变压器故障诊断论文.doc

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1、成人高等教育 毕业设计（论文）题 目变压器绝缘在线故障诊断系统的设计 学 院 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 专升本(10958138331) 姓 名 指导教师 （2012年5月）广东工业大学继续教育学院制摘 要变压器是电力系统的重要元件之一，其运行可靠性直接关系到电力系统的安全和稳定。变压器油中溶解气体能够反映变压器内部绝缘老化情况和内部故障情况。油浸式电力设备油中溶解气体分析(DGA)故障诊断技术的研究，对发现变压器内部早期存在的潜伏性故障，提高电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。本文在针对变压器油中溶解气体的在线监测及诊断技术进行深入研究的基础上，充分论述了油中溶解

2、气体浓度与变压器电气故障的对应关系，提出了以油中溶解气体为特征量的在线监测系统的原理和实施方案，设计出一个变压器油中溶解气体在线监测的系统，该系统在线监测变压器的故障特征信息，在这些信息的基础上利用诊断算法对变压器的故障进行诊断。在线监测系统的现场检测实际数据表明论文设计的油中溶解气体为特征量的在线监测系统对于变压器绝缘故障监测诊断的连续性和有效性，能够综合反映变压器的绝缘状况，并且可以在变压器故障时增加采样密度，有效地避免了人为因素对测量结果的影响，准确识别故障类型，而且系统运行稳定、准确度高，维护量小。关键词：变压器；故障诊断；油中溶解气体；在线监测 注：本论文属自选题目ABSTRACTP

3、ower transformer, one of the most important devices, directly relates to the security and stability of power system. The study of fault diagnosis technology based on dissolved gas analysis(DGA) is very important to maintain the reliable running of electric power system, efficient method to detect th

4、e incipient fault in transformer. The gas solved in oil may inflect the inner insulation aging status and defects in transformer. On the base of deep research of gas solved in oil on-line monitoring and diagnosing technique, this paper states the relations between density of gas solved in oil and el

5、ectrical defects of transformer, presents the principle and solution of on-line monitoring system with features of gas solved in oil. Design of a gas solved in oil on-line monitoring system. Practical data has showed that on line monitoring system with features of gas solved in oil is continuous and

6、 efficient, it can inflect insulation status, increase sampling density while faults occurring, decrease the effects of manual operation on measurement results, recognize types of defect with high stability. Accuracy and little maintenance work.Keyword：Transformer；Faults diagnose；Gas solved in oil；O

7、n-line monitoring目 录1 绪论III1.1 研究背景及意义11.2 变压器在线监测国内外发展现状21.2.1 在线监测的必要性21.2.2 变压器在线监测的方法31.2.3 在线监测的发展阶段41.3 本课题主要任务52 变压器油中溶解气体分析原理及方法62.1 变压器油的成份及气体的产生机理62.1.1 油中气体的成份62.1.2 气体在油中的溶解72.1.3 气体在油中的损失82.2 油气分离方法92.2.1 真空脱气法92.2.2 薄膜取气法92.3 油色谱法92.3.1 油色谱分析的气体分离原理92.3.2 油色谱分析的气体检测原理102.3.3 色谱法的不足112.

8、4 小结113 变压器故障及其诊断方法123.1 变压器故障类型及其与油中特征气体的关系123.1.1 变压器典型故障类型123.1.2 变压器故障与特征气体的关系133.2 变压器故障的判断133.2.1 判断变压器是否有故障的方法133.2.2 判断变压器故障性质和类型的方法153.2.3 其它的各种辅助判断方法183.3 小结204 油中溶解气体在线监测系统的设计214.1 油气分离单元的原理224.2 控制、处理、及诊断单元的原理244.2.1 分压、放大、滤波电路244.2.2 CPU硬件电路的设计254.2.3 系统采用的防干扰措施284.3 系统软件的设计294.4 小结33结论

