基于变压器缺陷数据的故障预测研究

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1、学号密级大学本科毕业论文基于变压器缺陷数据的故障预测研究院系名称：专业名称：学生XX：指导二一三年六月33 / 40BACHELORS DEGREE THESISOF WUHANUNIVERSITYResearch on the predicting of PowerTransformers fault based on defect dataCollege ： Subject ：Name ：Director ：June 2013 重 声 明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的容外,本学位论文的研究成果不

2、包含他人享有著作权的容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：日期：摘 要电力变压器是最重要的变电设备,在电力系统中处于枢纽地位,其运行状态直接影响着整个电力系统的稳定性、安全性和可靠性。变压器一旦发生事故,造成的直接和间接的经济损失是巨大的。对电力变压器的故障进行有效的预测,既可给维护人员提供必要的参考以避免维修不足或过度维修,又可以保证供电的可靠性和用户的人生安全。因此,对变压器故障预测进行研究具有重要的理论意义和工程实用。本文对电力系统中常用的油浸式变压器,基于油中溶解气体数据以及三比值故障判断法进行故

3、障进行预测。由于目前电力系统中主要采取某一天油中气体进行当天的故障判断,而连续一段时间的气体采样数据较少,所以本文选用84年93年的数据。另外,所选数据大多数呈现递增形式,灰色理论对递增数列有较好的预测效果,而且灰色理论具有所需原始数据少、计算方法交单、预测精度高的特点,所以选择灰色理论进行油中气体数据的预测。通过建立灰色预测模型,并结合三比值故障判断法,建立基于油中溶解气体数据的变压器故障预测模型。最后将预测结果与实际进行比较,得出设计结果并对不足之处提出进一步的研究方向。关键词：变压器；故障预测；灰色理论 ABSTRACTAs the most important substation e

4、quipment, power transformer plays all important role inthe power systemIts states during operation directly affectthe stability, safety and reliability of the whole power systemThe failures of transformers can result in serious issues, such as service disruptions and severe economic lossesTherefore,

5、 effective fault prediction on the power transformer can provide maintenance personnel with the necessary reference to avoid under-maintenance or excessive maintenance,and can guarantee the power supplys reliability and users safety as well So, it has great theoretical significance and engineering p

6、ractical value to research on the prediction of the faults in power transformerIn this paper, we research on the projection of the widelyused oil-immersed transformers fault based on the DGA data and three ratios fault diagnosis method. Since that we mainly use one days date to diagnosis the transfo

7、rmers fault nowadays,but continuous period of gas sampling data is less, so I use the data of year 1984 and year 1993.In addition,most forms of the selected data shows an increasing, while the gray theory has better prediction results for increasing numbers than other model, and gray theory has less

8、 raw data needed to calculate pay a single method to predict the characteristics of high precision, so I chose the gray theory to forecast oil gas data.Through the establishment of gray prediction model, and combined with three ratios fault diagnosis method to establish a transformer failure predict

9、ion model based on dissolved gas data.Finally, the predicted results are compared with the actual situation, obtained the inadequacies of design results and propose the further research directions.Key words: transformer; fault prediction; grey theory目 录 重 声 明I摘 要IIABSTRACTIII第1章 绪论11.1 变压器故障预测的研究背景及

10、意义11.2 变压器故障预测研究现状11.3 本文的主要工作5第2章 变压器故障分析62.1 变压器介绍62.1.1 变压器原理62.1.2 变压器分类62.1.3 变压器的基本结构62.1.4 变压器的安装方式72.2 变压器故障分析82.3 结论132.4 本章小结15第3章 变压器油中溶解气体与故障的关系163.1 变压器油中溶解气体的来源163.2 变压器油中气体特征163.2.1 过热故障163.2.2 放电故障173.2.3 受潮173.3 变压器故障诊断的依据183.4 变压器部绝缘故障的三比值法183.5 小结20第4章 灰色GM预测方法214.1 灰色预测简介214.2 GM

11、数据处理方法214.3 GM等时间间隔序列预测算法224.4 GM非等时间间隔序列预测算法244.5 GM算法残差检验254.6 GM非等时间间隔matlab程序代码264.7 本章小结28第5章 变压器的故障预测及实例295.1 变压器的故障预测295.2 基于油中溶解气体数据的变压器故障预测295.2.1 实例1295.2.2 实例2305.3 误差检验305.4 本章小结31第6章 结论与展望326.1 结论326.2 展望33参考文献34致 36第1章 绪论本章在阐明变压器故障预测的意义的基础上,综合介绍了一系列常用的预测方法,并提出论文的主要研究方法及其思路。1.1 变压器故障预测的

