高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù) 第8章 電力變壓器在線監(jiān)測(cè)與診斷.

1、第八章第八章 電力變壓器在線電力變壓器在線監(jiān)監(jiān)測(cè)與故障診斷測(cè)與故障診斷On-line monitoring and fault diagnosis for power transformer1本章內(nèi)容 概述 變壓器絕緣的劣化及診斷內(nèi)容 變壓器局部放電的在線監(jiān)測(cè) 溫度的監(jiān)測(cè) 含水量的監(jiān)測(cè) 變壓器壽命的預(yù)測(cè)28.1 概述3電力變壓器在電力系統(tǒng)中的作用電力變壓器的工作原理2121NNUU 電力變壓器結(jié)構(gòu)電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變壓器繞組截面電力變壓器鐵心變壓器故障統(tǒng)計(jì)變壓器故障統(tǒng)計(jì) 故障類型故障類型 (根據(jù)根據(jù)164 臺(tái)次故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)臺(tái)次故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì))1 電氣設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)10%2 機(jī)械設(shè)

2、計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)7%3 制造工藝制造工藝13%4 材料品質(zhì)材料品質(zhì)17%5 不適當(dāng)?shù)亩搪窇?yīng)力不適當(dāng)?shù)亩搪窇?yīng)力7%7 不適當(dāng)維修不適當(dāng)維修7%8 操作錯(cuò)誤操作錯(cuò)誤3%9 雷電雷電3%10 未知原因未知原因23%11 其他其他 10%* IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers, 1996電力變壓器“吊芯”檢修變壓器故障統(tǒng)計(jì)變壓器故障統(tǒng)計(jì) 發(fā)生故障的部位發(fā)生故障的部位 (根據(jù)根據(jù)164 臺(tái)次故障數(shù)據(jù)臺(tái)次故障數(shù)據(jù)) 1高壓套管11%2中壓套管2%3低壓套管0%4 繞組端部接線 5%5 高壓繞組23%6 中壓繞組17%7 低壓繞組

3、1%8 繞組分接開關(guān)0%9 接頭4%10 磁路 4%11 屏蔽體絕緣3%12 鐵心絕緣 5%13 鐵心夾件 1%14 繞組夾件6%15 油循環(huán)系統(tǒng)1%16 油箱2%17 換熱器 1%18 分接開關(guān)3%19 有載分接開關(guān)0%20 除濕器0%21 附件1%22 未知部位5%23 其他6%51% 的主要故障均涉及絕緣(11+23+17 根本原因)* IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers, 1996統(tǒng)計(jì)結(jié)論統(tǒng)計(jì)結(jié)論 有相當(dāng)數(shù)量的故障原因不明。有相當(dāng)數(shù)量的故障原因不明。 絕大多數(shù)故障與絕緣有關(guān)。絕大多數(shù)故障與絕緣有關(guān)。這一

4、方面反映了調(diào)查不充分這一方面反映了調(diào)查不充分, , 或者缺乏決定性證據(jù)或者缺乏決定性證據(jù), , 或缺乏足或缺乏足夠的知識(shí)對(duì)故障進(jìn)行判斷。夠的知識(shí)對(duì)故障進(jìn)行判斷。主要故障原因主要故障原因 受潮；受潮； 短路應(yīng)力造成的繞組變形；短路應(yīng)力造成的繞組變形； 由于檢修造成的繞組接頭接觸由于檢修造成的繞組接頭接觸不良；不良； 鐵心多點(diǎn)接地。鐵心多點(diǎn)接地。變壓器主要故障類型 在熱和電的作用下，絕緣油會(huì)逐漸老化、分解而產(chǎn)生各種低分子烴、氫氣以及有機(jī)酸和石蠟等； 而以纖維素為基礎(chǔ)的固體絕緣材料（紙和紙板）發(fā)生劣化分解時(shí)，除釋放出水、醛類、酮類和有機(jī)酸外，還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的一氧化碳和二氧化碳。絕緣的分解與劣化絕緣

