浅谈变压器试验与在线监测

浅谈变压器试验与故障监测—在线监测作者：刘佳、李旭单位：计量检定中心试验班1摘要随着油田的开发，供电事业迅速发展，装机容量和电网规模的日益增大，我们对电力系统中设备运行的可靠性、安全性的要求不断提高，而电力变压器则是电力设备的运行和维护中最重要、最昂贵的设备之一。目前，按照变压器绝缘检查的要求，我们一般做其预防性试验，本文将谈到试验的一些不足之处和改进措施。然而单靠电气试验的方法往往很难发现变压器运行中的某些局部故障和发热缺陷，所以本文提出了变压器油的在线监测的方法，溶气在线监测和色谱在线监测能够反应充油设备的故障发展趋势及发现潜伏性故障，对于保证设备安全、可靠、优质运行有十分重要的意义。2关键词：预防性试验，在线监测，变压器油，溶气和色谱在线监测1.变压器预防性试验我们供电公司始终坚持“安全第一，预防为主”的原则，把安全时刻都放在第一位，所以每年线路及高压设备的检修都是停电检修，所以高压变压器试验都是停电以后，安全措施完善的情况下进行的，对于变压器的预防性试验（本文都是指油浸式电力变压器），我们试验班的试验项目有绝缘电阻测试、直流电阻测试、变压器交流耐压试验及绝缘油的耐压试验。1.1绝缘电阻试验电气设备绝缘试验是一种最简单、最常用的试验方法。当电力变压器绝缘受潮、表面变脏、留有表面放电或击穿痕迹时，其绝缘电阻会显著下降。经验证明：在大短路电流作用下，初始机械损伤的基本形式是变压器绕组变形，它们发展的典型方式是变形引起局部放电，匝、股间短路，整段主绝缘放电或完全击穿导致主绝缘破坏。因此，测量变压器的绝缘电阻是变压器出口近区短路后一项必要的检测项目。测量绕组连同套管一起的的绝缘电阻、吸收比、和极化指数，对检查变压器整体的绝缘状况具有较高的灵敏度。3不足之处：由于绝缘电阻所施加的电压较低，因而对于一些集中性缺陷，即便可能是很严重的缺陷，在测量时还会出现显示绝缘电阻仍然很大的现象。因此，绝缘电阻试验只适用于检测贯穿性缺陷和普遍性缺陷。绝缘试验改进措施：我们平时试验时只做绝缘电阻试验，然而绕组泄漏电流测试和介质损耗因数正切值的测量更加灵敏，更加准确，所以绝缘电阻及吸收比或极化指数、绕组泄漏电流测试和介质损耗因数正切值试验才是真正的绝缘试验。1.2绕组的直流电阻的测量它是一项很重要的试验项目，次序排在变压器试验项目第二位。它能反映绕组匝间短路、绕组断股、分接开关以及导线接头接触不良等故障，实际上也是判断各相绕组电压比是否平衡、调压开关档位是否正确的有效手段之一。该试验判别标准“三相绕组直流电阻不平衡系数不大于1%或2%”（适用于不同连接组别和不同容量的变压器）。不足之处：变压器绕组是由分布电感、电阻及电容组成的复杂电路。然而随着变压器容量的增大，如果仍然像测量小容量变压器那样，用几十伏电压的小容量电池作为测量电源，测电流达到稳定的时间长达数十分钟乃至几小时，这个现象在春检的时候大家应该都有所了解，这不仅太费时间，又不能保证测量的准确度。测直流电阻的关键问题是将自感效应降底到最小程度。为解决这个问题，我们可以用助磁法和消磁法：1）助磁法：（1）用大容量的蓄电池或稳流源通大电流测量4（2）把高低压绕组串联起来通电流测量，采用同相位和同极性的高压绕组助磁。由于高压绕组的匝数远比低压多，借助于高压绕组的安匝数，用较小的电流就可使铁芯饱和。（3）采用恒压恒流源法的直阻测试仪，使用时可把高、低压绕组串联起来，应用双通道对高低压绕组同时测量，较好地解决了大容量变压器直流电阻测试的困难，测量图如1-1所示。ABC+U接仪器测量端-U+I-I+Uabc接仪器测量端-U1-1变压器绕组直流电阻测量接线图1.3变压器交流耐压试验可以发现变压器主绝缘受潮和集中性缺陷，如绕组主绝缘开裂，绕组松动位移，引线绝缘距离不够，绝缘上附着污秽物等缺陷，属于破坏性试验。所以说它是鉴定电气设备绝缘强度最有效、最直接的试验方法。1.4变压器油的耐压试验可以检测油的耐电强度，如果被击穿很可能是油中气泡过多，当气隙发展到一定程度时，就很可能形成气隙通道，由于起泡的耐电强5度比油底，首先气隙通道被击穿，最后导致变压器油击穿。