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1、第八章 电力变压器在线监测与故障诊断,On-line monitoring and fault diagnosis for power transformer,1,本章内容,概述变压器绝缘的劣化及诊断内容变压器局部放电的在线监测温度的监测含水量的监测变压器寿命的预测,2,8.1 概述,3,电力变压器在电力系统中的作用,电力变压器的工作原理,电力变压器结构,1. 主绝缘,2. 箱体,3. 绕组,4. 绝缘座,5. 支座,6. 套管,7. 散热器,8. 围屏,9. 分接开关,电力变压器内部结构,变压器绕组截面,电力变压器铁心,电力变压器外观,为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对
2、于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式。因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。同时由于电网规模的增大，变压器故障所带来的影响也越来越大。,电力变压器事故现场(1),电力变压器事故现场(2),变压器故障统计,故障类型 (根据164 台次故障数据统计)1 电气设计10%2 机械设计7%3 制造工艺13%4 材料品质17%5 不适当的短路应力7%7 不适当维修7%8 操作错误3%9 雷电3%10 未知原因23%11 其他 10%,* IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers, 1996,电力变压器
3、“吊芯”检修,变压器故障统计,发生故障的部位 (根据164 台次故障数据),1高压套管11%2中压套管2%3低压套管0%4 绕组端部接线 5%5 高压绕组23%6 中压绕组17%7 低压绕组1%8 绕组分接开关0%9 接头4%10 磁路 4%,11屏蔽体绝缘3%12铁心绝缘 5%13铁心夹件 1%14绕组夹件6%15油循环系统1%16油箱2%17换热器 1%18分接开关3%19有载分接开关0%20除湿器0%21 附件1%22未知部位5%23其他6%,51% 的主要故障均涉及绝缘(11+23+17 根本原因),* IEC Guide for Reporting Failure Data for
4、Power Transformers, 1996,统计结论,有相当数量的故障原因不明。绝大多数故障与绝缘有关。这一方面反映了调查不充分, 或者缺乏决定性证据, 或缺乏足够的知识对故障进行判断。,主要故障原因,受潮；短路应力造成的绕组变形；由于检修造成的绕组接头接触不良；铁心多点接地。,绕组变形,变压器主要故障类型,绕组接头不良,围屏树枝状放电,分接开关烧蚀,过热,在热和电的作用下，绝缘油会逐渐老化、分解而产生各种低分子烃、氢气以及有机酸和石蜡等； 而以纤维素为基础的固体绝缘材料（纸和纸板）发生劣化分解时，除释放出水、醛类、酮类和有机酸外，还会产生相当数量的一氧化碳和二氧化碳。,绝缘的分解与劣化
5、,8.2 变压器绝缘的劣化及诊断内容,绝缘系统,变压器油CnHm,固体绝缘纤维素 (C6H10O5)n,DP值降低,C,CO, CO2H2OFurfuralsolid particles,油特性的衰退,H2CH4, C2H4C2H6, C2H4,C2H2CO, CO2acidsresin,电应力,热应力,联合应力作用及其影响,目前110kV及以上等级的大型电力变压器仍主要采用油纸绝缘结构。绝缘油同时承担着绝缘介质和冷却媒质两方面的作用。 同人类的血液，除自身的设计功能外，还能够通过其性能的变化，和内涵物的改变反映设备内部绝缘的状况。,变压器油及其对故障分析的作用,变压器固体绝缘的老化：纤维素的
6、降解,HOH (water),纤维素(C6H10O5)n,HOH,HOH,CO,80 C - 300 C,+,+,+,CH2OH,OH,OH,O,O,H,H,H,H,H,O,HOH,+,C,变压器固体绝缘的老化产物,糠醛,铜屑,齿轮碎片,电弧熔粒,绝缘纤维,变压器油中的颗粒,变压器的重要试验项目,测量绕组的绝缘电阻、吸收比及极化指数；测量绕组连同套管的泄漏电流及tan；测量非纯瓷套管的tan及C;测量绕组连同套管的导电部分的直流电阻；测量铁芯对地的绝缘电阻；油箱及套管中的绝缘油试验；油中溶解气体的色谱分析；绕组连同套管的交流耐压；油中微量水分测量。,28,绕组温度；铁心接地电流；油中溶解气体分