5、的分解與劣化8.2 變壓器絕緣的劣化及診斷內(nèi)容絕緣系統(tǒng)絕緣系統(tǒng)變壓器油變壓器油CnHm固體絕緣固體絕緣纖維素纖維素 (C6H10O5)nDPDP值降低值降低C,CO, CO2H2OFurfuralsolid particles油特性的衰退油特性的衰退H2CH4, C2H4C2H6, C2H4,C2H2CO, CO2acidsresin電應(yīng)力電應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力聯(lián)合應(yīng)力作用及其影響聯(lián)合應(yīng)力作用及其影響變壓器油及其對(duì)故障分析的作用變壓器固體絕緣的老化：纖維素的降解變壓器固體絕緣的老化：纖維素的降解CH2OHOOHOHOHCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOHAcidsCH2OHOOHOHOC

6、H2OHOHOHOOCH2OHOHOHOHOH (water)纖維素纖維素(C6H10O5)nOCHOHHHHOHHOHCO80 C - 300 C+CH2OHOHOHOOHHHHHOHOH+C變壓器固體絕緣的老化產(chǎn)物變壓器固體絕緣的老化產(chǎn)物糠醛糠醛銅屑齒輪碎片 電弧熔粒絕緣纖維變壓器油中的顆粒變壓器油中的顆粒變壓器的重要試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)量繞組的絕緣電阻、吸收比及極化指數(shù)；測(cè)量繞組連同套管的泄漏電流及tan；測(cè)量非純瓷套管的tan及C;測(cè)量繞組連同套管的導(dǎo)電部分的直流電阻；測(cè)量鐵芯對(duì)地的絕緣電阻；油箱及套管中的絕緣油試驗(yàn)；油中溶解氣體的色譜分析；繞組連同套管的交流耐壓；油中微量水分測(cè)量。28 繞組溫

7、度繞組溫度； 鐵心接地電流鐵心接地電流； 油中溶解氣體分析（油中溶解氣體分析（DGA ）；）； 局部放電（局部放電（PD）。）。變壓器故障的有效檢測(cè)項(xiàng)目變壓器故障的有效檢測(cè)項(xiàng)目8.3 變壓器局部放電的在線監(jiān)測(cè)29四種典型局部放電形式四種典型局部放電形式當(dāng)A=1時(shí)，從左到右依次為單指數(shù)衰減、單指數(shù)振蕩衰減、雙指數(shù)衰減和雙指數(shù)振蕩衰減。30(a) 典型非振蕩信號(hào)時(shí)域圖(b) 含噪聲非振蕩信號(hào)時(shí)域圖(c) 典型振蕩信號(hào)時(shí)域圖(d) 含噪聲振蕩信號(hào)時(shí)域圖典型局部放電波形與實(shí)際波形對(duì)比典型局部放電波形與實(shí)際波形對(duì)比31局部放電檢測(cè)與診斷方法32套管換油伐接地線檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)示意還

8、需解決的問題：1）局部放電電磁波傳輸機(jī)理；2）檢測(cè)放電的有效性；3）PD產(chǎn)生的EMW經(jīng)過繞組間隙了么？4）EMW在傳輸路徑的衰減？5）局放如何標(biāo)定？6）局放如何定位？7）局放危險(xiǎn)性如何評(píng)估。33PD產(chǎn)生電磁波信號(hào)的傳播機(jī)理研究產(chǎn)生電磁波信號(hào)的傳播機(jī)理研究單繞組模型實(shí)驗(yàn)室模擬FDTD計(jì)算模擬34PD信號(hào)的傳播過程的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比信號(hào)的傳播過程的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比35差分法測(cè)局部放電（I）差分法測(cè)局部放電（II）電-超聲聯(lián)合法 超聲局放測(cè)量以超聲找DGA異常位置為什么測(cè)局放用UHF法 去除電暈等干擾 外界電暈噪聲350MHz，而局放可達(dá)1GHz 靈敏度高 反應(yīng)速度快 可自動(dòng)選擇高信噪比頻帶 可帶電安裝傳感

9、器42UHF UHF 局放測(cè)量局放測(cè)量局放測(cè)量分析和危害評(píng)估的難點(diǎn)：局放測(cè)量分析和危害評(píng)估的難點(diǎn)： 內(nèi)部放電源？ UHF測(cè)量：PRPD (相位分解局放測(cè)量)、屏蔽、頻率分析 局放視在電荷pC？定量？ UHF測(cè)量 目前與pC之間沒有相關(guān)性（研究中）?ZL=50?f50?UHF-Measuring UnitTank wall PDSensorUHF 局放測(cè)量局放測(cè)量(3003000 MHz)U / mV t / ns500kV主變的實(shí)測(cè)效果例在400800MHz時(shí)，信噪比約為50dB，局部放電的檢測(cè)靈敏度可達(dá)100pc以下UHF測(cè)局放實(shí)例故障之一局放量6000pC，UHF圖譜如上。解體發(fā)現(xiàn)系由于靜

