高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)第8章電力變壓器在線監(jiān)測與診斷PPT文檔

第八章電力變壓器在線監(jiān)測與故障診斷On-linemonitoringandfaultdiagnosisforpowertransformer1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?溫度的監(jiān)測?含水量的監(jiān)測?變壓器壽命的預(yù)測2§8.1概述電力變壓器在電力系統(tǒng)中的作用升壓變壓器發(fā)電廠高壓輸電網(wǎng)電力系統(tǒng)降壓變壓器用戶配電網(wǎng)3電力變壓器的工作原理鐵心一次繞組N1N2U1U2U1N1U2N2磁通二次繞組電力變壓器結(jié)構(gòu)1.主絕緣2.箱體3.繞組4.絕緣座5.支座6.套管7.散熱器8.圍屏9.分接開關(guān)電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電力變壓器鐵心變壓器繞組截面電力變壓器外觀為了使設(shè)備的外形尺寸保持在可以接受的水平，現(xiàn)代變壓器相對于以往的設(shè)計采用了更為緊湊的絕緣方式。因此在運行中其內(nèi)部各組件間的絕緣所需承受的熱和電應(yīng)力水平顯著提高。同時由于電網(wǎng)規(guī)模的增大，變壓器故障所帶來的影響也越來越大。電力變壓器事故現(xiàn)場(1)電力變壓器事故現(xiàn)場(2)變壓器故障統(tǒng)計–故障類型(根據(jù)164臺次故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計)1電氣設(shè)計10%2機械設(shè)計7%3制造工藝13%4材料品質(zhì)17%5不適當(dāng)?shù)亩搪窇?yīng)力7%7不適當(dāng)維修7%8操作錯誤3%9雷電3%10未知原因23%11其他10%*IECGuideforReportingFailureDataforPowerTransformers,1996電力變壓器“吊芯”檢修變壓器故障統(tǒng)計–發(fā)生故障的部位51%的主要故障均涉及絕緣(根據(jù)164臺次故障數(shù)據(jù))(11+23+17根本原因)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%*IECGuideforReportingFailureDataforPowerTransformers,1996統(tǒng)計結(jié)論?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)。這一方面反映了調(diào)查不充分,或者缺乏決定性證據(jù),或缺乏足夠的知識對故障進行判斷。主要故障原因?受潮；?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不良；?鐵心多點接地。變壓器主要故障類型繞組變形繞組接頭不良圍屏樹枝狀放電分接開關(guān)燒蝕過熱§8.2變壓器絕緣的劣化及診斷內(nèi)容絕緣的分解與劣化在熱和電的作用下，絕緣油會逐漸老化、分解而產(chǎn)生各種低分子烴、氫氣以及有機酸和石蠟等；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，除釋放出水、醛類、酮類和有機酸外，還會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的一氧化碳和二氧化碳。聯(lián)合應(yīng)力作用及其影響電應(yīng)力熱應(yīng)力絕緣系統(tǒng)固體絕緣變壓器油纖維素(C6H10O5)nCnHmH2HC,CO,COH2OFurfuralsolidparticlesCH,C4242C2H6,C2H4,C2H2CO,CO值降低DP2acidsresin油特性的衰退變壓器油及其對故障分析的作用目前110kV及以上等級的大型電力變壓器仍主要采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣油同時承擔(dān)著絕緣介質(zhì)和冷卻媒質(zhì)兩方面的作用。同人類的血液，除自身的設(shè)計功能外，還能夠通過其性能的變化，和內(nèi)涵物的改變反映設(shè)備內(nèi)部絕緣的狀況。變壓器固體絕緣的老化：纖維素的降解HOH(water)CH2OHOHCH2OHOOOHOHOH纖維素OHCH2OHOH(C6H10O5)nAcidsCH2OHOHCH2OHOHOOHOHOHOHOOHCH2OHOHOOOOO變壓器固體絕緣的老化產(chǎn)物HOH+HC2OHHOCHOHOHOHHCOHH+糠醛OHHOHH++OHHOHCO80°C-300°C變壓器油中的顆粒齒輪碎片銅屑電弧熔粒絕緣纖維變壓器的重要試驗項目?????????測量繞組的絕緣電阻、吸收比及極化指數(shù)；測量繞組連同套管的泄漏電流及tanδ；測量非純瓷套管的tanδ及C;測量繞組連同套管的導(dǎo)電部分的直流電阻；測量鐵芯對地的絕緣電阻；油箱及套管中的絕緣油試驗；油中溶解氣體的色譜分析；繞組連同套管的交流耐壓；油中微量水分測量。變壓器故障的有效檢測項目?繞組溫度；?鐵心接地電流；??油中溶解氣體分析（DGA）；局部放電（PD）。