電力變壓器故障診斷之變壓器診斷

1、8 變壓器81 變壓器及其絕緣材料811 概述受絕緣水平的限制，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不可能太高。從火、水、核等發(fā)電站發(fā)出的電能，要經(jīng)過升壓電力變壓器將電壓升高送到電力網(wǎng)，然后又將電力網(wǎng)的高電壓經(jīng)過電力變壓器變成符合用戶各種電氣設(shè)備要求的額定電壓；同時，為了減少輸電線路上的電能損耗，必須采用高壓或超高壓甚至特高壓輸電線路輸送電能，但從區(qū)域電網(wǎng)到大區(qū)電網(wǎng)和大區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)，不僅各區(qū)域電網(wǎng)的主系統(tǒng)與分系統(tǒng)間需要各種電壓等級和容量的變壓器連接，而且其主干網(wǎng)架與受端網(wǎng)架之間的電壓等級變化也是通過電力變壓器來實現(xiàn)。因此，電力變壓器和與之配套的電抗器、電流互感器、電壓互感器等是電力系統(tǒng)最重要的電氣設(shè)備，這些充

2、有礦物絕緣油和以紙或?qū)訅杭埌鍨榻^緣材料的電氣設(shè)備的運行狀態(tài)（特別是電力變壓器的運行狀態(tài)）對電力系統(tǒng)運行的可靠性具有決定性意義。一般認(rèn)為，變壓器容量為630kVA以下的屬小型變壓器，8006300kVA的變壓器屬中型變壓器，800063000kVA的變壓器為大型變壓器，9000kVA以上的統(tǒng)稱為特大型變壓器。充油變壓器是由導(dǎo)電材料（銅、鋁合金等）、矽鋼片、絕緣材料(紙、油等)、結(jié)構(gòu)材料(鐵、不銹鋼)等很多部件和材料構(gòu)成的。充油變壓器的構(gòu)造如圖8-1所示。絕緣紙通常是使用電纜紙和馬尼拉紙，但是為滿足高電場下高氣密性與高耐熱化要求，也采用聚酰亞胺的復(fù)合紙。 圖8-1 充油變壓器由于變壓器絕緣中的油隙

3、較大，電壓基本上都加在油隙上。根據(jù)變壓器中電極的形狀，一般采用的設(shè)計電場強(qiáng)度為3kV/mm。在充油變壓器中，絕緣油也起著作為冷卻媒體的重要作用。由于變壓器的能量損耗使得其發(fā)熱量較大，而且隨著外界負(fù)載的變化溫度的變化也很大。因此，要求變壓器油必須熱穩(wěn)定性好、且不容易發(fā)生化學(xué)變化、不易氧化，為此變壓器油以使用礦物油為主。另外，對于以油循環(huán)為冷卻方式的變壓器，必須在內(nèi)部形狀及絕緣油方面采取措施，避免由于油的流動帶電而引起的絕緣破壞。下面，對變壓器的結(jié)構(gòu)加以說明。小型變壓器的線圈有用雙層紗包線和漆包線包覆的圓截面導(dǎo)體等，大型變壓器則使用紙絕緣包覆的矩形截面導(dǎo)體。以上這些線圈的成型方法有直繞式和模繞式之

4、分。直繞式如圖8-2所示，在層疊鐵芯上加上絕緣材料，然后在其上繞制線圈，并進(jìn)一步進(jìn)行絕緣處理之后，再繞上高壓線圈。這種方法主要用于小容量(鐵芯式構(gòu)造)的柱上變壓器。圖8-2直繞式繞組的布置圖 8-2 直繞式繞組的布置模繞式則是在木制的繞線模和絕緣筒上繞上線圈，在進(jìn)行絕緣處理之后再與鐵芯組合起來。這種方法的使用范圍很廣。圖8-3所示為各種模繞式線圈。圖上8-3(a)所示的是繞線方法上最為簡單的筒型線圈。圖8-3(b)是沿徑向處將圖8.3(a)中的筒型線圈進(jìn)行多重疊合得到的。圖8-3(c)表示的是將繞成餅狀的線圈進(jìn)行多層重疊的結(jié)果，這是在大容量高壓線圈中使用最為廣泛的一種方法。將厚度為14mm、寬

