1、华北电力大学（北京）成人教育学院毕 业 设 计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 h电升1292 学生姓名 陆文奇 指导教师 李赫 2014 年 8 月 20 日内部资料华北电力大学（北京）成教学院 2011 届毕业设计（论文）任务书姓名陆文奇专业电气工程及其自动化班级H电升1292毕业设计（论文）题目 变压器故障分析和在线监测技术研究毕业设计（论文）工作起止时间7.20地点本地毕业设计（论文）的内容：一、设计任务1. 绪论（包括论文的目的、意义、研究现状及本论文的主要工作）2. 变压器常见故障的分析（包括产生原因、现象、监测及排除方法等）；3. 变压器故障监测方法研究4. 结合工作的实例分
2、析5. 结论毕业设计（论文）的要求：1 论文内容要求：学生应具有综合运用知识能力、文献资料的检索与阅读能力、设计（实验）能力；2 撰写水平：要求概念清楚、内容正确、条理分明、语言流畅、结构严谨。3 论文正文字数：12000左右；书写要求：正文一律用A4纸打印，论文标题用黑体3号字，正文用宋体小4号字。每页38行，每行40个字；4 毕业设计（论文）的装订顺序：封面；任务书；目录；正文；设计图纸说明；参考文献，封底，设计图纸另附。 教研室主任签名： _ 指导教师签名： _ 学 生 签 名： _内部资料目录目录1摘 要2绪 论3第一章 变压器常见故障的分析4 1变压器常见故障的原因4 1.1制造工艺
3、存在缺陷4 1.2缺乏良好的管理及维护4 1.3 绝缘老化4 1.4 恶劣的运行条件4第二章 变压器常见故障的分析5 2变压器故障分析及其防范处理方法5 2.1绕组故障分析5 2.2铁心故障分析6 2.3分接开关故障分析7 2.4套管故障分析7 2.5绝缘故障分析8 2.6密封不良8 2.7引线故障分析8 2.8放电故障8 2.9绝缘故障9第三章 变压器故障监测10 3.1变压器故障监测的现状103.2变压器油中溶解气体分析103.3变压器局部放电在线监测技术133.4超声检测法13 3.5变压器振动频谱在线监测13 3.6超高频检测法13 3.7绕组变形在线监测14 3.8铁心接地在线检测1
4、4第四章 工作中的实例分析16 4.1“变压器冷却器电源故障”信号出现的处理16 4.2瓦斯保护信号动作16 4.3主变色谱分析时发现异常的学习17第五章 结论20参考文献21致 谢22摘 要电力变压器是一种改变交流电压大小静止的电力设备，是电力系统中核心设备之一，在电能的传输和配送过程中，电力变压器是能量转换、传输的核心，是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路。如果变压器发生故障，将影响电力系统的安全稳定运行电力系统中很重要的设备，一旦发生事故，将造成很大的经济损失。分析各种电力变压器事故，找出原因，总结出处理事故的办法，把事故损失控制在最小范围内，尽量减少对系统的损害。本文简要介绍
5、了电力变压器比较普遍和常见的包括放电故障、绝缘故障、铁心故障、分接开关故障、渗漏油故障、保护误动故障等七个方面问题，分析了这些故障发生的原因及进行了结合实际的分析判断以及处理的方法进行了归纳总结，并着重变压器故障监测的现状及油中溶解气体分析、局部放电在线监测技术、超声检测法、超高频检测法、铁心接地在线检测等几种监测方法进行介绍。同时分享、介绍我在工作中遇到的一些变压器故障进行分析判断及处理的实际案例。关键词：变压器、故障诊断、故障监测、故障处理 绪 论变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电力设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。随着电网电压等级的提高和输变容量的提高，在电能
6、的输配过程中，电力变压器是电能转换、电能传输的核心，承载各行各业和千家万户能量来源，变压器的严重事故不仅会导致本体的损坏，还会截断电力供应，将对电网的安全稳定运行产生严重的影响,给社会造成极大经济损失。文中就将电力变压器的常见缺陷和故障,包括产生原因、现象、监测及排除方法等进行分析。并研究变压器故障监测方法，此外还结合工作的实例进行分析。 第一章 变压器常见故障的分析1 变压器常见故障的原因1.1 制造工艺存在缺陷如设计不合理、材料质量低劣以及加工不精细等。1.2 缺乏良好的管理及维护如检修后干燥处理不充分，安装不细心，以及由于检测能力有限导致某些故障未能及时发现而继续发展或故障设备修复不彻底