9、34参考文献35致谢361 绪 论1.1 研究背景及意义从发电厂发出的电能，为减少输电线路上的电能损耗，首先要经过升压变压器送到高压电网，然后又通过降压变压器变成符合用户需要的各种低等级电压，同时区域电网之间互联也需要各种等级和容量的变压器，据统计，每1KVA的发电机容量，需88.5KVA的变压器与之配套。因此，电力变压器以及与之配套的电抗器、电流互感器、电压互感器等是电力系统中最重要的电气设备，其运行状态对电力系统运行的可靠性具有决定的意义。据统计2002年国家电网的变压器共发生非计划停运高达429次，2003年的电力工业统计，除地方电网和工矿企业的变电站外，仅国家电网35kV以上的变电站就

10、达3103余座，主变压器达45089余台，而且近两年来国家电网新建变电站和新投入的主变电站每年以7%10%的速度增长1。长期以来，为确保电力系统安全运行，电力行业一直根据电力设备预防性试验规程的规定，对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。这种“计划检修”体系无疑在电气设备绝缘故障诊断、防止设备事故发生、保证安全可靠地供电方面起着很好的作用。但“计划检修”是按照预试规程所规定的试验周期到期必修，而不顾电气设备绝缘的实际状况，具有很大的盲目性和强制性，因而会造成设备的“过度检修”或“维修不足”等问题，同时在“过度检修”中可能会由于检修的操作不慎、频繁的拆装等给设备埋下新的绝缘隐患 2，3。随着

11、电力系统朝着超高压、大容量方向发展，以及社会和生活对供电可靠性要求的不断提高，迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测，以便及时发现电气设备早期缺陷，防止突发事故发生，减少不必要的停电检修，避免传统试验对电气设备由于“过度检修”所造成的巨大损失，有效地延长设备的使用寿命，使设备检修达到优化配置。采取状态监测与故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修即“状态维修”过渡，从“到期必修”过渡到“该修则修，为变电站“无人化”创造了条件。在线监测、故障诊断、实施维修，这三个过程构成了电气设备状态检修工作的全部内涵，要想实时的掌握设备状态，必须以变电站电力设备在线监测为基础，一个安全、可靠、

12、实时的在线监测系统将是实现有效“状态维修”的前提条件。运行中的变压器发生不同程度的故障时，会产生异常现象或信息。故障分析就是通过搜集变压器的异常现象或信息并对其进行综合分析，判断故障的类型、故障部位和严重程度。目前变压器油中气体分析(DGA)方法是应用较早，也是应用较为成功的一种变压器故障诊断方法，属于该研究领域的前沿项目之一4。1.2 变压器在线监测国内外发展现状许多国家对油中溶解气体监测方面进行了探讨研究，开发了有关仪器产品，如德国的H.BORSI等，他们设想用传感器取代继电器，美杜邦公司60年代开始采用聚酯中空纤维膜回收氢气。美国、南非及日本东芝采用氧化物半导体传感器实施监测，东芝还采用

13、红外线检测器检测氢气、一氧化碳、甲烷，美国TROLX公诉使用催化剂燃烧型传感器，爱尔兰使用铂催化剂气体传感器等。这几年，从国外开发了不少监测仪，如三菱TCG自动监测仪、东芝在线三组分色谱仪和加拿大H201R型监测仪等。其中最具有代表意义的是加拿大SYPROTEC公司研制的HYDRAN系列产品。国内研究机构在变压器故障监测方面也做了大量工作，如东北电力试验研究院，北京电子管厂，中国电力科学研究院等单位都研制出了具有自身特色的监测仪器，并在实践中获得了一些效果。总的来说，国内研究产品可分为两大类：一类是对HYDRAN等国外系列产品的方知；另一类是着眼于油样自动全脱气研究，将室内色谱仪分析技术与自动