7、析（DGA ）；局部放电（PD）。,变压器故障的有效检测项目,8.3 变压器局部放电的在线监测,29,四种典型局部放电形式,当A=1时，从左到右依次为单指数衰减、单指数振荡衰减、双指数衰减和双指数振荡衰减。,30,(a) 典型非振荡信号时域图,(b) 含噪声非振荡信号时域图,(c) 典型振荡信号时域图,(d) 含噪声振荡信号时域图,典型局部放电波形与实际波形对比,31,局部放电检测与诊断方法,32,套管,换油伐,接地线,检测传感器,变压器内部绕组结构示意,还需解决的问题：1）局部放电电磁波传输机理；2）检测放电的有效性；3）PD产生的EMW经过绕组间隙了么？4）EMW在传输路径的衰减？5）局放
8、如何标定？6）局放如何定位？7）局放危险性如何评估。,33,PD产生电磁波信号的传播机理研究,单绕组模型,实验室模拟,FDTD计算模拟,34,PD信号的传播过程的试验结果对比,35,差分法测局部放电（I）,差分法测局部放电（II）,电-超声联合法,超声局放测量,以超声找DGA异常位置,为什么测局放用UHF法,去除电晕等干扰外界电晕噪声350MHz，而局放可达1GHz灵敏度高反应速度快可自动选择高信噪比频带可带电安装传感器,42,UHF 局放测量,局放测量分析和危害评估的难点： 内部放电源？ UHF测量：PRPD (相位分解局放测量)、屏蔽、频率分析 局放视在电荷pC？定量？ UHF测量 目前与
9、pC之间没有相关性（研究中）,?,Z,L,=,50,?,f,50,?,UHF,-,Measuring Unit,Tank wall,PD,Sensor,UHF 局放测量(3003000 MHz),500kV主变的实测效果例,在400800MHz时，信噪比约为50dB，局部放电的检测灵敏度可达100pc以下,UHF测局放实例故障之一,局放量6000pC，UHF图谱如上。解体发现系由于静电屏蔽焊接不良造成电位浮动产生：,UHF测局放实例故障之二,修理后试验，发现仍有明显放电（4000pC局放量），超高频法也有明显放电存在。表明此变压器有一个以上的局部放电源，返厂处理。,49,UHF与IEC6027
10、0的相关性,UHF与IEC60270线性相关振幅，能量 QIEC,相关性因素取决于局放点油箱的尺寸故障类型传感器类型,Amplitude U / mV,8.4 温度的监测,50,传统方式： 变压器温度过高会降低绝缘性能,从而降低其使用寿命，它还有控制风机以及超温报警，超温跳闸的功能。,优点：Pt100，结构简单，操作便捷,缺点：1）模拟量输出；2）测点有限；3）无法对绕组温度进行测定；4）,51,光纤测温的重要性,与传统方法的不同在线监测油温与绕组温度不一致冷却系统瞬时控制现场维修人员有效工具热运行试验,光纤绕组测温监测,探头：抗高电压、高射频和强磁场干扰,光纤绕组测温安装,54,温度计（传感
11、器端部）安装,在线圈或线圈套筒处理之前安装改良支撑、合适的支架以保护光纤电缆为了便于安装，需要将套筒磁极尾的末端进行适当的改动完整撑条必须安装在临近最热点的撑条中，更换原有的盘式绕组。合适尺寸的楔形撑条是必须的,55,光纤绕组测温安装,56,设备运行动态负荷的关系,绕组分布式温度和应力测量技术,58,绝缘强度降低击穿电压降低局放起始电压降低水解作用加速固体材料老化 机械强度降低 较湿的纸板析出气泡, 绝缘系统中水分含量非常重要！,水分的作用,8.5 含水量的监测,变压器中水分的来源,残留水分厚绝缘的组成部分可向周围的油释放水分侵入水分密封薄弱自由呼吸式缺少干燥剂内部检查分子流 (微量)绝缘物质
12、分解,变压器油和绝缘纸对水分的吸收能力,绝缘纸可以吸收10%自身重量的水分 (100000 ppm)水在变压器油中的溶解度很低；在饱和状态， 油中水分小于 50 ppm相对于变压器油，绝缘纸可以吸收2000倍的水分,变压器中水分主要在固体绝缘系统,变压器中水分分配实例,变压器中主要水分存在于固体绝缘中变压器油中水分含量的改变不会导致纸中水分成比例的变化,25MVA:,63,析出气泡的温度与含水量有关,变压器绝缘的老化,绝缘纸的劣化纸中水分的影响,变压器水分测量方法,油纸水分平衡曲线油中水分确定Karl Fisher滴定法油纸水分饱和特性油中水分确定在线电容型传感器纸板响应特性纸板水分确定FDS
