變壓器在線監(jiān)測研究.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除摘 要隨著國民經(jīng)濟和電力系統(tǒng)的發(fā)展，對電力系統(tǒng)安全可靠運行的要求不斷提高，電力系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為重要的科學(xué)研究和工程應(yīng)用方向。電力設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測可以實時監(jiān)測電力設(shè)備在實際運行狀況下的健康狀況，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保證；它作為綜合自動化的補充和發(fā)展，能夠使變電站實現(xiàn)真正意義上的無人值守；同時它還可為電力設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)，是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的前提和重要組成部分。本文主要研究變壓器在線監(jiān)測的相關(guān)方法，并在文中給出分析。變壓器是電網(wǎng)中比較昂貴且重要的電氣設(shè)備，其安全運行對于保證電網(wǎng)安全可靠運行意義重大，通過變壓器在線的研究，以便根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的方法。本文根據(jù)變壓器的各種機械和電氣特性，對變壓器局部放電的在線監(jiān)測、變壓器油的在線監(jiān)測、變壓器鐵芯多點接地的在線監(jiān)測、變壓器過電壓的在線監(jiān)測、變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測、變壓器絕緣老化程度的在線監(jiān)測技術(shù)進行介紹。 關(guān)鍵詞：變壓器；在線監(jiān)測；油中溶解氣體；過電壓絕緣老化；鐵心；多點接地；局部放電AbstractWith the development of the national economy and power system, safe and reliable operation of the power system requirements continue to increase, the power line condition monitoring system has become an important direction of scientific research and engineering applications. Power Equipment Online condition monitoring real-time monitoring of power equipment in the health status under actual operating conditions, provide a guarantee for the safe and stable operation of the system; it is as integrated automation supplement and development, enabling unattended substation in the true sense; at the same time it may also be a condition-based maintenance of electrical equipment provide the basis for achieving the status of maintenance of premises and an important part. This paper studies the correlation method of transformer on-line monitoring and analysis are given in the text. Grid transformer is relatively expensive and important electrical equipment, the safe operation of the power grid to ensure safe and reliable operation of great significance, through transformer online research in order to select the appropriate method based on the actual situation.According to a variety of mechanical and electrical characteristics of the transformer on-line monitoring of transformer partial discharge of transformer oil on-line monitoring, transformer core multi-point grounding line monitoring, over-voltage transformer on-line monitoring of transformer oil on-line monitoring of trace water insulation transformer aging line monitoring techniques are introduced.Key Words：Transformer；on-line monitoring；oil