14、控制技术、在线监测技术结合起来应用于变压器在线监测。国内目前的一些典型油中溶解气体在线监测装置 ,其中大多数是针对或单一气体居多。对于油中多种溶解气体在线监测 ,目前运行的装置仍主要采用色谱柱将气室中的混合气体依次分离 ,统一由传感器采集信号 ,送到中心处理单元进行数据处理和诊断。近几年来在此基础上 ,随着对多传感器的研究和多传感器测试技术的发展 ,已研制出复合分布式传感器 ,将多个具有不同工作温度和不同工艺的常规金属氧化物传感器组合 ,构成一个传感器阵列 ,当给出混合气体（ 、和）等后 ,不同传感器单元分别响应各自的特征气体 ,并通过一定的软件处理方法排除其余气体的干扰误差 ,这样就取消了色

15、谱柱 ,为新一代变压器油中多种溶解气体在线监测装置开发奠定了基础。1.2.1 在线监测的必要性现阶段，我国变电站电气设备的状态检修工作主要仍是按照电气设备预防性试验规程的要求定期进行预防性试验。根据试验的结果来判断设备的运行状况，从而确定其是否可以继续投入运行，传统的预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用，但随着电力系统大容量化，高电压化和结构的复杂化，对电力系统的稳定运行要求的提高，这种传统的预防性试验诊断方法越来越显示出它的弊端，主要表现在2：(1) 试验时需要停电，给国家或地方的经济运行和人们的生活带来不便；(2) 试验周期长。预防性试验的周期一般为一年，一些发展较快的故障很

16、容易在两次规定试验之间的时间内发展成为事故；(3) 试验时间集中，工作量大。由于要在较短的时间完成大量设备的试验任务，一则劳动强度大，二则难以对每台设备都进行十分仔细的监测和诊断；(4) 试验电压低，诊断的有效性值得研究。传统的预防性试验，试验电压一般在10kV以下，随着系统电压的提高，这个电压与设备运行之间的差距越来越大。由于试验电压低，一些一般性的缺陷不易被发现，而且试验中现场的各类干扰的影响也相应加大，影响到试验结果的准确性。在现场曾多次发生预防性试验合格后不久，设备就发生事故的情况。基于以上原因，显然单靠传统的预防性试验已不能满足电力系统飞速发展的要求，为了确保电力系统的安全运行，最大

17、限度的降低事故率，迫切需要寻求新的更有效的试验监测方法。近年来的实际经验表明，采用在线监测技术能较好地解决以上的问题，满足电力系统的下述要求3,5,6：(l) 采用在线监测技术可以及时发现发展中的事故隐患，防范于未然；(2) 逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时间，节省试验费用；(3) 对老旧设备或己知有缺陷，怀疑有缺陷的设备，用在线监测来随时监视其运行状况，一旦发现问题能及时退出，最大限度的利用这些设备的剩余寿命。1.2.2 变压器在线监测的方法近年来，随着对电力系统稳定性要求的提高，状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。主要有以下几方面的原因：由于

18、电力设备的故障, 不仅会造成供电系统意外停电而导致电力公司经济效益减少，且可能造成用户的重大经济损失和抱怨, 因此迫切需要做到有计划的维护和停电；电力部门希望尽量延长电力设备的维护间隔、缩短维护时间, 从而缩短停电时间，减少因停电维护而造成的影响, 增加经济效益；尽可能延长电力设备的使用寿命，以增加经济效益。这些因素促使电力系统采用状态监测技术。可以肯定地说，广泛采用状态监测技术是电力系统发展的必然趋势。电力变压器主要的在线状态监测方法有油中气体分析法、局部放电检测法、绝缘恢复电压法等等。油中气体分析法是含油设备（如变压器）绝缘监测最常用的方法之一，他能够在无需停电的情况下进行，而且不受电磁场

19、干扰，检测结果具有重复性和再现性，更重要的是国内外已经积累了丰富的故障判断经验。由于设备内部不同的故障会产生不同的气体, 如电弧会产生乙炔气, 而过热的纤维将产生碳氧化物, 因此, 通过分析油中气体的成分、含量和相对百分比，就可达到对设备绝缘诊断的目的。几种典型的油中气体如 、和，常被用作分析的特征气体。在检测出各气体成分及含量后, 常采用特征气体法和或罗杰斯比值法来对变压器的内部故障进行判别, 如局部放电、火花放电、过热等。已有的DGA技术能够确定气体的类型、浓度、趋势及气体的产生速率。油中溶解气体的变化速率在决定故障发展严重性方面很有价值。局部放电(Partial Discharge PD