5、度為515mm的紙包扁銅線重疊卷好后得到的線圈作為一個單元，把兩個這樣的線圈連接起來得到雙線圈。在這個雙線圈之間加上足夠數(shù)量的間隔片，再將其外側(cè)的出口線進(jìn)行串聯(lián)。圖8-3(d)表示的是將矩形線圈螺旋狀成多層重疊放，線圈與線圈之間加入絕緣隔離片，又稱這種線圈為螺旋線圈。這種方法由于絕緣油可在線圈間自由通過故其特點是冷卻效果得到加強(qiáng)。（d）長方餅型線圈（c）餅型線圈（b）筒型線圈（a）筒型線圈圖8-3模繞式線圈變壓器絕緣可以區(qū)分為線圈本身的絕緣和鐵芯、油箱與線圈間的絕緣、線圈之間的絕緣以及線圈的相間絕緣幾部分。針對于不同部位的絕緣，在如圖8-4所示的情況下，使用的是電纜紙和層壓隔板等。特別是對于端

6、部絕緣，按照電場強(qiáng)度分布的集中程度，使用了符合等電位面形狀的壓制成型絕緣層。圖8-4 主絕緣第一油隙的皺紋紙?zhí)畛浣^緣結(jié)構(gòu)示例812 油浸式變壓器用的絕緣材料1變壓器油這是最基本的絕緣材料，充滿整個變壓器油箱，起絕緣和散熱兩種重要作用。它的耐電強(qiáng)度、傳熱性比空氣好得多，熱容量也比空氣大得多。在電壓6千伏、容量10千伏安以上的變壓器幾乎均采用油浸式。2絕緣紙和紙板絕緣紙（包括絕緣紙板）由未經(jīng)漂白的硫酸鹽纖維制成。纖維素(C6H10O5)n分子結(jié)構(gòu)是鏈狀，含有羥基，耐油和不熔；宏觀結(jié)構(gòu)纖維呈管狀，纖維之間呈多孔狀，因此具有透氣性、吸水性和吸油性；擊穿電場強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性均不高，但浸漬變壓器油后

7、，電氣性能良好。透氣性愈小則擊穿電場強(qiáng)度愈高。必須指出，透氣性小并不意味浸漬性差，二者是不同的性能。絕緣紙和紙板的品種有電容器紙、電纜紙、電話紙、卷繞紙、浸漬紙、絕緣紙板和鋼紙（板和管）。鋼紙經(jīng)氯化鋅處理，不能用于高壓油浸變壓器；膠紙板（或筒）含有游離酚等雜質(zhì)，也不宜用于高壓變壓器。用于高壓電力變壓器主要有電纜紙、電話紙及絕緣紙板和筒。3油紙絕緣 油與紙結(jié)合使用性能非常良好。這是兩種最常見和最經(jīng)濟(jì)的絕緣材料，但其組合具有極高的耐電強(qiáng)度，比一般其它絕緣材料高很多，也比二者分開時任何一種材料高得多。紙在低溫下無顯著性能下降，也能承受短時較高溫度和一般短路情況下的機(jī)械強(qiáng)度要求。其他的絕緣材料還有漆布

8、或帶絕緣漆、玻璃絲或石棉電瓷。813 變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的分類變壓器絕緣可以分為內(nèi)絕緣和外絕緣。圖8-5所示為油浸式電力變壓器的絕緣分類，（圖8-6 a）為餅式或連續(xù)式繞組的布置情況。（圖8-6 b）為多層圓筒式繞組的布置情況。內(nèi)絕緣是處于油箱中的各部分絕緣，這些絕緣是油、固體絕緣材料和二者的組合。外絕緣是空氣絕緣，這是指套管上部對地和彼此之間的絕緣以及保護(hù)間隙。內(nèi)絕緣可以分為主絕緣和縱絕緣兩種。主絕緣是某一繞組與接地部分以及與其它繞組間的絕緣。主絕緣由變壓器的一分鐘工頻耐壓和沖擊耐壓所決定。處于繞組之外，連接繞組的各部分及繞組與套管的那些連接線本身的絕緣，稱為引線絕緣，一般根據(jù)工頻耐壓試驗電壓而

9、決定，但有時也要考慮沖擊強(qiáng)度。圖8-5 油浸式變壓器的絕緣分類圖8-6變壓器繞組的絕緣布置情況a)餅式繞組1電工紙板角環(huán)2匝間紙絕緣3紙板角環(huán)4紙板端部墊圈5紙板筒6紙板墊塊b）圓筒式繞組1紙板墊圈2紙板隔板3紙板墊圈間的折紙環(huán)4屏蔽上的折紙環(huán)5匝間紙絕緣6線圈間紙板墊圈7膠紙筒8層間紙絕緣9層間隔板同一繞組各部分間的絕緣稱為縱絕緣，如不同線餅間、層間和匝間的絕緣等?？v絕緣由變壓器的沖擊耐壓所決定。決定變壓器絕緣的結(jié)構(gòu)首先是變壓器的電壓等級，但是變壓器的功率也有很大影響。當(dāng)功率增大時，繞組的尺寸、各元件間的距離、繞組間距離和對地距離都增大了，這由結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度和冷卻等原因所決定，因此也改變了決