dissolved gases；overvoltage insulation aging；core； multi-point grounding；partial discharge目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 概述11.1研究背景11.2 研究方法1第2章 局部放電的在線監(jiān)測22.1 局部放電對變壓器絕緣的危害22.2 變壓器局部放電的測量方法2第3章 變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測43.1 變壓器油在線監(jiān)測的原理43.2 變壓器油在線監(jiān)測的氣體檢測方法43.3 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的基本功能5第4章 變壓器鐵芯多點接地的在線監(jiān)測64.1 鐵芯多點接地故障的危害64.1.1 鐵芯接地故障原因64.2 處理方法74.3 鐵芯多點接地故障判斷及處理74.3.1豐鎮(zhèn)電廠74.3.2 油色譜跟蹤試驗分析74.3.3 主變吊芯檢查84.3.4 消除故障方法84.4 防范措施94.5 結(jié)論9第5章 變壓器過電壓的在線監(jiān)測11第6章 變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測136.1 變壓器油中微水的狀態(tài)及危害136.2 變壓器絕緣油中微水的測試方法14第7章 變壓器絕緣老化程度的在線監(jiān)測167.1 介電響應(yīng)分析法簡介187.1.1 回復(fù)電壓法(RVM)197.1.2 極化去極化電流法(PDC)207.1.3 介電頻域譜法(FDS)207.1.4 介電響應(yīng)現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析21第8章 結(jié) 論26致謝27參考文獻28學(xué)習(xí)資料第1章 概述1.1研究背景電力變壓器是電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，常被視為電網(wǎng)的“心臟”，它的正常運行是對電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要保證。電力變壓器正常運行時，鐵芯必須有一點可靠接地，否則鐵芯對地會產(chǎn)生懸浮電壓或鐵芯多點接地而產(chǎn)生發(fā)熱故障，嚴重威脅變壓器及電網(wǎng)的安全。在大型高壓電氣設(shè)備電力變壓器中，由于鐵芯接地故障及其它異常情況，絕緣油中會產(chǎn)生多種氣體。電力部門慣用的檢測手段是檢測溶解在絕緣油中的故障氣體，以及對設(shè)備的絕緣油采樣后進行氣體色譜分析和用鉗形電流表測變壓器鐵芯外引接地套管的接地下引線的電流，以便盡快地發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，是保證大型電力變壓器安全運行和正常維護的主要手段。由此可見變壓器的在線監(jiān)測顯得尤為重要。1.2 研究方法目前國內(nèi)外使用或研究中的變壓器絕緣在線監(jiān)測方法有如下幾種：一、變壓器局部放電的在線監(jiān)測二、變壓器油的在線監(jiān)測三、變壓器鐵芯多點接地的在線監(jiān)測四、變壓器過電壓的在線監(jiān)測五、變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測六、變壓器絕緣老化程度的在線監(jiān)測 目前國內(nèi)外都認為，對油浸電力變壓器比較有效的在線監(jiān)測方法，主要為油的在線監(jiān)測和局部放電的在線監(jiān)測。第2章 局部放電的在線監(jiān)測在固體絕緣中常常存在著局部損傷或氣隙，在液體絕緣中常常存在著氣泡。這些缺陷中，有些是在各種運行因素（電場溫度變化、機械應(yīng)力、受潮等）長期作用下，絕緣結(jié)構(gòu)老化、分解、破壞、裂縫過程中產(chǎn)生的，有些是制造過程中未去凈的，這些缺陷是引起變壓器局部放電的主要原因。因為在有缺陷的部位電場分布比其它地方集中，當外施加電壓升高到一定程度時，這些部位的場強達到足夠大，超過了該處物質(zhì)的游離場強時，該處物質(zhì)就產(chǎn)生游離放電，稱為局部放電。2.1 局部放電對變壓器絕緣的危害 局部放電給變壓器絕緣帶來極大的危害。造成破壞作用的因數(shù)有：熱力作用、帶電微粒的轟擊、局部放電時產(chǎn)生的化學(xué)活性物的作用以及沖擊波和輻射線的作用等。變壓器發(fā)生局部放電時，放電處會產(chǎn)生高溫，高溫易使固體絕緣老化，對有機物和合成絕緣材料的壽命影響很大，高溫還會使絕緣油劣化。放電處還會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧和氧化氮等氣體，這些氣體對絕緣材料起腐蝕作用，破壞絕緣的分子結(jié)構(gòu)，使絕緣遭受損傷。因此局部放電試驗已被列為大型變壓器的出廠試驗項目，在線監(jiān)測變壓器內(nèi)部局部放電信號能及時反映其絕緣狀況和發(fā)展趨勢。2.2 變壓器局部放電的測量方法測量變壓器的局部放電是根據(jù)生產(chǎn)的需要進行的。對很多運行中被擊穿的變壓器進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)有不少原因與局部放電有關(guān)，因此對高壓變壓器出廠前及運行中安全檢查時都需要進行局部放電測量。 變壓器局部放電的測量方法可歸納為兩大類，一是非電測法，二是電測法。非電測法是利用局部放電產(chǎn)生的各種非電信息來測定局部放電的方法，主要有；（1）超聲波法；（2）測光法；（3）測分解或生成物法。