20、)，既是设备绝缘系统老化的征兆, 也是造成绝缘老化的一个重要机理。油中气体分析法可以从一个方面反映局部放电, 而专门对局部放电进行测量也是设备状态监测的一个重要方面。常用的局部放电检测方法有声学检测、光学检测、化学检测、电气测量等方法。一种常用的局部放电检测法是声学检测法, 该方法是将一个高频声学传感器阵列附在变压器箱的外部。这些传感器对局部放电或电弧放电产生的暂态声音信号非常敏感，而对振动和一般噪声不敏感。这种方法采用时间间隔定位法来确定具体的放电位置。恢复电压法是一种根据总的绝缘系统状态来评估绝缘设备寿命的监测方法, 也就是广为采用的、大家熟知的界面极化法(interfacial pola

21、risation)。这种方法是利用一个直流电压对绝缘器或绝缘系统(如变压器)进行充电, 到一个预定的充电时间后将电路短路, 进行部分放电。短路时间为充电时间的一半。然后再开路, 这时在电极两端会建立起一个恢复电压。该恢复电压的最大值正比于绝缘材料的极化能力, 而初始斜率则正比于极化的传导率，即材料用的时间越长、退化越严重, 则响应的初始斜率越大。1.2.3 在线监测的发展阶段总结国内外发展状况，变电站电气设备在线监测技术的发展，主要经历了以下三个阶段7、8：(1) 带电测试阶段。这一阶段起始于20世纪70年代左右，当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些绝缘参数(主要是泄漏电流)进行直接的测

22、量。其结构简单，测试项目极少，而且要求被试设备对地绝缘，测试的灵敏度较差，应用范围少，未能得到普及和推广；(2) 20世纪80年代开始，出现了各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术开始从传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接入测量回路，而代之以利用传感器将被测量转换成数字一起可以直接测量的电气信号；(3) 从20世纪90年代开始，出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统，利用先进的传感器技术、计算机技术、数字波形采集和处理等高新技术，综合以专家系统、模糊诊断、神经网络等各种智能技术，实现监测系统的全自动化、智能化、实时化、网络化。1.3 本课题主要任务分析国内外

23、变压器在线监测的发展状况，设计一个变压器油中溶解气体在线状态监测系统，监测变压器的运行状态。该系统在线监测变压器的故障特征信息，在这些信息的基础上利用诊断算法对变压器的故障进行诊断，从而判断是否发生故障和故障的类型。本课题的章节具体安排如下：1、 阐述了本次课题的意义、背景，介绍了常用的变压器在线监测的方法，以及变压器油中溶解气体分析（DGA）在国内外的发展现状；2、 分析变压器油的成份及气体产生机理，介绍了故障与特征气体的对应关系和油气分离的常用方法；3、 讨论了基于油溶解气体分析的变压器故障诊断的方法和判断故障类型的各种主要方法；4、 在前面的理论基础上，设计出一个基于油中溶解气体的变压器

24、在线监测系统，包括硬件电路和软件流程。2 变压器油中溶解气体分析原理及方法充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老化，产生某些可燃性气体。当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一个非常复杂的电气设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素存在耦合，特征气体形成涉及的机理十分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断方法对智能诊断方法有很好的借鉴意义。2.1 变压器油的成份及气体的产生机理2.1.1 油中气体的成份变压器油是由天然石油经过

25、蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。变压器油主要由碳氢化合物组化，包括烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃等。根据模拟试验的结果：发生故障时分解出的气体为：1.300800，热分解产生的气体主要是低分子烷烃(甲烷、乙烷)和低分子烯烃(乙烯、丙稀)，也含有氢气。2.当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是氢气玩和乙炔，并有一定量的、。3.发生局部放电时，绝缘油分解的气体主要是和少量。发生火花放电时，则还有较多的 9，10。绝缘纸、绝缘板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄糖基借助1一4配键连接起来的大分子，其化学通式为，具有很大的强度和弹性，机构性能良好。由于油和油浸纤维绝缘的过热或热解产生碳的氧化(，)和一些氢