7、等。1.3 绝缘老化变压器在正常运行中，由于长期受到热、电、机械应力以及环境因素的影响，会发生一些不可逆的变化过程，使绝缘老化，通常这一过程非常缓慢，但当设备发生某些异常情况时，则会加速绝缘老化过程，迅速形成故障。1.4 恶劣的运行条件恶劣的环境和苛刻的运行条件，以及长期超过技术规定允许的范围运行，往往是直接导致故障的起因。 第二章 变压器常见故障的分析2.变压器故障分析及其防范处理方法变压器故障按部位通常可分为绕组、铁心、绝缘、引线、分接开关、套管、密封等七类故障。而电力变压器多为油浸电力变压器,此类变压器故障常被分内部故障与外部故障两类。内部故障为变压器油箱内发生,各相绕组之间发生的相间短
8、路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障、绕组的线匝之间发生的匝间短路等。外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生的接地短路，引出线之间发生相间故障等而引起变压器内部故障或绕组变形等。比较普遍和常见的变压器故障类型有变压器短路故障、放电故障、绝缘故障、铁心故障、分接开关故障、渗漏油故障、保护误动故障等七个方面。2.1 绕组故障分析变压器绕组是变压器的心脏，构成变压器输入，输出电能的电气回路，其故障模式可分为：绕组短路、绕组断路、绕组松动、变形、位移、绕组烧损。其中绕组短路又可分为：层间短路、匝间短路、股间短路等。变压器绕组故障除外在因素外
9、，大部分是由于绕组本身结构及绝缘不合理所引起，以绕组短路出现率最高，它不仅影响到绕组本身，而且对铁心、引线、绝缘层等都有极大的影响。这种故障属致命性的，此时变压器内部可能出现局部高温或局部高能量放电现象，如不及时处理会导致变压器绕组完全损坏，严重时其油温声速升高，体积膨胀，甚至导致变压器爆炸，升级为灾害性故障.对于变压器绕组松动、变形、失稳，绝缘损伤现象，变压器在这种情况下虽能运行，但实质上内部已受损，抗短路能力差，若外部短路或受到雷击的影响进一步使绕组松散，内部场强分布不均，极易导致局部放电进而损伤导线。另外松散导线也易在电磁力作用下产生振动，互相磨擦而划破绝缘。绕组烧损是指绕组绝缘部分碳化
10、，最终形成绕组短路，发展为致命性故障，因而这类故障属于监界性故障。对此一般处理方法为： 1 、修得变形部位，必要时应更换绕组； 2 、拧紧压圈螺订，紧固松脱的衬垫、撑条； 3 、修复改善结构，提高机械强度，修补绝缘，并作浸漆干燥处理。绕组断路，当高压侧有一相断路时，变压器将非在全相状态下运行，变压器低压侧三相电压、电流呈现不平衡，三相直流电阻也不平衡；两相断路则变压器不能运行；当低压侧两相断路时，变压器为单相负载运行，断路的两相无电压输出，因而变压器断路属于致命性故障，为此须更换或修复绕组。2.2 铁心故障分析变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量的主要部件，要使变压器可靠运行，除绕组质量合格外
11、，铁心质量好坏是决定正常运行的关键。铁心的故障模式可分为：铁心多点接地、铁心接地不良、铁心片间短路。其中铁心多点接地可分为：铁心动态性多点接地和牢靠性多点接地.变压器铁心故障以铁心多点接地出现较多，伴随有铁心局部过热运行时间过长将会使油纸绝缘老化、绝缘垫块碳化、铁心片绝缘层老化，甚至使铁心接地引线绕断，这类故障属临界性故障。铁心片间短路将会在强磁场中形成涡流使铁心局部过热，铁心接地不良也会使铁心局部过热，同时出现介损超标现象。局部过热现象易烧坏铁心片间绝缘，扩大铁心故障，因而它们也属临界性故障。而铁心动态性接地情况将有所不同，它主要是由杂质在电场力作用下形成导电小桥（由一些杂质纤维与金属粉末组
12、成），有时在大电流的冲击下而摧毁，出现情况不稳定，一般不影响变压器运行，但不定期的局部过热会使内部绝缘受伤，属轻度性故障。变压器铁心应定期测试其绝缘强度，用 1000 伏兆欧表测得绝缘值不应低于 2 兆欧，发现绝缘强度低于标准时，要及时更换螺栓套管和绝缘垫，或对绝缘损坏的硅钢片进行重刷绝缘处理。2.3 分接开关故障分析 有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且经常操作切换，它的故障直接影响到变压器的正常运行，分接开关由于受高温和绝缘油影响，极易使触头表面氧化，产生氧化膜，使触头间接触电阻增大，由于接触不良引起局门路高温，破坏接触表面。其故障模式主要有简体爆炸、触头烧损、档序错乱、齿轮损坏。简体爆