電測法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的各種信息來測量的方法，主要有：（1）脈沖電流法；（2）無線電干擾法；（3）放電能量法。在上述方法中，能用于在線監(jiān)測的局部放電的測量方法有兩種，脈沖電流法和超聲波法。脈沖電流法能測量小至幾個微微庫的局部放電量。靈敏度很高。但抗干擾能力差。超聲波法是通過安裝在變壓器油箱上的超聲波傳聲器檢測局部放電造成的超聲壓力波，其抗電磁干擾性能好。采用幾個超聲波傳感器后還能對放電定位。但由于超聲波在設(shè)備內(nèi)部的絕緣中的吸收和散射，靈敏度不如脈沖電流法高。并且機構(gòu)振動（如風(fēng)砂、雨滴敲擊設(shè)備處殼）、鐵芯電磁振動等也會造成干擾。下面著重討論脈沖電流法,它是將被試品兩端的電壓突變轉(zhuǎn)化為檢測回路的脈沖電流。根據(jù)脈沖電流，即可推算出視在放電量。所謂視在放電量，是指局部放電時，試品兩端的電壓變化量為V時，如果在試品Cx的兩端注入一定的電荷量，使之與試品產(chǎn)生的局部放電有相同的變化量，這時注入的電荷量，即為局部放電的視在放。電量qa,則qa=CxV0視在放電量表征局部放電的強度。第3章 變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測 幾十年來，檢測油中氣體成分和含量的氣相色譜法一直是判斷變壓器等充油設(shè)備潛伏性故障的重要手段。但是其作業(yè)程序復(fù)雜，人工操作不可靠，且不易及早發(fā)現(xiàn)兩次試驗之間的故障或缺陷。色譜分析相對于在線局部放電測量而言，外界電磁干擾對測量的影響要小得多。因此近年來，國內(nèi)外在變壓器的油中氣體在線分析和診斷方面進行了大量的研究工作。3.1 變壓器油在線監(jiān)測的原理由于變壓器的潛伏性故障分為熱性故障和電性故障兩大類。熱性故障指鐵芯多點接觸、局部短路、接點焊接不良等形成的局部過熱；電性故障指電弧放電、局部放電等故障形式。無論是熱性故障還是電性故障，以及絕緣介質(zhì)老化，最終都將導(dǎo)致絕緣介質(zhì)劣解并產(chǎn)生各種特征氣體。油氣相色譜分析方法可用來對這些劣解出來的分子氣體進行分類定量檢測，其目的見，因而可在一定程度上反應(yīng)出變壓器絕緣介質(zhì)的故障或老化程度。3.2 變壓器油在線監(jiān)測的氣體檢測方法 當氣體從油中分離出來以后，在現(xiàn)場對其進行定量檢測的方法有兩大類:一類仍用色譜柱將不同氣體分離開再用氣體傳感器進行檢測，應(yīng)用此原理的在線監(jiān)測裝置可檢測的氣體為:H2,CO,CH4,C2H2,C2H4,C2H6。這類系統(tǒng)的監(jiān)測原理比較復(fù)雜，對氣體分離柱需定期更換，維護工作量大。由于存在氣體分離柱本身吸附氣體的作用，會影響整個系統(tǒng)的檢測靈敏度，對氣體傳感器的要求較高，特別是檢測C2H2的傳感器。另一類不用色譜柱，直接用對某種氣體敏感的傳感器(一般為半導(dǎo)體氣敏元件)進行檢測，根據(jù)使用氣體傳感器的情況，應(yīng)用此原理的在線監(jiān)測裝置可分別檢測的氣體為:H2,CO,CH4,C2H2,C2H4,C2H6。此類裝置盡管提高了對傳感器的要求，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，維護工作量不大(僅需定期對裝置進行部分調(diào)校)。例如目前已應(yīng)用較成熟的檢測氫氣的在線監(jiān)測裝置(加拿大的HY-DARN201型)和可檢測六種油中溶解氣體的在線監(jiān)測裝置(我國的SPJC一IV型)?？傊瑖鴥?nèi)外近年來都在研究對運行中的油浸電力設(shè)備進行氣體色譜分析的自動檢測及診斷的儀器，其中有些產(chǎn)品已開始應(yīng)用，有的還在繼續(xù)研究之中。關(guān)鍵問題是在現(xiàn)場如何簡便地實現(xiàn)從油中脫出氣體，以及測量出各氣體數(shù)量的合適方法。3.3 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的基本功能 現(xiàn)在的在線監(jiān)測裝置都離不開計算機技術(shù)和通訊傳輸技術(shù)，所以在線監(jiān)測裝置都具有很好的數(shù)據(jù)處理、靈活的報警設(shè)置以及數(shù)據(jù)遠傳功能。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置一般具有被檢測氣體濃度值的連續(xù)顯示和存儲功能，被檢測氣體的變化趨勢顯示功能，氣體濃度超標報警值設(shè)置功能，具備向?qū)I(yè)管理部門進行數(shù)據(jù)遠傳功能，以及結(jié)合模糊診斷程序(或?qū)＜蚁到y(tǒng))使其具備診定故障類型的功能。油中溶解氣體在線分析和局部放電的在線監(jiān)測和定位是監(jiān)測變壓器工況的兩種最有效的方法。對于油中氣體分析，有人認為只需對H2進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，再取油樣進行色譜分析；也有人主張應(yīng)對油中各種氣體成分進行連續(xù)檢測。當然，兩者的費用和產(chǎn)生的效益需要大量的比較統(tǒng)計才能得出結(jié)論。 目前油中多種氣體成分的在線分析儀在性能上有很大的提高。主要的目標是在現(xiàn)場如何更方便地從油中脫出氣體和如何更準確地檢測其含量。與變壓器絕緣的其它在線監(jiān)測方法相比，局部放電在線監(jiān)測反應(yīng)缺陷的實時性好、靈敏度高，而且可進行故障定位。