1、目 录1 绪 论 .11.1 选题背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .22 变压器故障 .42.1 短路故障 .42.1.1 短路电流引起绝缘过热故障 .42.1.2 短路电动力引起绕组变形故障 .52.2 放电故障 .62.2.1 放电故障的类型与特征 .62.2.2 放电故障对变压器绝缘的影响 .82.3 绝缘故障 .92.3.1 固体纸绝缘故障 .92.3.2 液体油绝缘故障 .102.3.3 影响变压器绝缘故障的主要因素 .133 变压器油中气体分析诊断与故障检查 .143.1 变压器油中溶解气体分析的原理 .143.1.1 变压器绝缘材料的化学组成 .143.1.2 气体在绝缘
2、油中的溶解 .143.2 特征气体法与故障联系 .153.2.1 特征气体分析与故障联系 .153.2.2 判断方法 .174 特征气体法在变压器故障中的应用 .195 结 论 .24参考文献 .25致 谢 .26平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健11 绪 论1.1 选题背景和意义国民经济持续快速发展，使电力短缺问题日益突出，电力设备超负荷运行已经接近运行极限，电力系统安全形势严峻；2003 年 8 月 14 日的美国、加拿大停电事故发生后，电力系统的安全问题引起了世界的普遍重视，我国把电力系统的安全列入国家安全体系。为实现国家总体能源发展及
3、布局方针， “西电东送、南北互供、全国联网、厂网分开”己成为 21 世纪前半叶我国电力工业发展的方向，将有大量的电力自西部送往东部。而作为输变电的重要设备变压器，对其安全可靠运行的要求是显而易见的，电力变压器在高电压下长期运行，受各种因素影响如过负荷运行、短路电流冲击等，性能逐渐下降。特别是长期运行后造成绝缘老化、材质劣化及预期寿命减少等情况，变压器小故障频发，大的灾难性事故也时有发生，安全问题突出。因此，必须进行电力变压器健康诊断的研究。保证电力变压器健康运行的关键是对电力变压器运行状态进行准确监测，根据运行过程中的各种状况诊断变压器当前的运行状态，预测其发展，及早发现变压器运行状态异常，将
4、“故障诊断”上升为“健康诊断” 。多年来的事故统计结果表明，变压器发生的事故往往是由于对故障的早期征兆缺乏认识或没有引起足够的重视，未能及时处理从而导致故障进一步发展为恶性事故。作为绝缘监督的手段，过去国内广泛采用直流泄露、绝缘电阻、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量设备停运，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测出绝缘局部缺陷较好的方法，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，因此可以定期的
5、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。这在实践中已经充分地显示出了较大的经济效益。平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健21.2 国内外研究现状目前国内外采用变压器油中溶解气体来诊断变压器故障的方法主要有特征气体法，比值法，以及人工智能技术的方法。特征气体法诊断变压器故障主要是根据变压器发生不同故障时，油中溶解的气体主要成分和次要成分是有所区别的。比如电弧和火花放电的主要成分是C2H2， H2；局部放电时的主要成分是 H2，CH 4；过热时产生气体的主要成分是CH4， C2H4
6、；当故障涉及固体绝缘时会产生大量的 CO，CO 2。人们根据油中各种气体的浓度就可以大致判断故障的类型。比值法是根据各种特征气体的比值来判断变压器的故障类型的方法。具体的来说，比值法又可分为有编码的比值法和无编码的比值法。前者有 IEC 三比值法及其改进形式，后者是取消了气体比值区间对应于某一编码，而直接用比值的范围对应于一种故障。比值法是通过对大量的故障的统计分析的基础上，舍弃了较小概率的情况而得到的，所以其准确率不能达到很高，对收集到的全国 1300 多台次故障变压器分用三比值法进行诊断，其准确率为 74%。由于比值法对比值区间的划分是确定的，而变压器的溶解气体浓度与故障类型的关系具有模糊
7、性，所以比值法难以确切反映变压器故障的情况，当出现多种故障类型联合时，可能在表中找不到相应的比值组合，同时在比值的边界附近的故障，往往容易误判。目前采用人工智能方法的变压器的油中溶解气体诊断方法是整个气相色谱诊断研究的重点和热点。应用的人工智能方法主要有模糊数学、专家系统、神经网络、信息融合、数据挖掘以及灰色系统和粗糙集理论等。在各种智能方法中模糊数学有着广泛的应用，模糊数学应用于变压器油中色谱分析主要有模糊综合诊断和模糊聚类等方法，模糊综合诊断是将原来的普通的故障类型集和故障征兆集转化为模糊集合的形式，同时对应于选取不同的反映变压器故障的故障征兆集模糊关系矩阵和故障集有着不同形式的应用。而以
8、油中溶解气体为特征量的模糊聚类诊断方法主要有基于模糊关系的动态聚类的方法和基于目标函数的模糊聚类方法，基于目标函数的模糊聚类方法的典型代表是模糊均值算法(Fuzzy c-mean) 即 FCM 算法又叫 ISO Data 算法。目前专家系统在色谱诊断中的应用主要是结合电气试验，变压器一些其它的诊断注意事项，以及将神经网络，模糊数学等结合起来以提高平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健3故障判断的准确性。还有其它一些智能方法如数据挖掘，信息融合，粗糙集理论等方法在变压器油色谱分析中也有一些应用。由于单独的一种智能方法不可避免存在其局限性，将各种智能
9、方法结合使用已成为诊断方法发展的必然趋势。总之，基于气相色谱分析的变压器故障诊断系统的开发是一个长期的渐进式的过程需要不断改进，不断创新，不断完善，更需要在实际应用中接受检验。智能型系统在变压器故障诊断中的发展前景被各领域专家所看好，但目前尚处于起步阶段，需要研究者进一步探索。无论使用哪种方法，如何选取能有效的反映故障信息的特征参数都是能更有效诊断的前提条件。因此，必须深入研究充油电气设备故障与绝缘油中气体色谱的关系，并在此基础上采用合适的方法才能进一步提高油中溶解气体诊断的准确性。 平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健42 变压器故障2.1
10、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，约占全部事故的一半以上，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
11、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，热稳定性差时，会使变压器绝缘材料严重损坏，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IKA（2-1）注： K比例系数，其值与短路类型有关I所求短路类型的正序电流绝对值不同短路类型的正序电流绝对值表达式为：21REI（2-2 ）注： E故障前相电压R1等值正序阻抗平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健5R2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
12、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 15-20，三相短路约占 5，其中以三相短路时的短路电流值最大。忽略系统阻抗对短路电流的影响，则三相短路表达式为Id13= = ZUNI（2-3）式中 Id13三相短路电流U变压器接入系统的额定电压Z变压器短路阻抗IN变压器额定电流UN变压器短路电压对 220KV 三相绕组变压器而言，高压对中低压的短路阻抗一般在 1030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