10、電屏蔽焊接不良造成電位浮動(dòng)產(chǎn)生：UHF測(cè)局放實(shí)例故障之二修理后試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仍有明顯放電（4000pC局放量），超高頻法也有明顯放電存在。表明此變壓器有一個(gè)以上的局部放電源，返廠處理。49UHFUHF與與IEC60270IEC60270的相關(guān)性的相關(guān)性5010015020025030001020304050QIEC / pCAmplitude / mV 1o1u2o2u UHF與與IEC60270線性相關(guān)線性相關(guān)振幅，能量振幅，能量 QIEC 相關(guān)性因素取決于局放點(diǎn)相關(guān)性因素取決于局放點(diǎn) 油箱的尺寸油箱的尺寸 故障類型故障類型 傳感器類型傳感器類型Amplitude U / mV8.4 溫度的監(jiān)測(cè)

11、50傳統(tǒng)方式傳統(tǒng)方式： 變壓器溫度過高會(huì)降低絕緣性能,從而降低其使用壽命，它還有控制風(fēng)機(jī)以及超溫報(bào)警，超溫跳閘的功能。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：Pt100，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1）模擬量輸出；2）測(cè)點(diǎn)有限；3）無法對(duì)繞組溫度進(jìn)行測(cè)定；4）51光纖測(cè)溫的重要性光纖測(cè)溫的重要性 與傳統(tǒng)方法的不與傳統(tǒng)方法的不同同 在線監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè) 油溫與繞組溫度油溫與繞組溫度不一致不一致 冷卻系統(tǒng)瞬時(shí)控冷卻系統(tǒng)瞬時(shí)控制制 現(xiàn)場維修人員有現(xiàn)場維修人員有效工具效工具 熱運(yùn)行試驗(yàn)熱運(yùn)行試驗(yàn)光纖繞組測(cè)溫監(jiān)測(cè)光纖繞組測(cè)溫監(jiān)測(cè)光纖繞組測(cè)溫安裝光纖繞組測(cè)溫安裝54溫度計(jì)（傳感器端部）安裝溫度計(jì)（傳感器端部）安裝 在線圈或線圈套筒處理之

12、前安裝改良支撐、合適的支架以保護(hù)光纖電在線圈或線圈套筒處理之前安裝改良支撐、合適的支架以保護(hù)光纖電纜纜 為了便于安裝，需要將套筒磁極尾的末端進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)為了便于安裝，需要將套筒磁極尾的末端進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng) 完整撐條必須安裝在臨近最熱點(diǎn)的撐條中，更換原有的盤式繞組。合完整撐條必須安裝在臨近最熱點(diǎn)的撐條中，更換原有的盤式繞組。合適尺寸的楔形撐條是必須的適尺寸的楔形撐條是必須的55光纖繞組測(cè)溫安裝光纖繞組測(cè)溫安裝56設(shè)備設(shè)備運(yùn)行運(yùn)行動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的關(guān)系負(fù)荷的關(guān)系02004006008001000120009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:00MVA0102030

13、405060708090100110120DG RUDD T 230H500 3A MVA/DG (Sun 2004-07-04 08:00 - Mon 2004-07-05 08:00)MVATDG-ATDG-BTDG-CTDGHDG-AHDG-BHDG-CHDGHotspotTop OilLoad繞組分布式溫度和應(yīng)力測(cè)量技術(shù)581.絕緣強(qiáng)度降低絕緣強(qiáng)度降低擊穿電壓降低局放起始電壓降低2.水解作用加速固體材料老化水解作用加速固體材料老化 機(jī)械強(qiáng)度降低 3.較濕的紙板析出氣泡較濕的紙板析出氣泡 絕緣系統(tǒng)中水分含量非常重要！絕緣系統(tǒng)中水分含量非常重要！水分的作用水分的作用8.5 含水量的監(jiān)測(cè)變壓