隨著傳感器技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、數(shù)字信號處理技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和應(yīng)用，對變壓器局部放電在線監(jiān)測難題的解決會有很大的促進作用，局部放電在線監(jiān)測會發(fā)揮越來越大的作用。第4章 變壓器鐵芯多點接地的在線監(jiān)測變壓器鐵芯多點接地，是變壓器較常見故障之一，據(jù)內(nèi)蒙電力公司2001年統(tǒng)計，鐵芯接地故障占變壓器故障42%的比例，這類故障輕者造成鐵芯局部過熱，重者造成鐵芯局部燒損。由于發(fā)生多點接地時故障點的位置不同，對查找和處理都有一定的難度。4.1 鐵芯多點接地故障的危害變壓器正常運行時，是不允許鐵芯多點接地的。因為變壓器正常運行中，繞組周圍存在著交變的磁場，由于電磁感應(yīng)的作用，高壓繞組與低壓繞組之間，低壓繞組與鐵芯之間，鐵芯與外殼之間都存在著寄生電容，帶電繞組將通過寄生電容的耦合作用，使鐵芯對地產(chǎn)生懸浮點位。由于鐵芯及其他金屬構(gòu)件與繞組的距離不相等，使各構(gòu)件之間存在著電位差，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產(chǎn)生火花放電。這種放電是斷續(xù)的，長期下去對變壓器油和固體絕緣都有不良影響，為了消除這種現(xiàn)象，把鐵芯與外殼可靠地連接起來，使它與外殼等電位，但當鐵芯或其他金屬構(gòu)件有兩點或多點接地時，接地點就會形成閉合回路，造成環(huán)流，引起局部過熱，導(dǎo)致油分解，絕緣性能下降，嚴重時，會使鐵芯硅鋼片燒壞，造成主變重大事故。4.1.1 鐵芯接地故障原因 （1）安裝時疏忽使鐵芯碰殼，碰夾件。 （2）穿芯螺栓鋼座套過長與硅鋼片短接。（3）鐵芯絕緣受潮或損壞，導(dǎo)致鐵芯高阻多點接地。（4）潛油泵軸承磨損，產(chǎn)生金屬粉末，形成橋路，造成箱底與鐵軛多點接地。（5）接地片因加工工藝和設(shè)計不良造成短路。（6）由于附件引起的多點接地。（7） 由遺落在主變內(nèi)的金屬異物和鐵芯工藝不良產(chǎn)生的毛刺、鐵銹與焊渣等因素引起接地。4.2 處理方法1、對于鐵芯有外引接地線時，可在鐵芯接地回路上串接電阻，以限制鐵芯接地電流，此方法只能作為應(yīng)急措施采用。2、對于金屬異物造成的鐵芯接地故障，進行吊罩檢查，可以發(fā)現(xiàn)問題。3、對于由鐵芯毛刺、金屬粉末堆積引起的接地故障，用以下方法處理效果較明顯：（1）電容放電沖擊法。（2）交流電弧法。（3）大電流沖擊法，即采用電焊機。4.3 鐵芯多點接地故障判斷及處理現(xiàn)以豐鎮(zhèn)電廠#1主變?yōu)槔榻B如何分析、判斷和處理鐵芯多點接地故障。4.3.1豐鎮(zhèn)電廠#1主變壓器是保定變壓器廠生產(chǎn)，型號為SFP-240000/220，在1993年1月底投入使用，4月發(fā)現(xiàn)主變鐵芯多點接地。當時實測的環(huán)流為7.5A，萬用表實測鐵芯對地絕緣5k，色譜分析未發(fā)現(xiàn)總烴超標。根據(jù)數(shù)據(jù)分析1主變鐵芯接地故障不很嚴重，決定采取臨時措施，在鐵芯工作接地串接一電阻將環(huán)流限制在100mA以下，同時定期對環(huán)流和串聯(lián)電阻電壓進行測量，加強絕緣油的色譜分析。變壓器工作接地串聯(lián)一300電阻后，實際測量環(huán)流為37.5mA，鐵芯對地電壓12V，色譜分析正常，之后一直跟蹤監(jiān)視故障點的產(chǎn)氣率。4.3.2 油色譜跟蹤試驗分析油色譜跟蹤的數(shù)據(jù)如表所示（單位：ppm ）測量日期氫一氧化碳二氧化碳甲烷乙烷乙炔乙烯總烴1993.5.1135.61141.25412.1546.7816.9060.19123.871993.5.1744.51140.58405.3047.0115.52057.93120.461993.6.744.51191.4462.0655.9315.45058.28129.661993.6.2143.5271.67724.0658.5119.06074.03151.61993.7.539.79228.04700.2755.5217.58073.42146.521993.7.2145.83276.25824.6252.9816.35073.19142.521993.8.2258.38454.831109.7947.5219.23059.1125.851993.9.1346.25412.93981.1342.513.62051.19107.311993.10.945.69446.881183.3946.78200.4666.09133.331993.11.332.31481.51959.5346.1216.15059.79122.061994.2.2820.42395.681156.3637.4326.45055.89119.771995.6.1315.2494.7924.824.920.70.5147.893.91從1993年5月到1995年5月，總烴含量(100150ppm)數(shù)據(jù)偏高說明變壓器內(nèi)部有過熱點，但從總烴量上看，過熱點還不能說十分嚴重。從多次測量鐵芯電壓來看，鐵芯電壓維持幾伏，未有大的變動，說明鐵芯多點接地是穩(wěn)定的。4.3.3 主變吊芯檢查96年6月8日由保定變壓器廠、內(nèi)蒙電科院、豐鎮(zhèn)發(fā)電廠共同對主變進行吊芯檢查，在吊起C相線圈后（線圈綁帶存在問題），用2500V搖表測量鐵芯絕緣電阻時，發(fā)現(xiàn)B相低壓側(cè)下夾件磁屏蔽處有放電聲，即為鐵芯接地點，如拆B(yǎng)相下夾件磁屏蔽必須吊出B相線圈，但是根據(jù)磁屏蔽的安裝結(jié)構(gòu)特點，認為是金屬發(fā)絲類物體造成鐵芯多點接地故障。4.3.4 消除故障方法通過以上綜合分析，造成鐵芯多點接地，可能是由于鐵芯毛刺、焊渣或懸浮物引起的接地故障。