12、研究背景及意义电力变压器是电力系统中的关键设备之一,它承担着电压变换、电能分配和传输的任务,并提供电力服务。随着国民经济的持续高速发展,我国的电力建设已进入了超高压、大电网、大容量、自动化的新阶段。电力系统规模和变压器单机容量也随之不断增大,变压器故障对国民经济造成的损失也愈来愈大,因此必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。长期以来我国对变压器的检修策略主要采用以时间为标准的定期维修。定期维修存在维修过剩和维修不足的缺陷,造成了维修费用的巨大浪费和设备可靠性的下降 1 Piranha Kinder. Power system stability and control M. McGr

13、aws Hill,1994:877884。目前,我国正在积极探索和实践状态检修制度。对变压器进行油色谱在线监测是变压器状态监测的重要基础。但是,由于目前变压器油色谱在线监测离实现变压器的全面状态检修尚有差距,不可能随时获得准确的油中气体浓度。根据已有历史数据可对变压器油中溶解气体浓度随时进行估计,快速而全面地评估变压器的绝缘状况,提前对变压器的绝缘状况做出诊断,以此为依据对变压器进行跟踪和安排检修等工作,避免和减少事故,保证电力系统的安全稳定运行。开展变压器故障预测,对预测潜伏性故障发展趋势或何时发展成故障或可能发生何种类型故障等进行研究,对指导维护工作具有十分重要的意义。而且对提高电力系统运

14、行的可靠性和科学管理水平也具有十分重要的意义2 赵文清.基于数据挖掘的变压器故障诊断和预测研究D.华北电力大学XX,2009.。1.2 变压器故障预测研究现状目前所构造的变压器故障诊断系统都是判断有无故障,或出现故障后诊断是何部位以及何种原因引起的故障3 裴子春.电力变压器故障预测方法研究D.西华大学,2011.。但是,对于当前没有出现故障或故障症状不明显的变压器,这些诊断系统却不能预测何时出现故障,出现什么故障。因此,开展变压器故障预测,对预测潜伏性故障发展趋势,或何时发展成故障,或可能发生何种类型故障等进行研究,对指导维护工作具有十分重要的意义4 刘立兵,惠鹏飞.电力变压器故障预测与诊断仿

15、真研究J.计算机仿真,2010,:23-25.。预测是使用现代科学技术手段根据历史资料和现实情况,依据一定方式、方法,通过定性和定量的主观估测和科学计算,研究某一事物当前已知因素与未来某些可确定因素之间的关系、寻求事物的发展规律,推知其未来发展的趋势,为当前制定规划、进行决策提供依据。其中选择适当的预测方法是保证预测精度的关键。目前运用于各个领域的预测方法有很多,主要采用的方法有：回归分析法、时间序列分析法、灰色预测模型法、模糊预测法、人工神经网络法、专家系统法、组合预测法等。很多人就这些预测方法做了细致深入的研究并取得了可喜的成绩。下面介绍目前在各领域中使用的预测方法,及其在变压器故障预测中

16、的运用5 费胜巍,孙宇. 融合粗糙集与灰色理论的电力变压器故障预测J.中国电机工程学报,2008,:45-48.。1.2.1 基于回归分析法的预测技术回归预测根据历史数据的变化规律,寻找自变量与因变量之间的回归方程式,确定模型参数,据此做出预测。回归分析法一般适用于中期预测。其主要特点是：技术比较成熟,预测过程简单；将预测对象影响因素分解,考察各因素变化,预测对象未来的数量状态；回归模型误差较大,外推特性差；回归分析法要求样本量大且要求样本有较好的分布规律。1.2.2 基于时间序列分析法的预测技术时间序列分析法,就是把预测对象的历史数据按一定时间间隔排列,构成随时间变化的统计序列,建立相应的数

17、据随时间变化的模型,并将该模型外推到未来进行预测。这种方法对短期预测效果较好,但不适合于作中长期预测。一般来说,若影响预测对象变化各因素不发生突变,利用时间序列方法能得到较好的预测结果；若这些因素发生突变,时间序列法的预测结果将受到一定的影响。1.2.3 基于神经网络的预测技术人工神经网络是由多个神经元连接而成、用以模拟人脑行为的网络系统,具有自组织、自学习的能力,它能通过学习获得合适的参数,用来映射任意复杂的非线性关系。人工神经网络方法的优点是对大量非结构性、非精确性规律具有极强的自适应功能,具有信息记忆、自主学习、知识推理和优化计算等特点,一定程度上克服了由于随机性和非定量因素而难以用数学