26、气或甲烷(，)。它们产生的比率取决于温度指数和在该温度下材料的体积。由于体积效应，中等温度下，一个较大体积的绝缘材料受热将会和一个较高温度下较小体积的绝缘材料受热产生同样数量的气体。模拟试验结果表明，绝缘纸在120150长期加热时，产生和，且以为主，在200800下热分解时，除产生，外，还含有氢烃类气体(、等)，且和的比值越高。 2.1.2 气体在油中的溶解油、纸等绝缘材料所产生的气体能溶解于油中，也有释放到油面上，每种气体在一定的温度、压力下达到溶解和释放的动平衡，即最终将达到溶解的饱和或接近饱和状态。油中气体溶解度可用奥斯特瓦尔德系数表示，当气、液两相达到平衡时，对某特定气体： (2.l)

27、式中：在平衡条件下，液相中组分i的浓度，ppm：在平衡条件下，气相中组分i的溶度，ppm：组分i的奥斯特瓦尔德(OStwald)系数。表2.1 各种气体在矿物绝缘油中的值气体组分20500.050.050.090.090.120.120.170.170.430.401.081.001.200.901.701.402.401.80各种气体在矿物绝缘油中的值见表2.111，用于表示油中气体的溶解度，它和温度有关，溶解度低的气体如、随温度上升而增加，和溶解度高的、等则随温度上升而下降。式(2.1)也是亨利(Henry)定律的表达式。当其内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气体分

28、子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和，就不会有自由气体释放出来。若故障存在时间较长，油中气体已达到饱和，即会释放出自由气体，进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部分溶于油中外，还会有一部分成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氢、氧置换出来。置换过程和气泡上升速度有关，故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时间长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中，进入气体继电器内的就几乎只有空气成分和溶解度低的气体如H2、CH4，而溶解度高的气体则在油中含量较高。反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解和置换过程来

29、不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中，使气体继电器中积存的故障特征气体反比油中含量高得多，还可能引起报警，这也是油中溶解气体分析对发现突发性故障不灵敏的原因。因此进行故障诊断时，不仅应分析油中气体，也应分析气体继电器中积存的气体。顺便指出变压器中因故障产生的气体是通过扩散和对流而达到均匀溶解于油中的，对强迫油循环的变压器则对流速度更快，因此故障点周围只是在瞬间存在高浓度气体。2.1.3 气体在油中的损失变压器内部固体材料对气体的吸附会使油中溶解气体减少，例如、的结构类似于纤维素，故易为绝缘纸吸附，而碳素钢则易吸附氢。这就提醒我们要注意，在故障初期某些气体浓度较低是否可能因吸附

30、所致。新投运的变压器中、含量较高的原因是否会在干燥工艺过程中为材料所吸附而在运行中又释放于油中。变压器负载在一天内有规律的增减变化引起变压油的呼吸作用也会使油中气体逸散而减少。当油温上升时，开放式变压器油箱中含气的油至达储油柜与油面空气相接触，为使油中气体含量和气相达到平衡而逸散在油面上并呼出于储油柜之外。反之当油温降低时，刚才进入储柜的含气量已降低的油又流回油箱，同时有相当量的新鲜空气吸入储油柜中，降低了油面上气体的气相含量，从而又加速了储油柜油中溶解气体向气相的释放。有人在一天内油温变化10时对变压器呼吸作用进行实测，发现一天内的逸散损失约为2.5%，为0.7%，其它烃类为0.2%。2.2