如果利用電焊進行大電流沖擊法，現(xiàn)場操作不方便，點焊時間不好掌握，易造成鐵芯絕緣受損。通過比較決定用電容放電法進行處理，電容器瞬間放電產(chǎn)生的巨大電流將熔化或燒斷殘留雜物，或者電容器瞬間大沖擊電流產(chǎn)生的電動力使殘留雜物移開原來位置。圖1 電容放電沖擊法原理圖UC -電容電壓C-電容50fK-開關(guān)利用開關(guān)K合到1側(cè)給電容充電，先充500V，充好后將開關(guān)迅速切換到2側(cè)放電，這樣多次觀察鐵芯放電或發(fā)熱點，未發(fā)現(xiàn)問題再充1000V電壓放電，最高允許充到3000V電壓，幾次放電后，鐵芯接地現(xiàn)象消除了，測鐵芯對地絕緣為2500M，滿足大于200M的要求，測量線圈絕緣電阻、介損及漏泄電流與預(yù)試時基本相同。經(jīng)過幾年的鐵芯接地電流監(jiān)測和預(yù)試，均無異常，說明這種處理方法取得了預(yù)期效果。由此可見，即使不吊罩也可以采用電容放電沖擊法將懸浮物燒掉，有時也會將不穩(wěn)定金屬沖掉，這種方法簡單快捷。當然有吊罩機會，結(jié)合濾油，采用電容放電沖擊法查找并處理鐵芯多點接地是非常理想的。4.4 防范措施一般在制造時認真清理內(nèi)部遺留的雜質(zhì)，油質(zhì)干凈，新變壓器安裝時，現(xiàn)場應(yīng)吊罩檢查鐵芯夾件，同時認真清理油箱，積極開展運行變壓器的定期工作，發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地要及時消除。4.5 結(jié)論（1）發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地故障時，可采用氣相色譜法和監(jiān)視接地電流來跟蹤監(jiān)測。（2）可以通過直流法和交流法來判斷鐵芯故障點。（3）由鐵芯毛刺或浮物引起的接地故障可采用電容放電的方法，但要注意電壓大小，此方法不需要對變壓器進行吊罩，可減少停電時間，提高供電可靠性。（4）在變壓器安裝和大修時，要注意對變壓器內(nèi)部的清理工作，特別對鐵芯槽和各間隙處要用油或氮氣來沖吹清理。第5章 變壓器過電壓的在線監(jiān)測 過電壓監(jiān)測系統(tǒng)是國自電氣為電力系統(tǒng)各種類型過電壓的監(jiān)測、記錄、分析而設(shè)計的專用測試系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括了GOZ-CR系列雷電脈沖電容分壓器、衰減器(緩沖器)、多通道高速動態(tài)信號測試分析儀、過電壓信號調(diào)理器和GOZ-SPT暫態(tài)過電壓監(jiān)測分析系統(tǒng)專用軟件、鎧裝阻燃特制電纜，可運行于35KV、110KV、220 KV、330500 KV等電力系統(tǒng)，能夠完成各種類型過電壓的監(jiān)測、記錄、分析、報告輸出等全套工作。系統(tǒng)采用了服務(wù)器客戶機模式，可以基于網(wǎng)絡(luò)運行，用戶不需要身臨現(xiàn)場，通過在客戶端運行客戶機程序，即可完成對服務(wù)器的所有控制，實時獲取電網(wǎng)過電壓監(jiān)測狀態(tài)，判別過電壓類型，適合各類電網(wǎng)過電壓監(jiān)測要求。 電力系統(tǒng)變電設(shè)備隨時都會受到雷擊過電壓及操作過電壓的侵襲，當變電站處于雷雨區(qū)或出線較多時，雷擊過電壓會隨線路入侵，當系統(tǒng)進行切空載線路和變壓器等操作時會產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時會產(chǎn)生弧光過電壓。這些過電壓幅值都非常高（系統(tǒng)電壓的25倍）。當變電站保護系統(tǒng)配置不當或避雷器有缺陷時，雷電入侵或操作過電壓暫態(tài)波形幅值會相當高，就會對一次變電設(shè)備造成危害，并且變電設(shè)備（如PT、CT變壓器等）在長期運行中，由于絕緣油變質(zhì)，紙絕緣受潮老化等，絕緣水平會大大降低，在較大過電壓作用下，這些設(shè)備會進一步劣化，造成設(shè)備缺陷，在較高的過電壓作用下會形成絕緣擊穿，在工頻作用下甚至可能會出現(xiàn)爆炸事故。因此，這些暫態(tài)過電壓對電力設(shè)備危害很大。 由于雷擊及操作過電壓產(chǎn)生的波形是一種速度很快的過電壓波，持續(xù)時間在40s2000s之間，頻率從幾十Hz到幾百KHz，目前電力系統(tǒng)安裝的常規(guī)保護記錄裝置（如故障錄波器等）是從電壓互感器（PT）獲取過電壓信號，只能記錄工頻的過電壓信息，測量精度和頻率響應(yīng)差，對很多高頻過電壓不能監(jiān)測。當設(shè)備受到暫態(tài)過電壓損害后，系統(tǒng)沒有相關(guān)的記錄數(shù)據(jù)，缺少對設(shè)備損害的準確判斷依據(jù)。為了實現(xiàn)正確的絕緣配置，防止雷擊過電壓及操作過電壓等暫態(tài)波形對電力運行設(shè)備的損害，或把損害程度減到最小，建立暫態(tài)過電壓響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)是很必要的，使工程師能夠?qū)ο到y(tǒng)過電壓損害狀況、避雷器保護水平及殘壓是否有效等情況有清晰的數(shù)據(jù)資料。第6章 變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測 變壓器油中微水的狀態(tài)，變壓器在運輸、貯存、使用過程中都可能由外界進入或油自身氧化產(chǎn)生水，產(chǎn)生的水分會以下列狀態(tài)存在：一是游離水。二是極度細微的顆粒溶于水。三是促使絕緣纖維老化,絕緣纖維的分子是葡萄糖(C6H12O6)分子，水分進入纖維分子后降低其引力，促使其水解成低分子的物質(zhì)，降低纖維機械強度和聚合度。 