18、公式严密表达的困难。人工神经网络法的缺点是要求有足够多的历史数据,样本选择困难,算法复杂,需要相当长时间的原始资料积累和模型修正,才能确定历史数据到预测值间的关系。且针对某电力变压器设计的性能良好的ANN模型如果直接应用于另一台电力变压器,预测性能就可能很差。1.2.4 基于模糊理论的预测技术模糊理论是用精确的理论方法来处理过去无法用经典理论描述的模糊事物,它能够解决精确理论所不能解决的在人脑量存在的非确定性语义及模糊概念的问题。目前,模糊理论在自动控制、信息处理、天气预报、地震研究、人工智能等方面得到了广泛的应用,显示了广阔的应用前景。目前,在电气工程领域,模糊预测法主要用于电力负荷等方面的

19、预测,模糊数学理论主要用于变压器故障诊断。针对电气设备故障诊断中需要处理大量的模糊信息,运用模糊数学理论较为有效地解决了某些不确定性问题。1.2.5 基于专家系统的预测技术专家系统是一个用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机软件系统,它拥有某个领域专家的知识和经验,并能像专家那样运用这些知识,通过推理,在那个领域做出智能决策。一个实用的预测专家系统的研制需要较长时间的原始资料积累和模型修正；另一方面,专家知识是经过大量实践而形成的,没有一个明确标准,难免会引入实际工作中的各种偏差和错误。电力变压器油中溶解气体的浓度变化受负荷大小、油温、气压、故障性质及其发展快慢等因素的影响,电力运行部门很难

20、得到较丰富的能够用于专家预测系统建模的有效历史数据,因此到目前为止还没有看到专家系统应用于电力变压器油中溶解气体浓度预测的献或报道。1.2.6 基于灰色系统理论的预测技术灰色系统理论是中国学者邓聚龙教授1982年3月在国际上首先提出来的。灰色系统指的是信息部分已知,部分未知,即信息不完全的系统。灰色预测将系统行为特征量的变化过程看作为一个灰色过程,利用灰色系统理论的微分方程模型进行预测。它将一切随机变量看作是在一定围变化的灰色变量,利用数据处理方法,将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成数据来加以研究,。自建立以来,灰色理论在社会、经济、生态等领域得到了迅速发展6 王晶.基于灰色理论模型的

21、变压器故障预测D.华北电力大学XX,2007.。近年来,灰色预测模型尤其是GM模型及其改进模型在电力变压器故障预测方面也了一些研究成果。1.2.7 优化组合预测技术在实际预测工作中,建立预测模型受到两方面的限制：一是不可能将所有在未来起作用的因素全部包含在模型中；另一个是很难确定众多参数之间的精确关系。任何一种单一预测方法都只利用了部分有用信息,同时也抛弃了其它有用的信息；组合预测将不同预测模型按一定方式进行综合,可以尽可能利用全部的信息,达到改善预测性能的目的。优选组合预测有两类概念,一是指将几种预测方法所得的预测结果,选取适当的权重进行加权平均的一种预测方法；二是指在几种预测方法中进行比较

22、,选择拟合度最佳或标准离差最小的预测模型作为最优模型进行预测。1.2.7 遗传算法遗传算法最早起源于60年代对自然和人工自适应系统的研究,是建立在达尔文的生物进化论和孟德尔的遗传学说基础上的算法,它模仿了生物的遗传、进化原理,并引用了随机统计理论,是一种自适应全局优化概率搜索算法。遗传算法的主要特点是群体搜索策略和群体中个体间的信息交换,搜索不依赖梯度等高阶信息,同时还具有算法简单、通用性强等特点。目前已有将遗传算法应用于变压器故障预测研究的相关文献报道。1.2.8 支持向量机支持向量机是数据挖掘的一种新方法,能对回归问题和模式识别等诸多问题进行处理,并可应用于预测和综合评价等领域；它有着深厚

