历史运行记录不同，同类变压器的状态就可能不相同;相同工况下不同类型变压器的状态也可能不同.因此研究变压器状态与运行工况、历史运行记录的关系及其规律，准确评估变压器状态，对实施变压器状态维修、降低变压器维修费用和提高变压器可靠性具有重要的理论意义和实际应用价值.
1.2变压器状态在线监测的发展及其现状
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.
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.
美国GE能源公司研制出了HYDRAN201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.HYDRAN201Ti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.HYDRAN201Ci通讯控制器提供了HYDRAN201Ti智能传送器的网络通讯能力，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.HYDRAN103B是便携式全自动电池供电的装置.
图1.1HYDRAN2018ModelTi变压器故障气体在线监测装置（左）
图1.2HYDRAN103B便携式变压器故障气体监测器（右）
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，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.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.
1.3本文研究的主要内容与组织结构
1.3.1研究的主要内容
本文主要通过对油中溶解气体的电力变压器故障检测原理的研究，采用虚拟仪器技术，研制一种电力变压器故障诊断装置.
1.3.2论文组织结构
根据本文的研究内容，本文共分六章，各章的内容安排如下：
第一章，引言.论述了电力变压器的重要作用，选题的背景以及研究电力变压器故障诊断的意义.
第二章，介绍电力变压器内部故障与油中溶解气体的理论背景.主要论述本设计的相关背景知识与判定原理.
第三章，基于油中溶解气体的电力变压器故障判断装置总体设计.主要叙述了课题的设计要求，以及设计的总体方案.对各模块作了简单的介绍.
第四章，硬件设计.包括传感器的选择、数据采集电路的选择、控制计算机的设置等.
第五章，软件设计.包括虚拟仪器技术、LabVIEW软件设计等.
第六章，运行结果.主要是系统仿真的运行结果及其对实际应用的指导意义.
1.4本章小结
本章阐述了电力变压器故障诊断技术研究的重要意义，从状态评估、故障诊断和故障预测三方面详细介绍了国内外智能信息处理在该领域的研究现状，指出了目前电力变压器故障诊断技术中存在尚待解决的问题，确立了本文的研究路线和主要研究内容.
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,C02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、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.
2.3电力变压器内部故障的主要类型
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，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.
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.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.
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.
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.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.
2.4电力变压器油中溶解气体产生的机理
2.4.1气体产生的原理
电力变压器内部产生的气体可分为正常气体和故障气体.正常气体是变压器在正常运行时因绝缘系统正常老化而产生的气体;故障气体则为变压器发生故障时引起绝缘物的热分解或放电分解而产生的气体.电力变压器的绝缘材料主要有两种：
一种是液体绝缘材料—变压器油；另一种是固体绝缘材料—各种油浸纸、电缆线、绝缘纸板、白纱带和黄蜡等.
电力变压器在正常运行时，因油泵的空穴作用和管路密封不严等原因会使空气混入，变压器和油在未投入运行之前，虽然经过干燥和脱气，但仍不彻底，有残留气体存在；开放或密封不严的变压器，在运行中会有空气溶入油中.当运行条件发生变化时，这些气体可能析出.大量的运行经验和实验研究还证明，运行着的油浸变压器，变压器油和有机绝缘材料在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类以及CO和CO2等气体.上述这些气体首先溶入油中，达到饱和后便从油中析出.
变压器在正常状态下产生的热量不足以破坏变压器油烃分子内部的化学键，但是当变压器内部存在局部过热或电弧高温等故障时，故障点就会释放出热能，这些能量有很大一部分用于油和固体绝缘材料的裂解，使烃类化合物的键断裂而产生CH4,C2H6,C2H4和C2H2等低分子烃类，以及CO,CO2和H2等气体.
变压器油的烃分子约在300~400℃开始断链，并逐步生成低分子的饱和气态烃，随着热分解温度升高，油中产生低分子烃的不饱和度不断增加，亦有烯烃和炔烃生成，各种烃和H2的含量也逐步增加.根据实验表明，随着热解温度的升高，热解气体各组分出现的顺序为:
烷烃→烯烃→炔烃.受热时间愈长，气体的相对含量愈大.