31、 油气分离方法油样中溶解气体的脱出常用的方法有两种：1、真空全脱气法；2、薄膜取气法。2.2.1 真空脱气法变径活塞泵脱气装置由变径活塞泵、脱气容器、磁力搅拌器和真空泵等构成。在一个密封的脱气室内，借真空与搅拌作用，使油中溶解气体迅速析出:利用大气与负压交替对变径活塞施力，使活塞反复上下移动多次扩容脱气，压缩集气;连续补入少量氮气(或氢气)到脱气室的洗气装置，加速气体转移，克服集气空间死体积对脱出气体收集程度的影响，提高了脱气率，从而实现真空法为基本原理的全脱气。2.2.2 薄膜取气法高分子膜的渗透机理是按溶解一渗透过程进行的。如果把装有高分子膜的气室安装在一个盛有绝缘油(内含一定浓度的气体)

32、的封闭容器中，则油中的气体分子就会撞击膜的表面并融入到分子骨架中，其溶解的速度与样气的浓度成正比，己经溶解在高分子膜中样气也会向膜两侧的气液两相扩散。由于膜两侧样气浓度不同，扩散的速度也就不同，经过一段时间后，正反两方向的扩散速度达到动态平衡后，气室中样气的浓度保持不变。油中气体通过高分子膜到达气室的浓度，除了与原始气体种类和浓度有关外，还与气室容积、油的温度、透过时间、所选择膜的面积和厚度有关。无论采用何种薄膜，气室内的气体浓度和绝缘油中溶解的气体达到动态平衡一般需要十几小时，甚至几十小时。气体达到饱和值的时间越短则越能及时反映设备内部的异常现象，这种反映故障的滞后时间定为装置的检测周期，力

33、求越短越好。2.3 油色谱法2.3.1 油色谱分析的气体分离原理色谱法是基于被分析物质组分在两相(固定相和流动相)中分配系数的微小差异这一物理特性而建立的。当两相作相对运动时，被分析的物质在两相之间进行着反复多次的分配，这种分配系数上的微小差异引起组分在移动过程中移动速度的微小差异，并累积成组分之间的移动路程的较大差别，从而使被分析物质的不同组分得到分离，检测被分离出的组分就达到了分析的目的。组分的分离过程是在色谱柱中进行的，色谱柱中填充的固体物质是固定不动的，称为固定相；流动的物质(气体或者液体)携带着含有被分析的物质的样品通过色谱柱，这种流动的物质就是流动相，流动相为气体(称为载气)的色谱

34、仪即气相色谱仪。色谱仪中在柱温和柱平均压力一定的条件下，组分在两项中达到平衡时，分布在单位体积(以ml表示)固定相组分中的量和分布在单位体积(以ml表示)流动相组分之比称为分配系数，以K来表示，K值越大，组分在色谱内停留的时间就越长，反之则越短，如果以时间和电压为坐标的曲线来表征从色谱柱中流出的组分及其浓度变化的曲线，则样品中的每一个分离的组分，在曲线上对应着一个峰值即色谱峰。从样品进入色谱柱到某组分流出色谱柱后出现该组分浓度极大值为止所经历的时间称为该组分的保留时间。仪器在正常工作条件下，当没有样品注入(或注入的样品不被检测仪器响应)或进入检测仪器的是纯净的载气时，仪器得到的流出曲线为基线，

35、一般稳定的基线是一条直线。通过色谱峰两侧的拐点作切线，与基线相交，两交点间的距离称为峰宽，峰的最高点与基线的垂直距离称为峰高，峰与基线所包围的面积称为峰面积，可以通过将分析样品的曲线与已知标准样品的曲线对比，由具有相同保留时间的组分为同一组分的结论就可以判断出分析样品的组分。然后再根据样品的峰宽、峰高、峰面来分析样品中各组分的浓度，进而分析出油中产生的各类气体的浓度。气相色谱常用的载气有氢气、氮气、氦气、氢气和空气，一般都装在钢瓶内，用得最多的是氢气和氮气。2.3.2 油色谱分析的气体检测原理样品的组分被色谱柱分离后由载气带到检测器内，检测器将组分转换成相应的电信送到记录仪(或放大器)，记录下