23、的理论基础和广阔的应用前景,目前已取得了一定的成绩。1.2.9 混沌理论混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法,用以探讨动态系统中无法用单一的数据关系,而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测的行为。混沌理论还被用于经济预测、电力系统负荷预测、矿产资源预测等方面。1.2.10 马尔可夫预测法马尔可夫预测法是一种特殊的市场预测方法,主要用于市场占有率的预测和销售期望利润的预测,是一种预测事件发生概率的方法。马尔可夫预测法在地理、天气、市场预测中被广泛应用。1.2.11 小结从上面的阐述能够知道,目前的预测方法,并非都适合于变压器故障预测,只有较少的几种预测方法在变压器故障预测中得到了运

24、用,而这几种方法中,每一种方法都有独当一面的能力,具有美好的应用前景；每种方法本身又都有或多或少的缺陷,从而衍生出大量的优化改进和组合模型,使得这些预测方法更加的丰富,日趋完善7 王有元,廖瑞金.基于油色谱分析的变压器故障在线预测方法J.XX大学学报,2005,:55-57.。1.3 本文的主要工作本文在基于目前大型电力变压器故障预测方法总结分析上,选择利用灰色理论预测方法进行变压器故障预测。本文在对灰色理论预测原理进行分析的基础上,将灰色预测理论引入到电力变压器绝缘故障预测工作中,建立起适用于电力变压器故障预测的预测模型以及编写相应的matlab程序进行数据预测处理；并基于变压器油中气体数据

25、以及三比值故障诊断法对变压器故障进行预测8 Guardado J.L., Naredo J.L. Comparative study of neural network efficiency in power transformers diagnosis using dissolved gas analysis J. IEEE Trans. Power Delivery, 2001, 16:643647。 本文主要展开以下几个方面的研究工作：总结并深入学习变压器类型、变压器各类故障及其诊断技术相关知识；学习变压器故障预测技术；对灰色系统预测方法做深入的研究；建立变压器故障灰色预测模型;用实例证

26、明本文提出的预测模型的有效性;总结上述研究成果,并提出了进一步研究的方向。第2章 变压器故障分析目前电力系统中运用的各种变压器原理相同,均为电磁感应；但因各种需要,它们的结构组成并不完全相同。本章介绍各种变压器类型以及故障类型,并着重分析目前应用最为广泛的油浸式变压器的缺陷数据及其故障预测对应关系。2.1 变压器介绍2.1.1 变压器原理变压器是一种静止的电气设备,它利用电磁感应原理,将一种交流电压的电能转换成同一频率的另一种交流电压的电能。在电力系统中,为了将大功率的电能运送到远距离的用户区,需要采用升压变压器将发出的电压逐级升高到220kV500kV,以减少线路损耗；在电能输送到用户地区后

27、,再用降压变压器逐级降低到配电电压,供动力设备、照明使用。在电力传输中,变压器具有极为重要的作用。2.1.2 变压器分类变压器可以按照用途、绕组数目、相数、冷却方式分别进行如下分类。按照用途分类为：电力变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、试验变压器、调压变压器、电抗器、互感器、特殊用途变压器。按照绕组数目分类为：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。按照电源输出相数分类为：单相变压器、三相变压器。按照冷却方式分类为：以空气为冷却介质的干式变压器、以油为冷却介质的油浸式变压器。按照调压方式分类为：无载调压变压器、有载调压变压器。按照铁心结构分类为：芯式变压器、壳式变压器。按照中性点绝缘

28、水平分类为：全绝缘变压器、分级绝缘变压器。按照导线材料分类为：铜导线变压器、铝导线变压器。按照防潮方式分类为：开启式变压器、密封式变压器、全密封式变压器。2.1.3 变压器的基本结构变压器的主要构件是铁芯和绕组。铁芯和绕组通过绝缘组装和引线组装组成变压器的器身,将器身装在油箱外壳, 浸上变压器用绝缘油, 再配置上各种附件装置, 就构成了油浸电力变压器。不浸绝缘油的器身, 直接配置附件装置的变压器称为干式变压器。变压器附件, 按变压器容量及电压等级的不同有不同的设置,变压器采用的组配件数量很多。可按组配件用途分类为六大部分或称六大装置, 即散热装置、调压装置、引出装置、保护装置、测量装置和起吊运

29、输装置。2.1.4 变压器的安装方式正确安装变压器是保证变压器安全运行的重要条件之一。变压器安装方式有多种。但概括起来可分为室、室外两大类。室称为配电室；室外有杆架式、台墩式和落地式变台。变压器的室布置室布置就是把变压器装设在室,将高压线路经穿墙套管或用高压电缆引入,经高压开关柜接至变压器,它的低压侧经低压开关柜或开关板送出。需要建筑专用的变压器室。将变压器放置在室运行,具有清洁、安全等优点,但配电室必须达到1级耐火标准,具有良好的通风条件,门窗耐火,并能防止小动物及雨水侵入。室通道应宽敞,以满足安装上规定的要求。变压器的室外布置变压器的室外布置根据其容量的大小、装设地区的不同以及吊运是否方便