10、定繞組內(nèi)部的振蕩條件和絕緣條件。當(dāng)額定電壓在35千伏以下時，變壓器功率增大引起繞組結(jié)構(gòu)的改變使得絕緣各元件間的耐電強(qiáng)度裕度很大，因而絕緣的電性計算就不很重要，熱性能常起主要作用。82變壓器的絕緣診斷方法821絕緣紙的老化診斷法1油中氣體分析在構(gòu)成變壓器絕緣的材料中，絕緣油的老化可以通過目測檢查和電性檢測等方法進(jìn)行檢測。另外，即使發(fā)生了老化，對油進(jìn)行凈化處理、換油等也是可行的。但當(dāng)絕緣紙的老化不斷發(fā)展而不能應(yīng)用時，一般來講是很難進(jìn)行修理和替換的。而且與導(dǎo)體直接接觸的絕緣紙的溫度會升高，因此可以認(rèn)為變壓器的老化由絕緣紙的老化所決定。如果變壓器的內(nèi)部發(fā)生局部過熱或局部放電，由于絕緣紙的分解、絕緣油的

11、氧化、分解氣體將溶入油中。變壓器內(nèi)部的局部過熱或局部放電而產(chǎn)生氣體的一般情況如表8-1所示,過熱或放電都會產(chǎn)生其特征氣體。只要檢測出這類氣體，就能診斷變壓器的老化程度。表8-1變壓器不同異常種類所產(chǎn)生的氣體成分異常的種類主要發(fā)生的氣體過熱絕緣油氫氣(H2),甲烷（CH4）,乙烯(C2H4),乙烷（C2H6），丙烯（C3H6），丙烷（C3H8）浸油固體絕緣一氧化碳(CO)，二氧化碳（CO2），氫氣（H2），甲烷（CH4），乙烯（C2H4），乙烷（C2H6），丙烯（C3H6），丙烷（C3H8）放電絕緣油氫氣（H2），甲烷（CH4），乙炔（C2H2），乙烯（C2H4），乙烯（C2H4），乙烷（C2H

12、6）浸油固體絕緣一氧化碳(CO)，二氧化碳（CO2），氫氣（H2），甲烷（CH4），乙炔（C2H2），乙烯(C2H4)丙烯（C3H6）注：1.黑體字表示特征氣體。2.變壓器的絕緣診斷是通過分析溶入油中的氣體來判定老化程度的。油中氣體的抽取一般是按照下面的程序進(jìn)行的。從變壓器油箱的下部采油利用鼓泡方式抽出氣體色譜分析提出油中的特定成分。日本電氣協(xié)會研究報告書的1980年版提出電壓等級劃分為275kV和500kV，其容量劃分為10 MV·A以上和10MV·A以下，但以后的大量數(shù)據(jù)表明，容量和電壓對于分解氣體并沒有太大的差別，因而1999年的修正案中去掉了這樣的分級，對檢測出的氣

13、體量的規(guī)定也做了若干調(diào)整。另外,修正案中追加了一氧化碳和二氧化碳(下面簡寫為(CO+CO2)與糠醛(C5H4O2)。(CO+CO2)與絕緣紙的平均聚合度的關(guān)系。這里，將糠醛與絕緣紙的平均聚合度的關(guān)系、糠醛與(CO+CO2)的關(guān)系分別用圖8-7和圖8-8表示。圖8-7 糠醛生成量與平均聚合度剩余率的關(guān)系圖8-8 糠醛生成量與(CO+CO2)的生成量的關(guān)系可以看出,糠醛和(CO+CO2)與絕緣紙的老化有著密切的關(guān)系。1999年的新修正案是以這些結(jié)果為依據(jù)的,提出了變壓器的壽命指標(biāo)是取線圈絕緣紙的平均聚合度為450，此時(CO+CO2)與糠醛的發(fā)生量為表8-2所示的值。表8-2 老化指標(biāo)成分的判定值

14、老化指標(biāo)成分要注意水平危險水平CO+CO20.2mL/g2. 0mL/g糠醛0.0015mg/g0.015mg/g另一方面,在其他有關(guān)發(fā)生氣體的修正案中,表示變壓器異常的各氣體量的判定分區(qū),如表8-3、表8-4及表8-5所示,區(qū)分為：需注意I級、需注意II級,以及異常級三種類型。表8-3 需注意I級TCGH2CH4C2H6C2H4C2H2CO500400100150100.5300注：只要有一個超過了上面的數(shù)值,就是需注意I級。但是, C2H2達(dá)到了0.5以上時即是需注意II級。表8-4需注意II級C2H20.5ppmC2H410ppm并且當(dāng)TCG500ppm時注：、中的條件只要達(dá)到一個,即是