目前電力變壓器不僅屬于電力系統(tǒng)最重要的和最昂貴的設(shè)備之列，而且也是導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故最多的設(shè)備之一。變壓器在發(fā)生突發(fā)性故障之前，絕緣的劣化及潛伏性故障在運行電壓的作用下將產(chǎn)生光、電、聲、熱、化學(xué)變化等一系列效應(yīng)及信息。因此，國內(nèi)外不僅要定期做以預(yù)防性試驗為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護，而且相繼都在研究以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)的預(yù)知性維護策略，以便實時或定時在線監(jiān)測與診斷潛伏性故障或缺陷1-4。變壓器絕緣油中微水的含量也是確定變壓器絕緣質(zhì)量的參數(shù)。變壓器在線智能診斷設(shè)備能夠自動采集、分析油中微水的含量并得出故障原因，提供解決方案，使用戶及時解決變壓器中存在的隱患，防止事故發(fā)生。 6.1 變壓器油中微水的狀態(tài)及危害 變壓器在運輸、貯存、使用過程中都可能由外界進入或油自身氧化產(chǎn)生水,產(chǎn)生的水分會以下列狀態(tài)存在：一是游離水。多為外界入侵的水分，如不攪動不易與水結(jié)合。不影響油的擊穿電壓,但也不允許，表明油中可能有溶解水，立即處理。二是極度細微的顆粒溶于水。通常由空氣中進入油中，急劇降低油的擊穿電壓。介質(zhì)損耗加大,真空濾油。三是乳化水。油品精煉不良,或長期運行造成油質(zhì)老化，或油被乳化物污染，都會降低油水之間的界面張力，如油水混合在一起,便形成乳化狀態(tài)。加破乳化劑，其危害：一是降低油品的擊穿電壓。100200 mg/kg擊穿電壓大幅度降至1.0 kV，油中纖維雜質(zhì)極易吸收水分，在電場作用下，在電極間形成導(dǎo)電的“小橋”，因而容易擊穿。二是使介質(zhì)損耗因數(shù)升高。懸浮的乳化水影響最大，不均勻。三是促使絕緣纖維老化，絕緣纖維的分子是葡萄糖(C6H12O6)分子，水分進入纖維分子后降低其引力，促使其水解成低分子的物質(zhì)，降低纖維機械強度和聚合度。實驗證明,120 ，絕緣纖維中的水分每增加1倍，纖維的機械強度下降1/2，當溫度升高,油中的水增加，纖維的水降低，溫度降低，則相反。因此，應(yīng)監(jiān)視油中的微水，進而監(jiān)視絕緣纖維的老化。四是水分助長了有機酸的腐蝕能力，加速了對金屬部件的腐蝕。綜上所述,油中含水量愈多，油質(zhì)本身的老化、設(shè)備絕緣老化及金屬部件的腐蝕速度愈快,監(jiān)測油中水分的含量，尤其是溶解水的含量十分必要。6.2 變壓器絕緣油中微水的測試方法 評估絕緣材料中的濕度，是確保變壓器可靠性和使用壽命的一個重要因素。絕緣油中的濕度在不斷地變化，因而可能對質(zhì)量造成不利影響。另外，大部分濕度分布在絕緣紙中。濕度會影響固體和液體絕緣材料的介電擊穿強度，并影響纖維素絕緣材料的老化速度以及過載期間的氣泡形成傾向。環(huán)境溫度、負載、老化、泄漏以及其他因素會引起濕度的不斷變化。因此，隨著變壓器溫度的循環(huán)變化，需連續(xù)監(jiān)視和診斷，這對過載或峰值負載的變壓器更有必要。變壓器絕緣系統(tǒng)中的總濕度由纖維素和液體中的水分含量決定。絕緣紙和絕緣油中的濕度關(guān)系僅取決于溫度。當溫度增加時，水在絕緣油中的溶解性(溶液含水能力)增加，水分會從絕緣紙轉(zhuǎn)移到絕緣油中。當溫度降低時,這一過程則會反向進行，但水分從液體介質(zhì)流動到固體絕緣材料的速度相當緩慢。因此，絕緣油冷卻期間的含水量高于加熱期間。因此，要準確掌握變壓器中的濕度分布，必須知道設(shè)備在其熱循環(huán)中所處的位置。要通過監(jiān)視液體介質(zhì)中的水分含量了解絕緣紙的真實濕度，變壓器必須處于相對穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。 絕緣油中水分的相對飽和度需要標準化，因絕緣油中的濕度與溫度變化緊密相關(guān)，并且在變壓器主箱中存在一定的溫度梯度(通常箱的頂部溫度要高于底部)。要完成標準化，專家系統(tǒng)分析需推斷底部的相對飽和度百分數(shù)。可通過采用傳感器報告的溫度和其采樣位置獲得。該分析假定變壓器頂部溫度比底部溫度高出10 。如采用頂部或底部之外的位置作取樣點，則必須指定溫度偏差。通過濕度的相對飽和度以及具體測量溫度，專家系統(tǒng)將以一定相對飽和度百分數(shù)作絕緣紙濕度的計算結(jié)果。必須注意，該計算只基于單次測量的結(jié)果信息，可能未反映出絕緣紙真正的濕度濃度，特別是在變壓器剛經(jīng)歷劇烈的溫度變化后。如果專家系統(tǒng)確定變壓器處于平衡狀態(tài)(絕緣紙既不釋放也不吸收濕度)，則計算第2個相對飽和度百分數(shù)，該飽和度為變壓器處于平衡狀態(tài)時的最近30次相對飽和度百分數(shù)測量結(jié)果的平均值。前面記錄的溫度和變化決定了是否存在平衡的判斷標準。有4種可用警報，濕度警報顯示時以“P”作首個字符；第2個字符為03的數(shù)字。P0警報表示傳感器故障；P1警報表示未執(zhí)行分析；P1、P2和P3警報均依賴于相對飽和度百分比。警報的條件：1為絕緣油濕度的相對飽和度百分比50，但75；2為絕緣油濕度的相對飽和度百分比75。第7章 變壓器絕緣老化程度的在線監(jiān)測 國內(nèi)外對于油浸式變壓器絕緣老化診斷研究工作已經(jīng)開展多年,對變壓器的老化與壽命而言，實質(zhì)上就是固體絕緣材料的老化與壽命。