13、RVM, PDC,Karl Fisher滴定法,SamplingUncertainty of KFTLiterature sourcesAbsorption capacity Aging,固体材料水分含量估计,滴定法的结果对比,电容型传感器,70,电介质响应测量方法,油箱,保护,高压绕组,低压绕组,高压电源,主绝缘,电流表,物理性质测量:纸板及绝缘油的导电率界面极化影响因素:绝缘几何尺寸温度受潮程度可导电的老化产物,71,时域及频域的方法,时域：极化/去极化电流(PDC),频域：频域谱法(FDS),缺点： 低频段水分估计 测试时间,72,测量时间的选择,典型情况:干燥变压器或者低温环境 0.1
14、 mHz, 2:50小时中等受潮变压器及环温适中 1 mHz, 22分钟受潮变压器或高温环境 0.1 Hz, 5 min,73,德国对油中饱和湿度的建议,油老化在线监测传感器,8.6 变压器寿命的预测,75,热老化电老化机械老化化学老化,老化的分类,电老化局部放电带电质点的轰击、热效应、活性生成物、辐射效应、机械力效应热老化氧化温度每升高812（平均约为10），其寿命将会缩短一半。CO、CO2、糠醛、聚合度、丙酮机械老化环境老化水分、污染、氧气和辐射受潮,Tensile strength of the solid insulating materials cannot endure mecha
15、nical stress by short-circuiting current Occurrence of cracks or fractures,The life-limit of transformer,变压器寿命极限,变压器寿命定义,关于油纸绝缘老化机理的解释,热老化寿命模型Montsinger(1930年)：L=Ae-mtDakin(1948)：v = v0e-wa/kT (vArrhenius)电老化寿命模型经验模型：L=AE-n机械老化寿命模型静态机械负荷：L=L0exp(W-)/KT)多因子联合老化寿命模型Fallou：L=exp(A1+A2U+(B1+B2U)/T) U0Si
16、moni, Ramu, Montanari, Crine, etc,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,80,90,100,110,120,140,Temperature(),ageing factor,纸板热老化,变压器寿命评估技术,基于固体纸板材料的机械特性聚合度 (Degree of Polymerization, DP)抗张强度(Tensile Strength, TS)基于老化分解产物CO、CO2油中糠醛含量(Furan)油中丙酮含量(Acetone)基于固体材料含水量,81,White,Black,Red,Yellow,Blue,Green,E*ab,L*,L*
17、,A : Standard colorB : Samples colorA : Standard color of the same lightness as B,CIE 1976 L*a*b* color space,Color difference (E*ab) =（L*）2+（a*）2+（b*）21/2,L* : lightnessa* & b* : hue & chroma,Color difference E*ab shows the degree of deterioration.,绝缘纸板比色法,糠醛、聚合度与剩余寿命估计之间关系,84,基于糠醛含量的变压器老化评估,更换策略（糠醛含量高）提高变电站条件，如通风、冷却系统错开变电站每台变压器负荷范围,智能变压器系统的监测项目一览,1油中气体监测2局部放电监测3油中微水监测4套管绝缘性能监测5铁芯接地电流监测6绕阻热点温度监测7油温及环温监测8电压/电流监测9冷却器运行状态监测,Thank you,86,