如果起泡少量，则会伴随轻微、断续的放电声，在重复试验中（一般做五次击穿）可能会消失，因为起泡放电后，容易从油面上部逸走。1.5从2009年和2010年的春检及日常试验中，我们发现还存在以下问题需要注意：1.5.1温度的影响:对于停运的变压器，需将变压器自电网断开后静置30min，使油温与绕组温度趋于相同时，方可进行绝缘试验。对于新投入或大修后的变压器，应充满合格油静置一段时间，待气泡消除后，再进行试验。通常，对于8000kva以上的较大型电力变压器需静置20h以上，对于3～10kva的小容量变压器需静置5h以上，我们一般设定一基准值，在温度不同时的测量值，相差甚大，应通过公式R2=R1*1.5(T1-T2)/10进行换算，换算到同一温度下的绝缘电阻值，这样会使我们的判断更加准确。1.5.2绝缘油试验：在耐压试验中提到，若被击穿只能说明有可能是有气泡引起的。实际上当变压器内部出现故障时，无论是过热故障还是放电故障，都会使油的分子结构遭受破坏，除氢气之外，还会伴随一定量的可燃气体。如甲烷、乙烷、乙炔、CO和CO2等。可燃气体的主要来源是绝缘油和固体绝缘等，所以有必要进行油色谱分析，来进行分析和判断其是否错在潜伏性故障。1.5.3变压器的绝缘检查的要求是每1～3年要做一次变压器的预防性试验。在其运行阶段，除了油温我们可以检测到，而内部过热和局放现象产生的气体我们无法检测到，所以我们更无法进一步去分析判6定变压器内部存在何种潜伏性故障及其发展程度。油的简化试验是在试验室中进行的一项复杂、耗时的检测，而且会产生由人工取样、分析，不仅费时，还会造成误差，09年的五号岛2-3主变绝缘油试验，就是个例子。油色谱在线监测技术的开发应用弥补了室内色谱检测技术的缺点。传统试验检测，仅仅能够提供变压器故障和事故后的滞后信息，即在事故过后才能获得状态信息。与现代化状态维护发展趋势不相适应，虽然检测方法种类很多，却不能满足对变压器进行实时状态监测的需要。随着变压器现代维护技术的发展，产生了状态监测。它打破了以往收集变压器信息的局限性。电力系统通过采用对变压器的在线监测，可以即时连续记录各种影响变压器寿命的相关数据。目前我国750kV及以上电压等级的变压器已全部安装在线监测设备。随着状态检修即将全面推广实施,预计未来我国电力系统110kV及以上电压等级的变压器将逐步使用在线监测技术。变压器预防性试验及在线监测都属于变压器主动维护，是计划性检修和预知性维护的前提。如下图1-2所示：72.变压器在线监测技术（这里只探讨绝缘油的溶气在线检测和色谱在线监测)为了提高电力变压器安全运行的可靠性，降低维修费用，提高经济效益。常用的在线监测方法包括对油中溶解气体的监测、微水含量的监测以及色谱监测。主动维护有计划的修复有计划的更换计划性状态检修预防性维护计划检修预知性维护基于状态的维护状态检修被动维护故障发现重新设计故障后检修8在线监测的原理：变压器在线监测的内容和目标不同，但在线监测的基本原理是相同的。它通过安装在变压器上的各种高性能传感器，连续的获取变压器的动态信息。在线监测的基本程序：数据收集、存贮---状态分析---故障分类---根据智能专家系统的经验判定故障位置---提高出维护方案。2.1油中溶气在线监测（DGA）多年来，油中溶解气体分析（DGA）作为故障诊断的常用工具，用于判断油纸绝缘电气设备的运行状况。CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO和CO2等气体在油中的含量可作为油纸绝缘电气设备内部故障诊断的指标。油中溶气在线监测的特点是可连续观察气体产生的动态发展趋势。它通过及时发现超出极限范围的特征气体，来发现并捕捉故障信息，消除并避免灾难性隐患，是状态维护的有利手段。当变压器内部出现故障时，无论是过热故障还是放电故障，都会使油的分子结构遭受破坏，从而裂解出大量的氢气。因此油中的氢气可作为预测变压器早期故障的指示气体。