28§8.3變壓器局部放電的在線監(jiān)測四種典型局部放電形式單指數(shù)衰減形式：ytAe1()t/雙指數(shù)衰減形式：ytAee2()()1.3/2.2/tt單指數(shù)衰減振蕩形式：ytAeft1()sin(2)t/c雙指數(shù)衰減振蕩形式：ytAeeft2()()sin(2)1.3/2.2/ttc式中：為衰減系數(shù)，fc為振蕩頻率，A為脈沖幅值。當(dāng)A=1時，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。29典型局部放電波形與實際波形對比(a)典型非振蕩信號時域圖(b)含噪聲非振蕩信號時域圖(c)典型振蕩信號時域圖(d)含噪聲振蕩信號時域圖30局部放電檢測與診斷方法31檢測傳感器套管換油伐接地線還需解決的問題：1）局部放電電磁波傳輸機理；2）檢測放電的有效性；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）局放危險性如何評變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)示意估。32PD產(chǎn)生電磁波信號的傳播機理研究實驗室模擬單繞組模型33FDTD計算模擬PD信號的傳播過程的試驗結(jié)果對比3435差分法測局部放電（I）差分法測局部放電（II）電-超聲聯(lián)合法超聲局放測量以超聲找DGA異常位置為什么測局放用UHF法?去除電暈等干擾–外界電暈噪聲＜350MHz，而局放可達1GHz?靈敏度高?反應(yīng)速度快?可自動選擇高信噪比頻帶?可帶電安裝傳感器UHF局放測量UHF局放測量(300～3000MHz)TankwallPDUHF-MeasuringUnitZL=50?fSensor50?U/mVt/ns局放測量分析和危害評估的難點：※內(nèi)部放電源？UHF測量：PRPD(相位分解局放測量)、屏蔽、頻率分析※局放視在電荷[pC]？定量？UHF測量?目前與pC之間沒有相關(guān)性（研究中）42500kV主變的實測效果例在400~800MHz時，信噪比約為50dB，局部放電的檢測靈敏度可達100pc以下UHF測局放實例——故障之一局放量6000pC，UHF圖譜如上。解體發(fā)現(xiàn)系由于靜電屏蔽焊接不良造成電位浮動產(chǎn)生：UHF測局放實例——故障之二修理后試驗，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以上的局部放電源，返廠處理。UHF與IEC60270的相關(guān)性501uDN809o8o7o10o6o401o2o3o4o5o9u8u7u6u1u10u2u3u5u301o4uAmplitudeU/mVAmplitude/mV202o※UHF與IEC60270線性相關(guān)102u振幅，能量QIEC050100150200250300※相關(guān)性因素取決于局放點QIEC/pC油箱的尺寸故障類型傳感器類型49§8.4溫度的監(jiān)測傳統(tǒng)方式：變壓器溫度過高會降低絕緣性能,從而降低其使用壽命，它還有控制風(fēng)機以及超溫報警，超溫跳閘的功能。優(yōu)點：Pt100，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷缺點：1）模擬量輸出；2）測點有限；3）無法對繞組溫度進行測定；4）…50光纖測溫的重要性①與傳統(tǒng)方法的不HeatRunTestResultsforODFS-133000KVA/500KV同Transformer②在線監(jiān)測③油溫與繞組溫度1009080不一致7060④冷卻系統(tǒng)瞬時控5040制Temperature(DegC)3020⑤現(xiàn)場維修人員有效工具100123456789⑥熱運行試驗HVLeadHVHVLeadMVTime(hrs)LeadRWMVMVTopOil51光纖繞組測溫監(jiān)測探頭：?抗高電壓、高射頻和強磁場干擾光纖繞組測溫安裝溫度計（傳感器端部）安裝在線圈或線圈套筒處理之前安裝改良支撐、合適的支架以保護光纖電纜為了便于安裝，需要將套筒磁極尾的末端進行適當(dāng)?shù)母膭油暾麚螚l必須安裝在臨近最熱點的撐條中，更換原有的盤式繞組。合適尺寸的楔形撐條是必須的54光纖繞組測溫安裝55設(shè)備運行——動態(tài)負荷的關(guān)系HotspotTopOilLoad56繞組分布式溫度和應(yīng)力測量技術(shù)§8.5含水量的監(jiān)測水分的作用1.絕緣強度降低擊穿電壓降低局放起始電壓降低水解作用加速固體材料老化機械強度降低較濕的紙板析出氣泡100HOSOFR3Midel7131MideleNNN3000X80602.40Breakdownvoltage/kV203.0020406080100Moisturesaturation/%絕緣系統(tǒng)中水分含量非常重要！58變壓器中水分的來源?殘留水分厚絕緣的組成部分可向周圍的油釋放水分?侵入水分密封薄弱自由呼吸式缺少干燥劑內(nèi)部檢查分子流(微量)?絕緣物質(zhì)分解變壓器油和絕緣紙對水分的吸收能力?絕緣紙可以吸收10%自身重量的水分(100000ppm)?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50ppm?相對于變壓器油，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)ThinThick2%Winding5%3%OilWinding1%22%ThickThin22%55%Oil90%InsulationWeightDistributionWaterDistribution變壓器中水分分配實例25MVA:?