13、炸甚至会导致变压器着火，属致命性故障。开关档序错乱、齿轮损坏、触头烧损在故障状态下运行将会扩大故障，它属临界性故障。对此的一般处理方法是： 1:更换或修整触头弹簧； 2:拧紧松动的螺栓； 3:对分接开关位置错位要进行纠正； 4:若属于有载调压装置安装或调整不当则要对调压装置按要求进行调整。 引线接触不良有以下原因： 1:螺栓松动； 2:焊接不牢； 3:分接开关接点损坏。针上述原因，应采取如下措施： 1:在变压器停运检修时，应对接触不良的螺栓都重新紧固； 2:检修时在焊接前必须将焊接面清洗干净，焊接后认真检查焊点质量，以防运行时焊点脱落引起事故； 3:应将开关转换到位，逐个紧固螺栓，确信一切正确
14、无误后，才允许投入运行。2.4 套管故障分析套管是变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置。它长期遭受电场、风雨、污染等影响，易使瓷釉龟裂，绝缘老化，是变压器故障多发部位。其故障式主要有：套管炸裂、套管位移、开焊、局部放电。套管爆炸将致使变压器停运甚至烧毁，故属于致命性故障；套管位移、开焊将会有水顺着套管进入变压器本体内，极易导致变压器绕组短路或相间短路，局部放电或易局部过热，易使套管内部绝缘击穿，属临界性故障。一般处理方法是： 1:清除瓷套管外表面的积灰和脏污； 2:若套管密封不严或绝缘受潮劣化则应更换套管。2.5 绝缘故障分析 变压器内部绝缘是变压器质量优劣的关键，大部分故障都是因绝缘性
15、能不佳引起，因而绝缘的好坏是变压器能否长期、安全可靠运行的基本保证。绝缘故障模式可分为：绝缘损伤、介损超标。绝缘损伤与介损超标在短期内变压器仍能正常运行，但这些故障会使变压器内部产生局部放电或局部轻度过热现象，进一步损伤绝缘将导致变压器内绕组局部短路、绝缘件碳化等故障，属轻度性故障。一般处理方法有： 1: 对绝缘受潮要进行干燥处理； 2: 若变压器油劣化则要更换或处理变压器油； 3: 检查油道是否堵塞，并清除油道中的杂物； 4: 若油面过低则应检查有否渗漏及增加油量至油面线。2.6 密封不良变压器密封不良主要是接头处处理不好，如焊接质量不良、螺栓乱扣以及法兰不平等原因造成。其后果是漏油、漏气，
16、影响范围大。故障模式有密封圈老化、瓷套脱落或破裂、箱体焊点裂纹、潜油泵处漏气等。这类故障通常不易被发现，检查中要特别注意。发现问题应及时处理： 1: 对密封圈老化要更换密封圈； 2: 属瓷套破裂要更换瓷套； 3: 箱体焊点有裂纹须补焊； 4: 所有紧固螺栓必须拧紧。2.7 引线故障分析引线是变压器内部绕组出线与外部接线的中间环节，其接头通过焊接而成，因而焊接质量好坏直接影响到引线故障的发生。其主要故障模式有：引线短路、引线断路、引线接触不良。引线相间短路和不及时处理会导致绕组相间短路，属致命性故障，事故扩大会发2.8 放电故障 根据放电的能量密度的大小，变压器的放电故障常分为局部放电、火花放电
17、和高能量放电三种类型。放电故障的类型有以下几点： 变压器局部放电故障，即在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体边缘发生非贯穿性的放电现象。局部放电刚开始时是一种低能量的放电，变压器内部出现这种放电时，情况比较复杂，根据绝缘介质的不同，可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电；根据绝缘部位来分，有固体绝缘中空穴、电极尖端、油角间隙、油与绝缘纸板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等处的局部放电。 变压器火花放电故障，含悬浮电位引起火花放电和油中杂质引起火花放电。一般来说，火花放电不致很快引起绝缘击穿，主要反映在油色普分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易被发现和处理，但对其发展程度应引
18、起足够的认识和注意。变压器电弧放电故障。电弧放电是高能量放电，常以绕组匝层间绝缘击穿多见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞狐等故障。2.9 绝缘故障目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种，电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件，变压器的使用寿命是由绝缘材料的寿命决定的。实践证明，大多数变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。因此，保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命，而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。影响变压器绝缘故障的主要因素有一