根据模拟试验和大量的现场试验表明，绝缘油在300~800℃时，热分解产生的气体主要是CH4、C2H6等低分子烷烃和C2H4，C2H6等低分子烯烃，也含有H2；绝缘油暴露于电流较大的电弧放电之中时，分解气体大部分是H2和C2H2，并有一定量的C场和C2场；绝缘油暴露于电流较小的局部放电之中时，主要分解出H2和少量的CH4；在120~150℃长期加热时，绝缘纸和某些绝缘材料分解出CO和CO2；在200~800℃下热分解时，除了产生碳的氧化物之外，还含有烃类气体，CO2/CO比值越高，说明热点温度越高.表2.1列出了各种故障下产生的主要气体成分（表中“▲”表示主要成分，“△”表示次要成分）
表2.1各种故障下油和绝缘材料产生的气体成分
气体成分
强烈过热
电弧放电
局部放电
油
绝缘材料
油
绝缘材料
油
绝缘材料
H2
△
△
▲
▲
▲
▲
C2H4
▲
▲
△
△
△
▲
C2H6
▲
△
C2H4
△
▲
△
△
C2H2
▲
▲
C3H8
△
△
C3H6
△
▲
CO
△
▲
△
CO2
▲
△
△
因此，不管是热性故障还是电性故障，其特征气体一般有CH4,C2H6,C2H4,C2H2；以及CO,CO2和H2，国内外均选择其中的数种气体作为故障诊断的特征气体.
变压器油中溶解气体的来源主要包括以下几种:
（1）绝缘油的分解
绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有烷基,烯基,炔基等化学基团，并由C-C键结合在一起.电或热故障可以使某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成H2,CH4、C2H6,C2H4和C2H2等气体，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物.故障初期，所形成的气体溶解于油中;当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体.碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备的内部.
局部放电等低能量故障通过离子反应促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成H2而积累.对C-C键的断裂需要较高的温度或较多的能量，然后迅速以C-C键、C-C二键和C-C三键的形式重新化合成烃类气体，它们依次需要越来越高的温度和越来越多的能量.
C2H4虽然在较低的温度时也有少量生成，但主要是在高于CH4和C2H6的温度下生成的，大约为500℃.C2H2一般在800-1200℃的温度下生成，而且当温度降低时，反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累.因此，大量C2H2是在电弧的弧道中产生的，当然，在低于800℃的较低的温度下，也会有少量C2H2生成.
油起氧化反应时，伴随生成少量的CO和CO2，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体.另外，油在500~800℃的温度下碳化生成碳粒.
固体绝缘材料的放电能量对变压器油分解时产生的气体组分有一定的影响.一般情况下，放电能量较低时，产生的气体中H2含量较高，其次为CH4和C2H4等低分子气态烃.随着放电能量的增大，有C2H2产生，并且其含量将不断随之增大.
（2）固体绝缘材料的分解
当变压器内部存在放电或过热等故障时，故障区附近的纸、层压板或木块等固体绝缘材料的分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C-O键，它们的热稳定性比油中的碳氢键要弱，能在较低的温度下裂解并重新化合，形成碳的化合物，聚合物裂解的有效温度高于完全裂解和碳化300℃，在生成水的同时，生成大量的CO,CO2和少量烃类气体，同时油被氧化.CO和CO2的形成不仅随温度而且随油中氧的含量和纸的湿度增加而增加.变压器内油浸绝缘纸在空气中加热分解时，产生的主要气体是CO和CO2，其次是H2和气态烃.随着温度的升高，产生的CO和CO2逐渐增多，CO2/CO比值也随之升高，800℃左右时比值可高达2.5.其他固体绝缘材料的热解气体主要是CO和CO2，这些固体绝缘材料比绝缘纸和油容易产生C2H2.若油中存在固体绝缘物，放电时还会产生较多的CO和CO2，其含量随固体绝缘物的不同而异.
（3）气体的其他来源
在某些情况下，有些气体可能不是设备故障造成的，例如油中含有水，可以与铁作用生成氢；过热的铁芯层间油膜裂解也可生成氢；新的不锈钢中也可能在加工过程中或焊接时吸附氢而又慢慢释放到油中;特别是在温度较高，油中有溶解氧时，设备中某些油漆在某些不锈钢的催化下甚至可能生成大量的氢;某些改型的聚酞酞亚胺型的绝缘材料也可生成某些气体而溶解于油中;油在阳光照射下也可以生成某些气体；设备检修时，暴露在空气中的油可吸收空气中的CO2等，如果不真空滤油，则油中CO2的含量在300ppm（uL/L）左右.
另外，某些操作也可生成故障气体，例如：
有载调压变压器中切换开关油室的油向变压器主油箱渗漏，或选择开关在某个位置动作时，悬浮电位放电的影响；设备曾经有过故障，而故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍留在油中；设备油箱带油补焊；原注入的油就含有某些气体等.
这些气体的存在一般不影响设备的正常运行，但当利用气体分析结果确定设备内部是否存在故障及其严重程度时，要注意加以区分.
分解出的气体形成气泡，在油里经对流和扩散，不断地溶解在油中.这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系.因此，分析溶解于油中的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况.
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