目前普遍采用的方法有如下幾種：1)高效液相色譜方法對變壓器絕緣油中糠醛含量的分析，測定絕緣油中糠醛的含量，是基于絕緣紙的纖維素受高溫、水分、氧氣的作用而發(fā)生裂解，形成多種小分子化合物，即糠醛、呋喃、丙酮等特征物質(zhì)。這已經(jīng)在DL/T 596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程中明確給出，具體不同運行年限下糠醛含量的參考判斷指標的數(shù)值見下表1。表1 不同運行年限下糠醛含量的參考判斷指標 一般來講，如果油中糠醛含量達到0.5mg/L時，變壓器整體絕緣處于壽命中期；糠醛達到1mg/L2mg/L時，絕緣劣化嚴重;糠醛達到4mg/L時，變壓器壽命終止。但是，值得注意的是，用此方法實驗僅僅測出的是絕緣油中糠醛的質(zhì)量濃度，熱虹吸器或靜油器中的硅膠等吸附劑對油中糠醛的吸附作用使所測油中的糠醛減少了許多，還有就是停運檢修時進行濾油、換油等，使得油中糠醛濃度已無法準確反映出固體絕緣的真實老化程度。 2) 氣相色譜對特征氣體CO和CO2的分析，變壓器老化程度受絕緣紙機械特性的下降所影響，絕緣紙纖維的分解必然導(dǎo)致平均聚合度的下降。在纖維分解時，會產(chǎn)生CO和CO2特征氣體，根據(jù)這兩種氣體的發(fā)生量可以驗證絕緣紙是否發(fā)生了老化分解。但值得注意的是油中CO和CO2含量既同變壓器運行年限有關(guān)，也與設(shè)備結(jié)構(gòu)、運行負荷和油溫等諸多因素有關(guān)。僅僅依靠CO與CO2含量、產(chǎn)氣速率和CO2/CO的比值來判斷變壓器絕緣老化狀況，將帶來很大的不確定性，在老化分析中偏差較大。如將它們作為判據(jù)則存在不靈敏、不確切和不可靠等問題，因此，CO和CO2可以作為與固體絕緣材料有關(guān)的特征氣體，但作為固體絕緣老化的判斷依據(jù)，就不一定確切和可靠，而只能作為參考。 3) 絕緣紙的聚合度測試, 變壓器絕緣紙(板)的聚合度是絕緣老化程度最準確、可靠、有效的判據(jù)之一。一般新的變壓器中油浸紙的聚合度約為1000，但當運行以后受到溫度、水分、氧的作用后，纖維素發(fā)生降解，即D-葡萄糖的個數(shù)減少。此時，絕緣紙的聚合度就大大降低，研究表明當聚合度達到250左右時，紙絕緣的機械強度可下降50%以上，此時如遇到機械震動或其他沖擊力，就可能造成變壓器損壞的嚴重后果。目前制造廠家把絕緣紙的拉伸強度下降到初始值的60%左右(平均聚合度為400-500，平均聚合度殘率40%-50%)作為變壓器的壽命標準，一般認為，如聚合度達到250后，從各方面考慮，這種絕緣已嚴重老化的變壓器應(yīng)盡早退出運行。 但是，絕緣紙的聚合度具有一定的分散性，對一臺變壓器而言，取紙樣部位不同，其聚合度的數(shù)值也不同。一般要求在變壓器上、下部多個點分別取樣，以獲得平均聚合度，或者每次在代表性部位取樣，取樣數(shù)要統(tǒng)一，以具有可比性，同比性。另外對運行中的變壓器，如果要測定紙樣聚合度就必須對變壓器進行停運吊芯，取樣部位絕緣的恢復(fù)處理，工作量大，存在諸多不便。4) 介質(zhì)損耗因數(shù)的分析，變壓器在線檢測介質(zhì)損耗因數(shù)是一種使用較多、對判斷絕緣狀況較為有效的方法。目前國內(nèi)采用的是在工作電壓下測絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)值。介質(zhì)損耗因數(shù)的試驗靈敏度很高，通過測量介質(zhì)損耗因數(shù)值，可以反映出絕緣的一系列缺陷，并可以識別絕緣的狀況。但必須強調(diào)判斷時應(yīng)與變壓器歷年的介質(zhì)損耗因數(shù)值相比較，并與處于相同運行條件下同類型變壓器相比較。在離線狀態(tài)下檢測介質(zhì)損耗因數(shù)與電壓關(guān)系，同樣可以反映絕緣情況，當絕緣老化時，tan=f(u)曲線呈明顯的轉(zhuǎn)折，從tan增加的陡度可看出其老化的程度。總之，隨著電網(wǎng)的不斷擴大，運行時間的不斷延長，目前運行的變壓器有不少已經(jīng)絕緣老化，因此，開展變壓器絕緣老化診斷研究不僅非常重要，而且是非常必要的。上述幾種目前國內(nèi)外采用的變壓器絕緣老化診斷方法，都是能一定程度的反映變壓器絕緣老化情況的，但都有一定的局限性，靠單一方法是不能做出絕緣老化情況的準確判斷的，各個指標需要結(jié)合以及考慮變壓器的歷史運行情況進行綜合分析，才能得出相對可靠的絕緣老化程度的判斷。但從整體上來說，目前國內(nèi)外基于壽命評估的變壓器試驗方法和技術(shù)還很不夠完善，大型電力變壓器的壽命評估是目前國內(nèi)和國際上共同面對的難題。針對這一難題，引入新型的試驗方法、綜合分析多個檢測參量，將是可供選擇的方案。7.1 介電響應(yīng)分析法簡介 目前，對變壓器絕緣老化診斷的介電響應(yīng)分析法主要有如下3種：1) 恢復(fù)電壓法(RVM)2) 極化與去極化電流法(PDC)3) 介電頻域譜法(FDS)其中變壓器極化與去極化電流測量法(PDC)與恢復(fù)電壓法(RVM)是相同的電介質(zhì)響應(yīng)在時域內(nèi)的測量技術(shù)。其測試原理是：絕緣介質(zhì)在電場的作用下將產(chǎn)生兩種基本現(xiàn)象電導(dǎo)和極化，這兩種都和介質(zhì)的老化、劣化及受潮有著十分密切的聯(lián)系，介質(zhì)的電導(dǎo)可以通過絕緣電阻加以反映，但是介質(zhì)的極化現(xiàn)象卻要復(fù)雜得多。介質(zhì)的極化一般有以下幾類：(1)電子式極化；(2)離子式極化；(3)偶極子極化；(4)夾層極化；(5)空間電荷激化。絕緣介質(zhì)的極化過程可認為由一系列的基本極化過程組合而成。當絕緣因老化等原因引起絕緣介質(zhì)內(nèi)帶電粒子的變化和夾層特性的改變時，介質(zhì)的極化特性也隨之發(fā)生變化。雖然極化特性只是介質(zhì)特性中的一種，但通過它可以對絕緣整體狀況作出判斷。