19、下几点 1: 温度的影响。电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量不同。一般情况下，温度升高，纸内水分要向泊中析出；反之，纸则要吸收油中水分。 2: 湿度的影响。水分的存在将加速纸纤维素降解。当湿度一定时，含水量越高，水分解出的二氧化碳就越多。反之，含水量越低，分解出的一氧化碳就越多。 3: 油保护方式的影响。变压器油中氧的作用会加速绝缘分解反应，而含氧量与油保护方式有关。 4: 过电压的影响。其中包括，暂态过电压的影响、雷电过电压的影响、操作过电压的影响和短路电动力的影响等几种 掌握电力变压器的绝缘性能及合理的运行维护，直接影响到变压器的安全运行、使用寿命和供电可靠性，电力变压器是
20、电力系统中重要而关键的主设备，作为变压器的运行维护人员和管理者必须了解和掌握电力变压器的绝缘结构、材料性能、工艺质量、维护方法及科学的诊断技术，并进行优化合理的运行管理，才能保证电力变压器的使用效率、寿命和供电可靠性。第三章 变压器故障监测 3.1 变压器故障监测的现状 长期以来，电力系统内对变压器正常运行维护主要是采用事后维修和预防维修两种方式。但是，预防性维修需要停电检修，影响了供电的可靠性；定期检修中更换的设备一部分是没有必要更换的，降低了经济性。因此，常规的检测方法与现代化状态维护发展趋势不相适应，为了保证电力系统供电可靠性和经济性，电力设备的在线监测和故障诊断就应运而生. 电力变压器
21、的在线监测方法主要分为两种形式：集中式监测和分布式监测。集中式监测可对所有被测设备定时或者巡回自动监测；分布式监测是利用专门的测试仪器测取信号就地测量. 变压器在线监测技术主要是根据变压器的各种机械和电气特性，采用油中溶解气体分析、局部放电、铁心接地电流在线分析、绕组变形在线分析和振动分析等方法监测其运行状态。本文拟对变压器在线监测方法逐一介绍。3.2 变压器油中溶解气体分析对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障, 如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组
22、分也不尽相同（见表1）, 从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法, 能准确地反映变压器的主要状况, 使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态, 以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。表1 不同故障类型产生的油中溶解气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4, C2H4H2, C2H6油和纸过热CH4, C2H4, CO,CO2H2, C2H6油纸绝缘中局部放电H2, CH4, C2H2, COC2H4, CO2油中火花放电C2H2, H2油中电弧H2, C2
23、H2CH4, C2H4, C2H6油和纸中电弧H2, C2H2, CO, CO2CH4, C2H4, C2H6进水受潮或油中气泡H2 油气分离技术目前, 国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术, 无论是离线还是在线检测, 必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出, 再进行测量, 从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法) 和真空法(变径活塞泵全脱法) 。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题, 难以实现在线化。在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液
24、透析装置等方法。 1: 薄膜/毛细管透气法某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质, 适宜于在连续监测的情况下, 从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处,安装了高分子膜, 膜的一侧是变压器油, 另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时, 已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下, 经过一定时间后( 通常需要经过几十小时) 可达到动态平衡。达到平衡时, 气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场
