高压电力设备在线监测技术-第8章-电力变压器在线监测与诊断

第八章电力变压器在线监测与故障诊断On-linemonitoringandfaultdiagnosisforpowertransformer1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系统发电厂升压变压器高压输电网降压变压器用户配电网一次绕组铁心磁通二次绕组电力变压器的工作原理N1N2U1U22121NNUU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%*IECGuideforReportingFailureDataforPowerTransformers,1996电力变压器“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)*IECGuideforReportingFailureDataforPowerTransformers,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§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)nDP值降低C,CO,CO2H2OFurfuralsolidparticles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：纤维素的降解CH2OHOOHOHOHCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOHAcidsCH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOHOH(water)纤维素(C6H10O5)nOCHOHHHHOHHOHCO80°C-300°C+++CH2OHOHOHOOHHHHHOHOH+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tanδ；•测量非纯瓷套管的tanδ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单指数衰减形式：/1()tytAe双指数衰减形式：1.3/2.2/2()()ttytAee单指数衰减振荡形式：/1()sin(2)tcytAeft双指数衰减振荡形式：1.3/2.2/2()()sin(2)ttcytAeeft式中：为衰减系数，cf为振荡频率，A为脉冲幅值。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）局放如何标定？6）局放如何定位？7）局放危险性如何评估。33PD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34PD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42UHF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pC之间没有相关性（研究中）?ZL=50?f50?UHF-MeasuringUnitTankwallPDSensorUHF局放测量(300～3000MHz)U/mVt/ns500kV主变的实测效果例在400~800MHz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。49UHF与IEC60270的相关性5010015020025030001020304050QIEC/pCAmplitude/mV1o1u2o2u※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AmplitudeU/mV1o2o3o4o5o6o7o8o9o10o1u2u3u4u5u7u8u9u10u6uDN80§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HeatRunTestResultsforODFS-133000KVA/500KVTransformer0102030405060708090100123456789Time(hrs)Temperature(DegC)HVHVMVMVLeadHVLeadMVLeadRWTopOil①与传统方法的不同②在线监测③油温与绕组温度不一致④冷却系统瞬时控制⑤现场维修人员有效工具⑥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HotspotTopOilLoad绕组分布式温度和应力测量技术581.绝缘强度降低击穿电压降低局放起始电压降低2.水解作用加速固体材料老化机械强度降低3.较湿的纸板析出气泡绝缘系统中水分含量非常重要！Breakdownvoltage/kV020406080100020406080100Moisturesaturation/%HOSOFR3Midel7131MideleNNN3000XHOSOFR3Midel7131MideleNNN3000X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(100000ppm)•水在变压器油中的溶解度很低；在饱和状态，油中水分小于50ppm•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Oil90%Thick5%Thin2%Winding3%InsulationWeightDistributionThick55%Thin22%Winding22%Oil1%WaterDistribution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–KarlFisher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–RVM,PDCKarlFisher滴定法SamplingUncertaintyofKFTLiteraturesourcesAbsorptioncapacityAging5,816,215,28,912,219,87,50510152025USBCDEFGMoistureinoil(ppm)滴定法的不确定性•Roundrobintestsatoil/papersamples•Widelyscatteredresults•Watercontent(Oommencurves):2,6-5,2%truevalue1,9%CIGRÈTaskForce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0,0010,010,11100,00010,0010,010,11101001000频率(Hz)tan高低高高低低纸板中的水分绝缘几何尺寸油电导率0,1101001000110100100010000时间(s)I((nA)1低highlow油电导率高IdepIpol绝缘几何尺寸72测量时间的选择典型情况:※干燥变压器或者低温环境0.1mHz,2:50小时※中等受潮变压器及环温适中1mHz,22分钟※受潮变压器或高温环境0.1Hz,5minFreq/Hz0.0010.010.11.010Dissipationfactor0.0050.010.020.050.10.20.512New10000.0020.00015Freq/Hz0.0010.010.11.010Dissipationfactor0.0050.010.020.050.10.2