13、组变形将是轻微的；如果短路电流大，继电保护延迟动作甚至拒动，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，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，制定合理的变压器检修周期是提高变压器抗短路能力的一种重要措施。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，过去只采用吊罩检查的方法，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 TDT1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、低三相的九个绕组分别施加10KHz 至1KHz平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变
14、压器故障检测与健康诊断研究 刘永健6的高频脉冲，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，能比较科学的正确判断主变压器绕组变形情况。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，绕组内多采用绝缘直筒支撑，但有些厂家仅考虑变压器的散热能力，对于其动稳定，则只要计算数值能够满足要求，便将支撑取消，于是当变压器遭受出口短路时，由于动稳定性能力不足，而使
15、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、火花放电和电弧放电三种类型。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象称为局部放电。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，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。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
16、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。外界环境条件的影响。如油处理不彻底使油中析出气泡等，都会引起放电。金属部件或导电体之间接触不良。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，而引起严重的平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健7事故。由于制造质量不良。如某些部位有尖角高而出现放电。带进气泡、水分和杂物。（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。放电能量密度在 10-9C 以下时，主要成分是 H2，其次是 CH4，H 2 约占总量的
17、 80-90 。当放电能量密度为 10.8-10.7C 时，则氢气相应降低，而出现 C2H2，但 C2H2 这时约占总量的 2，甚至更低，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。（3）测量局部放电的方法。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。电测法的灵敏度高，测到的是视在放电量，分辨率可达几皮库。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。超声测法灵
18、敏度低，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。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，例如几天测量一次，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 106C 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，由于结构上的原因，或运输过程和运行中造成接触不良而断开，处于高压与
19、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，往平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健8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。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
20、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。 （3）火花放电的影响。一般来说，火花放电不会很快引起绝缘击穿
21、，需要经过一段时间。主要反映在油色谱分析异常、局部放电量的增加，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，常以绕组匝间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或分接开关飞狐等故障。（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，造成绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化烧毁。严重时会造成设备烧损，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L L，变压器油亦因炭化而变黑。油中特征气体的主要
22、成分是 H2 和 C2H2，其次是 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。平顶山学院 2012 届本科毕业论文 基于油气量的变压器故障检测与健康诊断研究 刘永健9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，往往是一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。2.2.2 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
23、击绝缘，使局部绝缘受到破坏并逐步扩大，导致绝缘击穿。另一种是放电产生的热、臭氧等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，最后导致击穿。（1）绝缘材料老化是放电故障的主要形式。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。放电热效应引起绝缘材料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。放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分发生化学反应生成硝酸物腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。放电过程的高能辐射，使绝缘材料变脆。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。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）的寿命决定的。油浸变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸，所谓变压器绝缘的老化，