25、测量。另外, 油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞, 因而需要经常更换薄膜。目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜, 常规聚四氟乙烯膜渗透6 种气体（H2 、CO、CH4 、C2H2 、C2H4 、C2H6）需要100 h。日立公司采用PFA 膜, 又称四氟乙烯- 全氟烷基乙烯基醚共聚物, PFA 膜对6 种气体渗透性能较好, 渗透6 种气体组分所需时间为80 h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18 mm , 最优孔径为810m , 透气性能优于PFA 膜, 渗透6 种气体组分所需时间为24 h。加拿大Morgan Schaffer 公司使用
26、聚四氟乙烯尼龙管束, 渗透6 种气体组分所需时间为4 h1。Hydren 公司采用聚四氟乙烯及氟化乙丙稀。 2: 真空脱气法真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空, 将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。真空泵脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。河南中分仪器推出的色谱在线监测仪采用吹扫-捕集的方式脱出气体, 脱气率大于97 %1。 3: 动态顶空脱气法该方法在脱气的过程中, 采样瓶内的搅拌子不停地旋转, 搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程
27、中, 间隔测量气样的浓度, 当前后测量的值一致时, 认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间, 重复性较好, 有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。混合气体检测技术依据监测气体组分分类, 变压器油中溶解气体在线监测装置目前可分为4 类: 单组分气体(H2) 、总可燃气体( TCG) 、多组分气体及全组分气体。目前单组分气体检测主要采用气敏传感器，利用靶栅场效应管对氢气具有良好的选择敏感特性, 用于制作单氢检测器；某些燃料电池型传感器对H2 、CO、C2H2 和C2H4 的选择敏感性是100 %、18 %、8 %和1.5 % , 可用于变压器的早期故障监测和判断。 总可
28、燃气体检测采用催化燃烧型传感器, 该传感器对可燃气体选择具有敏感性, 但溶解气体中包含CO，影响了对烃类气体含量的监视。烃类气体在线监测则是将单离子火焰检测器的气相色谱仪应用到在线监测中, 需要很多的辅助设备，可靠性较差, 维护量较大,难以推广。全组分在线监测技术由于其提供的信息量较充分, 与实验室DGA（油中溶解气体含量） 完全相同, 对全面分析变压器的绝缘状况较有利, 目前全组分气体分析检测技术主要有热导检测器、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。 3.3 变压器局部放电在线监测技术 在线监测变压器局部放电就是对运行中的电力变压器进行局部放电监测，在线分析处理相关数据，以期对变压
29、器进行绝缘诊断，必要时提供报警。局部放电在线监测技术，系根据超声波原理将高频声波传感器放在油箱外部，测取局部放电或电弧放电所产生的的暂态声波信号。 局部放电在线监测采用高性能传感器，例如，坡莫合金或铁氧体磁芯的电流电压转换型传感器，因为这种传感器可将传感信号与变压器一次侧有效隔离。根据国内外运行经验，变压器若出现几千pC的局部放电量，仍然可以继续运行。但如果局部放电量达到10000 pC以上时，则表明变压器绝缘的缺陷已经十分严重2。从变压器内部出现局部放电到绝缘击穿，有一个演变过程。对局部放电监测的阈值报警和视在放电量的历史数据的发展趋势的分析，可以判断变压器内部的绝缘状况。阈值报警就是当高频信号的幅值和每周期脉冲个数达到设定的阈值，以及脉冲波形达到脉冲宽度和频度时，由局部放电监测装置自动发出的阈值报警信号。根据变压器局放过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等现象, 相应出现了超声波检测法、光测法、电脉冲检测法、射频检测法和UHF超高频检测法。3.4 超声检测法