除氢气之外，还会伴随一定量其他的可燃气体，可燃气体的主要来源是绝缘油和固体绝缘。例如，变压器油在500℃以上会释放出H2和CH4。而在老化作用下，绕组热点、绝缘导线、绝缘纤维部件等都会产生CO和CO2。在电弧烧伤变压器部件和材料厂的情况下，会产出很高的H2。局部放电也会产生H2和C2H2特征气体。如果发现某台变压器油中溶气含量出现了非正常变化，肯定预示着变压器内部存在着由故障所形成的特征气体产气源。每种故障发生时其特征气体并不相同。在判定电磁故障时，往往9借助氢气、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、一氧化碳和二氧化碳的浓度和两种气体的浓度比值。监测步骤：2.1.1首先是油气分离：如何将油气完全分离是该研究课题的技术难点。目前国内外无直接从油中测量某种气体组分含量的传感器，因此必须使气从油中分离开来再进行检测。油气分离是油中溶气在线监测的关键步骤。它可直接影响油中溶气检测的效果，油中溶气分离借助有机合成的高分子膜来透析各种故障气体。因此，检测器的高分子膜必须具备高性能。首先必须耐水、耐油、耐高温，其次还要具有承受机械力破坏的能力。高分子膜还必须对可燃气体透气灵敏度高。分离膜：变压器油中溶解气体可由高分子膜自动分离,不同分子膜对不同气体的渗透性能差异很大。目前油中溶气在线监测装置采用的透气膜中，性能较好的是聚四氟乙烯薄膜，这种膜不仅具有很好的机械性能，还能耐受油和高温，日本研制的聚四氟亚乙全氟烷基乙烯基醚膜性能也很优良，可透过H2、CO、CO2、C2H2、C2H4和C2H6等6种特征气体。气体渗透时间的确定:按不同的时间周期对脱出的气体取样分析，得到气室中的气体与油中气体达成平衡的最佳时间，用以确定油中气体在线检测周期，经试验，各种气体渗透时间周期确定为24h(见表1-3)。表1-3各种气体渗透时间——浓度对应气体时间/h102.1.2气体检测油中溶气在线监测可以监测单一气体，用载体催化敏感元件检测氢气，也可监测7种可燃气体的总量。无论哪种监测方式，在线监测的取气均利用各种传感器和检测器来实现。油中溶气检测所用传感器和检测器主要有：1）钯栅检测器；2）半导体传感器；3）催化燃烧型传感器；4）燃料电池型传感器；5）红外光谱传感器；6）光离子检测器。当油中溶气进入控头内，由高稳定性和高精度的热导元件对气体进行检测。利用置放在油中的湿度传感器可直接监测油中水分。2.1.3状态分析油中溶气在线监测装置要配置溶气故障判断和数据分析系统。在获得动态浓度趋势分布曲线后，如果被监测数据满足判断条件，油中溶气在线监测装置则会自动做出故障性质判定并发出声光报警。在连续监测过程中，电站监测人员可调节报警气体浓度水平。油中溶气在线监测装置最好靠近油流处安装。因此这样利于溶气及时被测到。延误监测本身就失去了在线监测的即时性。2.2变压器油色谱在线监测61224364860728496H2455050505050505050CO35389463500500500500500500CH4363943465050505050C2H4242832394347505050C2H6252934404549505050C2H21.52.83.65.87.99.450101011油色谱在线监测技术是气相色谱分析技术的演变和发展。常规的气相色谱分析技术是在试验室中进行的一项复杂、耗时的检测，而且会产生由人工取样分析所造成的种种误差。油色谱在线监测技术的开发应用弥补了室内色谱检测技术的缺点。油色谱在线监测装置可将一个恒温箱体安在变压器的恒温防火墙内，与变压器形成一体，有利于运输和安装，并可根据现场需要安装到其他变压器上。油色谱在线监测装置的另一特点是具有备用进油接口，可以对其他充油设备进行监测。油色谱在线监测在变电所主控室内实现对变压器监测，可以根据实际需要设定监测周期。油色谱在线监测在气体继电器未动作前能将变压器内部的故障缺陷及其发展趋势通过计算机直接传输给生产部门。由现场监测控制器、遥控器、油样引入装置、脱气装置