圖1給出了一典型的反映極化特性的曲線，橫軸是極化時間，縱軸是d/dt,為極化系數(shù)。圖1 油浸絕緣紙的極化特性曲線 圖1中極化時間t10-1s的屬于夾層極化和空間電荷極化，它們對介質(zhì)的老化受潮的反應(yīng)非常敏感，從圖1中可以清楚地看出這一點。由于絕緣材料的極化特性隨絕緣狀況而變化，這樣可根據(jù)極化特性實現(xiàn)無創(chuàng)傷監(jiān)測絕緣狀況。極化/去極化流法抗干擾性能好，便于現(xiàn)場測試，而恢復(fù)電壓法則對測試條件要求較高。目前，我們正在開展這方面的應(yīng)用研究工作。7.1.1 回復(fù)電壓法(RVM) 在試驗開始前，應(yīng)注意現(xiàn)場測試應(yīng)該在穩(wěn)定的狀態(tài)下進行。所謂“穩(wěn)定狀態(tài)”包括以下幾個方面：被試變壓器處于離線狀態(tài)，沒有強迫油循環(huán);絕緣介質(zhì)溫度應(yīng)在測試過程中保持相對穩(wěn)定;消除變壓器的殘余電荷，如測試前剛進行過直流電阻測試等都有可能產(chǎn)生殘余電荷，為了消除這些電荷可以通過回復(fù)電壓測試儀器進行較長時間的放電；穩(wěn)定測量回路，試驗測量回路采用的屏蔽導(dǎo)線可以提高抗干擾能力，同時也要保證可靠的接地；因變壓器試品的等值電容較大，現(xiàn)場雜散干擾較多時，宜適當提高充電電壓，以減少現(xiàn)場干擾因素的影響。另外在保證安全措施的情況下，RVM5462完全可以實現(xiàn)無人值守的測試。進行現(xiàn)場試驗時必須將被試品退出運行，將各繞組三相分別短路，紅夾接到被試側(cè)繞組的短接點;其它非被試側(cè)繞組(包括未接地的中性點)連同變壓器外殼一點接地，將黑夾接到該接地公共點，如圖2所示。在通常情況下，建議將高壓繞組短路接地，而將低壓繞組作為加壓端；但如果低壓側(cè)測試結(jié)果較差，還必須對高壓側(cè)絕緣進行測試。這是因為高壓繞組的匝數(shù)比低壓繞組多，容易引入各種干擾。但這也有例外的情況，比如低壓側(cè)同發(fā)電機或出線電纜連在一起，很難拆開，或其它情況低壓側(cè)更可能引入干擾，則將低壓側(cè)連同變壓器外殼短路接地，而對高壓側(cè)施加電壓。圖2 RVM現(xiàn)場試驗接線圖7.1.2 極化去極化電流法(PDC)PDC現(xiàn)場試驗的注意事項和試驗步驟和RVM基本相同，但一般情況下PDC測試儀的低壓端(黑夾子)不接地。圖3 PDC現(xiàn)場試驗接線圖7.1.3 介電頻域譜法(FDS)FDS現(xiàn)場試驗準備工作與RVM相同，在測量時略有區(qū)別。根據(jù)待測絕緣是否接地，可分為UST(Ungrounded Specimen Test)和GST(Grounded Specimen Test)兩種接線方式。典型的雙繞組變壓器高壓繞組對低壓繞組絕緣測量接線如圖4所示。圖中CHL為高壓繞組與低壓繞組間的電容，CH為高壓繞組對地電容，CL為低壓繞組對地電容。圖4 FDS現(xiàn)場試驗接線圖(測量CHL)7.1.4 介電響應(yīng)現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析1、回復(fù)電壓法(RVM)一臺SCB10-800/10，800kVA變壓器，RVM極化譜如圖5所示。運行8年后測得的曲線1在200s有一峰值，次年測得的曲線2，除在200s有一峰值外，還在0.5s多出一個峰值，據(jù)此斷定繞組可能局部受潮。后查明，在測量曲線2的前三天，由于油泵檢修放油曾使繞組上部暴露于大氣24h，從而使繞組局部受潮。圖5 油泵檢修造成變壓器繞組局部受潮的RVM極化譜通過對十四臺變壓器的極化譜進行測試，并結(jié)合其含水量，得到了主時間常數(shù)和含水量之間的關(guān)系曲線，如圖6所示?？梢钥闯觯S著含水量的增加其對應(yīng)的主時間常數(shù)不斷減小，一般認為當含水量高于2.5%時，該變壓器的固體絕緣狀況表現(xiàn)較差，應(yīng)進行其他相關(guān)試驗進行驗證或進行處理。應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法對曲線進行擬合。可以近似得到： (4-1)式中：cd極化譜主時間常數(shù)(s); M含水量(%)。圖6 RVM主時間常數(shù)和含水量的對應(yīng)曲線變壓器內(nèi)殘余電荷的存在對RVM測量的影響變壓器內(nèi)(鐵芯和油)殘余靜電荷的存在，會嚴重影響RVM極化譜的測量結(jié)果。因此，在變壓器進行RVM測量前必須通過短路接地充分地釋放電荷。一臺110/33kV，50000kVA單相變壓器低壓繞組進行RVM測量時，測量前使繞組接地釋放電荷充分和不充分對測量結(jié)果的影響，如圖7所示?？梢钥闯?，曲線2和曲線3有良好的重現(xiàn)性，而曲線1則由于受殘余靜電荷的干擾使得重現(xiàn)性很差。還應(yīng)指出，對于電容式電壓互感器來說，即使有足夠長的預(yù)先接地時間，測量結(jié)果的重現(xiàn)性也很差?？諝庀鄬穸葘敉庾儔浩鱎VM測量的影響當空氣相對濕度大于75%時，對戶外變壓器的RVM測量有不利影響。圖8為一臺33/11kV，5000kVA三相變壓器高壓繞組測量RVM曲線，可以看出其回復(fù)電壓值在tc=5000s和tc=10000s之間發(fā)生異常跌落。分析原因是由于受清晨結(jié)露的影響，儀器接線的高壓套管表面發(fā)生水分凝結(jié)，引起局部導(dǎo)電通路，使RVM曲線發(fā)生陡降。圖7 變壓器RVM測量前繞組接地釋放電荷充分和不充分對測量結(jié)果的影響圖8 空氣相對濕度對戶外變壓器RVM測量的影響 RVM測量結(jié)果與絕緣紙聚合度(DP)的關(guān)系分析聚合度測量是評定變壓器繞組紙絕緣老化程度的直接和最有效的方法之一。隨著變壓器運行年限