15、需注意II級。表8-5異常級C2H25ppmC2H4100ppm并且當(dāng)TCG700ppm時C2H4100ppm并且當(dāng)TCG的增加量700ppm/月時注：、中只要達(dá)到一個,即可作為異常級這里,可燃性氣體總量（Tatal Combustible Gas,TCG）是指H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2以及CO的總和。但是可燃性氣體總量中不包含C3、C4等碳?xì)浠衔餁怏w。需注意I級表示不能判定是否異常,只能判定由于某種內(nèi)部變化而偏離了正常狀態(tài)。需注意II級表示可以判定變壓器內(nèi)部已出現(xiàn)了異常征兆的級別。各氣體成分中,選擇故障判定有效性高的氣體為C2H2、C2H4。滿足表8-4中無論哪一個條件時都

16、判定為需注意II級。因為C2H2是電弧放電，以及發(fā)生高溫?zé)岱纸鈺r產(chǎn)生的特征氣體，所以對設(shè)備尤其需要注意。異常級是需注意II級的進(jìn)一步發(fā)展，是可以確定變壓器內(nèi)部已發(fā)生了異常的級別。與需注意II級一樣，選擇故障判定有效性高的氣體是C2H2、C2H4，氣體發(fā)生量比需注意II級約增加一個數(shù)量級。另外，對新指標(biāo)可燃性氣體總量規(guī)定了月增加量限定值。在各種油所產(chǎn)生氣體中，氫氣是最常見的主要氣體成分。因此也有只用氫氣自動檢測裝置進(jìn)行在線監(jiān)測，以捕捉異常前兆的老化診斷方法。除此之外，通過發(fā)生氣體進(jìn)行老化診斷的方法中，還有以開放型變壓器為對象，使用丙酮為老化判定指標(biāo)的例子。2絕緣紙的平均聚合度變壓器的壽命決定于振

17、動和外電路短路時加在線圈上機(jī)械力和絕緣紙的老化破壞。由于熱老化使絕緣紙的拉伸強(qiáng)度降低，而拉伸強(qiáng)度與絕緣紙的平均聚合度有著密切的關(guān)系。測定油中分解氣體(如前所述)的目的本就是測定絕緣紙平均聚合度降低的情況。例如，從正在使用的變壓器中只要取得很少一點絕緣紙作為試驗樣品，通過測定紙的拉伸強(qiáng)度和絕緣紙的平均聚合度，就可以直接分析得到變壓器老化的程度。判定變壓器老化程度的絕緣紙的平均聚合度有各種各樣的評價標(biāo)準(zhǔn)量。例如，日本電機(jī)工業(yè)會標(biāo)準(zhǔn)JEM14634993的規(guī)定如表8-6所示。表中的壽命級的指標(biāo)為，當(dāng)外部短路時，絕緣紙能夠承受的最大拉伸強(qiáng)度剩余率達(dá)到初值的60%。此外，危險級是指拉伸強(qiáng)度很低(剩余率為

18、15%)時的情況。表8-6絕緣紙平均聚合度的評價標(biāo)準(zhǔn)分類平均聚合度壽命級450以下危險級250以下822 油的老化診斷法變壓器的絕緣油因過熱或空氣的混入、以及局部放電等原因而發(fā)生氧化，因而造成擊穿電壓的降低。絕緣油的酸度值是以滴定中和lg油所需要的氫氧化鉀（KOH）的量來表示的。另外，水分混入以后，絕緣油的固有電阻以及擊穿電壓(耐電壓)也將降低。按電壓等級區(qū)分，變壓器的絕緣油的總酸度值、水分含量、絕緣擊空電壓、體積電阻率等的維護(hù)管理值示于表8-7中。表8-7 運行開始后絕緣油性能參數(shù)的維護(hù)管理值注：為正常值；為要注意值；為異常值。823 變壓器本體的老化診斷法以上所介紹的是從變壓器中采取絕緣油進(jìn)行氣體分析，然后推定內(nèi)部老化情況的診斷方法，這里將要談到的是從變壓器的外部測量電氣特性來了解變壓器絕緣老化的方法。1絕緣電阻測定絕緣電阻的測定是用來推定絕緣紙或絕緣油的吸濕和老化等情況的簡單試驗方法。測定設(shè)備如圖8-9所示，一般是使用1000V以上的絕緣試驗器和絕緣電阻測定儀，來測試線圈之間、線圈與地之間的絕緣電阻。其容許指標(biāo)示于圖8-10。因變壓器的電壓等級的不同，所用的判定值略有差異。圖8-9 變壓器的絕緣電阻試驗圖8-10 根據(jù)絕緣電阻進(jìn)行老化判定的標(biāo)準(zhǔn)圖8-11 根據(jù)tan