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導(dǎo)致紙中水分成比例的變化析出氣泡的溫度與含水量有關(guān)63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量方法?油紙水分平衡曲線——油中水分確定–KarlFisher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,PDCKarlFisher滴定法固體材料水分含量估計SamplingUncertaintyofKFTLiteraturesourcesAbsorptioncapacityAging252019,8滴定法的不確定性???1516,215,2Roundrobintestsatoil/papersamplesWidelyscatteredresultsWatercontent(Oommencurves):2,6-5,2%truevalue1,9%CIGRèTaskForce12,2Moistureinoil(ppm)108,95,87,550USBCDEFG滴定法的結(jié)果對比電容型傳感器電介質(zhì)響應(yīng)測量方法高壓電源物理性質(zhì)測量:※※影響因素:※※※※~紙板及絕緣油的導(dǎo)電率界面極化電流表高壓繞組低壓繞組保護絕緣幾何尺寸溫度受潮程度可導(dǎo)電的老化產(chǎn)物主絕緣油箱70時域及頻域的方法1000100high時域：※I((nA)10low極化/去極化電流(PDC)Ipol1Idep高油電導(dǎo)率絕緣幾何尺寸低0,1110100100010000時間(s)10頻域：※1高頻域譜法(FDS)tan低高0,1低缺點：低頻段水分估計測試時間0,01高紙板中的水分幾何尺寸絕緣油電導(dǎo)率低0,0010,00010,0010,010,1110100100071頻率(Hz)測量時間的選擇high足夠數(shù)據(jù)點1moisture,典型情況:※干燥變壓器或者低溫環(huán)境lowcelluloseagingofhigh0,1low0.1mHz,2:50小時Dissipationfactorhigh※中等受潮變壓器及環(huán)溫適中0,011mHz,22分鐘oil※受潮變壓器或高溫環(huán)境0,001agingofcellulosegeometryinsulationmoistureandconductivitylow0.1Hz,5min0,0010,0111000,1101000Frequency/Hz2515Moderate21521New44°CHeavilyaged0.50.20.10.50.20.10.50.20.1DissipationfactorDissipationfactorDissipationfactor0.050.020.010.050.020.010.050.020.010.0050.0020.00010.0010.010.11.010720.0050.0020.00010.0010.010.11.0100.0050.0020.00010.0010.010.11.010100010001000Freq/HzFreq/HzFreq/Hz德國對油中飽和濕度的建議72.5kV~設(shè)備的電壓等級>170kV<72.5kV170kV>20℃時，油中<20<25<45飽和濕度％73油老化在線監(jiān)測傳感器§8.6變壓器壽命的預(yù)測熱老化阻性及磁場損耗引起電老化由于電場的存在所引起的絕緣材料性質(zhì)改變機械老化振動，油泵沉積物，風(fēng)扇，墊圈化學(xué)老化大氣中氧氣（對開放式變壓器而言）及催化劑存在引起的酸性物質(zhì)、水分的增加75老化的分類?電老化–局部放電?帶電質(zhì)點的轟擊、熱效應(yīng)、活性生成物、輻射效應(yīng)、機械力效應(yīng)?熱老化–氧化–溫度每升高8～12℃（平均約為10℃），其壽命將會縮短一半。–CO、CO2、糠醛、聚合度、丙酮?機械老化?環(huán)境老化–水分、污染、氧氣和輻射–受潮變壓器壽命定義Tensilestrengthofthesolidinsulatingmaterialscannotenduremechanicalstressbyshort-circuitingcurrentOccurrenceofcracksorfracturesThelife-limitoftransformer變壓器壽命極限EvaluationitemLife-limitvalue(reference)抗張強度TS50-60%ofinitialvalue聚合度DP200-500關(guān)于油紙絕緣老化機理的解釋?熱老化壽命模型–Montsinger(1930年)：L=Ae-mt–Dakin(1948)：v=v0e-wa/kT(v～Arrhenius)?電老化壽命模型–經(jīng)驗?zāi)Ｐ停篖=AE-n?機械老化壽命模型–靜態(tài)機械負荷：L=L0exp((W-γδ)/KT)?多因子聯(lián)合老化壽命模型–Fallou：L=exp(A1+A2U+(B1+B2U)/T)U>0–Simoni,Ramu,Montanari,Crine,etc紙板熱老化454098C3530252015106CV1298C8CageingfactorV12501401201101009080Temperature(℃)變壓器壽命評估技術(shù)?基于固體紙板材料的機械特性–聚合度(DegreeofPolymerization,DP)–抗張強度(TensileStrength