14、器中水分的來源變壓器中水分的來源 殘留水分p厚絕緣的組成部分可向周圍的油釋放水分 侵入水分p密封薄弱p自由呼吸式缺少干燥劑p內(nèi)部檢查p分子流 (微量) 絕緣物質(zhì)分解變壓器油和絕緣紙對(duì)水分的吸收能力變壓器油和絕緣紙對(duì)水分的吸收能力 絕緣紙可以吸收10%自身重量的水分 (100000 ppm) 水在變壓器油中的溶解度很低；在飽和狀態(tài)， 油中水分小于 50 ppm 相對(duì)于變壓器油，絕緣紙可以吸收2000倍的水分變壓器中水分主要在固體絕緣系統(tǒng)變壓器中水分主要在固體絕緣系統(tǒng)Oil90%Thick5%Thin2%Winding3%Insulation Weight DistributionThick55%

15、Thin22%Winding22%Oil1%Water Distribution變壓器中水分分配實(shí)例變壓器中水分分配實(shí)例變壓器中主要水分存在于固體絕緣中變壓器油中水分含量的改變不會(huì)導(dǎo)致紙中水分成比例的變化25MVA:63析出氣泡的溫度析出氣泡的溫度與含水量有關(guān)與含水量有關(guān)變壓器絕緣的老化變壓器絕緣的老化絕緣紙的劣化紙中水分的影響變壓器水分測(cè)量方法變壓器水分測(cè)量方法 油紙水分平衡曲線油中水分確定 Karl Fisher滴定法 油紙水分飽和特性油中水分確定 在線電容型傳感器 紙板響應(yīng)特性紙板水分確定 FDS RVM, PDCKarl Fisher滴定法滴定法 Sampling Uncertaint

16、y of KFT Literature sources Absorption capacity Aging 5,816,215,28,912,219,87,50510152025USBCDEFGMoisture in oil (ppm)滴定法的不確定性Round robin tests at oil/paper samplesWidely scattered resultsWater content (Oommen curves): 2,6-5,2 % true value 1,9 % CIGR Task Force固體材料水分含量估計(jì)固體材料水分含量估計(jì)滴定法的結(jié)果對(duì)比滴定法的結(jié)果對(duì)比電容型

17、傳感器電容型傳感器70電介質(zhì)響應(yīng)測(cè)量方法電介質(zhì)響應(yīng)測(cè)量方法油箱保護(hù)高壓繞組低壓繞組高壓電源主絕緣電流表物理性質(zhì)測(cè)量物理性質(zhì)測(cè)量:紙板及絕緣油的導(dǎo)電率界面極化影響因素影響因素:絕緣幾何尺寸溫度受潮程度可導(dǎo)電的老化產(chǎn)物71時(shí)域及頻域的方法時(shí)域及頻域的方法時(shí)域：時(shí)域：極化/去極化電流(PDC)頻域：頻域：頻域譜法(FDS)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 低頻段水分估計(jì)低頻段水分估計(jì) 測(cè)試時(shí)間測(cè)試時(shí)間0,0010,010,11100,0001 0,001 0,010,11101001000頻率 (Hz)tan高 低 高 高 低 低紙板中的水分絕緣幾何尺寸油電導(dǎo)率0,1101001000110100100010000 時(shí)

18、間 (s)I ( (nA)1低 high low 油電導(dǎo)率高 IdepIpol絕緣幾何尺寸 72測(cè)量時(shí)間的選擇測(cè)量時(shí)間的選擇典型情況典型情況:干燥變壓器或者低溫環(huán)境 0.1 mHz, 2:50小時(shí)中等受潮變壓器及環(huán)溫適中 1 mHz, 22分鐘受潮變壓器或高溫環(huán)境 0.1 Hz, 5 min足夠數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠數(shù)據(jù)點(diǎn) 73德國對(duì)油中飽和濕度的建議德國對(duì)油中飽和濕度的建議設(shè)備的電壓等級(jí)170kV72.5kV170kV20時(shí)，油中飽和濕度20250 Simoni, Ramu, Montanari, Crine, etc0510152025303540458090100110120140Temperatu

19、re()ageing factorC6C9812V C8C9812V 紙板熱老化紙板熱老化變壓器壽命評(píng)估技術(shù) 基于固體紙板材料的機(jī)械特性 聚合度 (Degree of Polymerization, DP) 抗張強(qiáng)度(Tensile Strength, TS) 基于老化分解產(chǎn)物 CO、CO2 油中糠醛含量(Furan) 油中丙酮含量(Acetone) 基于固體材料含水量81WhiteBlackRedYellowBlueGreenE*abL*L*A : Standard colorB : Samples colorA : Standard color of the same lightness as BCIE 1976 L*a*b* color spaceColor difference (E*ab)