36、来(或放大)。用于色谱仪的检测器大致可分为积分型和微分型两类。积分型是测量组分的累积总量，所得的色谱图为一系列台阶，每一台阶高都代表了相应组分的含量，目前，这类检测器用得很少；微分型检测器是测量载气中各组分及其浓度瞬间变化的性质，所得的色谱图为一系列色谱峰，这种检测器因能给出保留值和灵敏度而被广范使用。微分型检测器根据检测原理的不同又可以分为浓度型和质量型。浓度型检测器(如热导池)给出的相应信号(峰高R)与载气组分浓度成正比，即RC。质量型检测器(如氢焰检测器)给出的相应信号(峰高R)与单位时间组分进入检测器的质量(dm/dt)，即Rdm/ dt。对于检测器，一般要求其灵敏度高，检测度低，稳定

37、性好，检测范围宽，死体积小，响应时间快，同时还要求其结构简单。通常使用的两种检测器是热导池检测器和氢焰离子化检测器。2.3.3 色谱法的不足气相色谱分析具有选择性好、分离性能高、分离时间快(几分钟到几十分钟)、灵敏高和适用范围广等优点，但常规的色谱分析从脱气到鉴定需要一套庞大、精密、复杂的监测装置，整个分析时间较长，需熟练的试验人员，整套试验设备常占据较大的空间，只适于在试验室内进行监测。这样油样需从现场采集并运送到试验室进行，不仅耗时长而且采样、运输、保存过程中还会引起气体组份的变化，更不能作到实时在线监测，而且检测曲线的人工修正也会加大误差。从取油样到试验室分析，作业程序复杂，花费的时间和

38、费用较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要;检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效地跟踪发展趋势;因受技术力量的限制，运行人员无法随时了解和掌握变压器的运行状况。由于以上原因，不能充分发挥油色谱分析法的有效性和优点，而对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线检测方法，虽然仍以油中溶解气体为反映故障的特征量，但他是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化检测与故障诊断，不仅能够及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对故障自动进行诊断，以便迅速做出判断和处理:同时可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障诊断的可靠性;可以在主控室对变压器油色谱分析进行巡

39、回在线检测，根据需要，还可以实现反映变压器电气量异常的综合判断，除此之外，从变压器运行可靠性的重要性和变压器与油色谱在线检测装置的价格比来看，采用在线检测装置在技术经济上都有显著的优势，即提高了变电站运行的管理水平，又可以为从预防性维修向状态维修过度奠定基础，因此，变压器油中溶解气体在线检测的应用研究具有重要的现实意义和实用价值。所以，为了达到在现场实现在线检测油中气体组份的目的，需从简化色谱分析仪例如取油样脱气等方面着手。采用 “渗透膜脱气法”，其工作原理是利用高分子膜的透气性，可以直接从油中将气体分离出来，即可免去取样、注油和脱气等工序，不仅节省了监测时间，而且简化了装置，易于实现在线连续

40、监测的要求。2.4 小结本章分析变压器油的成份、固体绝缘性质及气体产生机理，阐述了故障与特征气体的对应关系。介绍了油气分离的常用方法（1.真空脱气法；2.薄膜取气法）和传统的色普法，并指出传统色谱法的不足。3 变压器故障及其诊断方法3.1 变压器故障类型及其与油中特征气体的关系3.1.1 变压器典型故障类型充油电力设备的故障模式主要是机械、热、电三种类型，以后两种为主，并且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。人们根据故障的原因及严重程度将变压器的典型故障分为6种，各种故障类型及其可能的原因列于表3.1。表3.1 充油变压器的典型故障故障类型故障可能的原因局部放电由不完全浸渍、高湿度的纸、

41、油的过饱和，或空腔造成的充气空腔中的局部放电，并导致形成X蜡。低能放电不良连接形成的不同电位或悬浮电位造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕组中的相邻线饼间或导体间，以及连线开焊处或铁芯的闭合回路中。夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放电。木质绝缘块、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电。油击穿、选择开关的切断电流。高能放电局部高能量或短路造成的闪络，沿面放电或电弧。低压对地、接头之间、线圈之间、套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路。环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电。铁芯的绝缘螺丝、固定铁芯的金属环之间的放电。低温过热（300）救急状态下变压器超铭牌运行、绕组中油流

42、被阻塞、铁轭夹件中的杂散磁通过大。中温过热（300t700）螺栓连接处(特别是铝排)、滑动接触面、选择开关内的接触面，以及套管引线和电缆的连接接触不良。高温过热（t700）油箱和铁芯上大的环流，油箱壁未补偿的磁场过高、形成一定的电流，铁芯叠片之间的短路。3.1.2 变压器故障与特征气体的关系根据大量的试验和故障变压器实例可知，高能的电弧放电变压器油主要分解出乙炔、氢气及少量的甲烷；局部放电变压器油主要分解出氢气和甲烷；过热时变压器油主要分解出氢气、甲烷、乙烯等；固体绝缘在过热时主要分解出一氧化碳和二氧化碳等。不同故障类型所产生的主要特征气体和次要特征气体归纳于表3.2中。表3.2 充油变压器不

43、同故障类型时产生的气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热、油和纸过热、油和纸绝缘中局部放电、油中火花放电、油中电弧、油和纸中电弧、进水受潮或油中气泡充油电力变压器在长期的运行过程中受到电或热的作用会老化和劣化，产生少量的气体。当变压器存在热或电故障时，产生气体的速度要加快，如果产生的气体导致油中溶解气体饱和，气体就会进入气体继电器，导致变压器报警。人们将变压器油中溶解气体中对判断变压器故障有价值的7种气体即氢气()、甲烷()、乙烷()、乙烯()、乙炔()、一氧化碳()、二氧化碳()称为特征气体，把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。3.2 变压器故障的判断3.2.1 判断变压器是否有故障

44、的方法判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、根据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器是否故障的方法。(1) 根据气体浓度判断变压器是否故障的方法正常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低分子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根据气体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运行过程中气体浓度的极限值如表3.3所示。表3.3 变压器投运前后气体浓度的极限值(L/L) 组分投运时间 总烃投运前或72小时试运行期内50 10510痕(0.5)202001500运行半年内1

45、0015510痕(0.5)25运行较长时间15060407010150(2) 根据产气速率判断变压器是否故障的方法因为有的故障是从潜伏性故障开始的，此时油中溶解气体的含量较小但产气速率较快，所以应该考虑用产气速率来判断变压器是否处于故障状态。产气速率分为绝对产气速率和相对产气速率。绝对产气速率是每运行日产生某种气体的平均值，即 （3.1）式中，是绝对产气速率，单位为mL/d；是第二次取样测得油中某种气体浓度，单位为L/L；是第一次取样测得油中某种气体浓度，单位为L/L；是取样间隔中实际的运行时间，单位为d；m是变压器总油重，单位为t；p是油的密度，单位为。变压器的绝对产气速率的注意值如表3.4

46、所示。表3.4 绝对产气速率注意值(mL/d)气体组分开放式隔膜式总烃612乙炔0.10.2氢气510一氧化碳50100二氧化碳100200相对产气速率是折算到月的某种气体浓度增加量占原有值百分数的平均值，按下式计算。 （3.2）式中，Vr是相对产气速率，单位为%/m；是第二次取样测得油中某气体浓度，单位为L/L；是第一次取样测得油中某气体浓度，单位为L/L；是取样间隔中实际的运行时间，单位为m。当总烃的相对产气速率大于10%时就应该引起注意，对总烃起始值很低的变压器不宜采用此判据。产气速率在很大程度上依赖于设备的类型、负荷情况、故障类型和所用绝缘材料的体积及其老化程度，应结合这些情况进行综合分析。判断设备状况时，还应该考虑到呼吸系统对气体的逸散作用。3.2.2 判断变压器故障性质和类型的方法在判断变压器是故障后，就可以利用判断变压器故障类型的方法判断变压器所属的故障类型了。判断变压器故障类型的方法主要有特征气体法和比值法，比值法又包括有编码的比值法和无编码的