30、.通常有杆架式、台墩式和落地式三种安装方式。变台是指变压器和它的附属设备的总称。杆架式,杆架式变台又分为单杆变台、双杆变台和三杆变台三种。单杆变台是将变压器、高压跌落式熔断器和高压避雷器装在一根电杆上。适用于安装50kVA及以下变压器。结构简单、安装方便、用料和占地都比较少。双杆变台是在离地 2.53m 的两根杆上安装,在台架上方2m 处装设母线架,高压引线接在母线架上,杆上还装横担并安装室外跌落熔断器、避雷器和引线。三杆变台由高压线电杆和另外两根电杆组成。高压线电杆上只装设高压跌落式熔断器,与另两根电杆组成的台架供安装变压器使用。台墩式,地台式变台用砖石砌成高 1.72m 的台墩,把变压器安

31、放在上面。其特点是高压线的终端杆可兼作低压线路的始端杆、结构简单、基础牢固、造价较低。落地式,落地式变台是把变压器安置在地面矮台上,适合于500kVA以上大容量的变压器。这种变台占地多,但拆装、运输方便。为防水浸,变压器底部基座要高出最大洪水的高度。2.2 变压器故障分析变压器在长时间运行过程中,由于各种因外因的影响,难免发生故障。变压器故障主要发生在绕组、铁芯、套管、分接开关和油箱等部位。最常见的故障是绕组故障,如绕组变形、绕组和铁芯压紧松动等机械故障；其中绝缘老化和层间绝缘损坏的是最多的；其次是套管损坏、分接开关失灵、绝缘油劣化,铁芯和其他零件的故障较少。电力系统根据引起故障的原因,一般将

32、电力变压器故障分为部故障和外部故障两种情况：部故障包括：绕组和铁芯压紧的松动；绕组谐振；绕组的相间短路、接地短路和绕组的匝间短路；过热；绝缘退化；氧化；受潮；绝缘油的固态污染；局部放电；设计和制造缺陷；磁路故障,铁芯多点接地；由于铁芯、开关、引出线绝缘损伤,导致局部温度过高。部故障会引起火灾甚至使油箱爆炸,使变压器发生严重损坏。外部故障包括：雷击；系统切换误操作；系统过载；系统故障如短路；外部故障主要表现在油箱壳以外套管及引线上产生的各种相间及接地短路。绝缘套管发生闪络放电,高低压引线间发生多路等,变压器的引线发生故障,如：绝缘损坏或击穿、部断线、绕组匝间层间出现短路以及绕组发生变形等情况。绝

33、缘系统发生故障,主要指绝缘油故障和主绝缘中发生故障,一般指相间发生短路、绝缘系统有受潮现象、绝缘油出现异常、出现围屏树枝状放电等9 王万春. 大型变压器状态监测和故障诊断系统R.XX省: XX省电力公司XX供电公司,2009.。下面就举例分析一下电力变压器实际运行中的各种故障以及解决方案：2.2.1 变压器声音发生异常当压紧铁芯或夹件的螺丝钉松动时,仪表指示正常,其绝缘油的油位、温度与颜色也会没有明显的变化,但声音嘈杂而大,应立即停运并进行检查；变压器的部接触不良或机体绝缘击穿,变压器表现出噼啪或吱吱的声音,且响声随故障点的远近发生变化,应立即停运并进行检查；变压器匝间短路或分接开关接触不良,

34、局部点温度较高,导致附近零件严重发热使油气化。发出咕噜咕噜水沸腾的声音。应立即停运并进行检查；使用大容量动力设备时,其负荷会发生较大变化,变压器也会发出很大声音,谐波分量使变压器瞬间发出咯咯的间歇性声音。应立即停运并进行维修；变压器部分零件振动,造成机械接触或静电放电引起的有规律、连续的摩擦或撞击声,没有太大危险,不必立即停止运行,可在计划检修时再排查。2.2.2 变压器温度发生异常变压器过热对其本身有很大的危害,温度升高使绝缘体的机械强度和耐压度降低甚至损坏绝缘体,导致变压器使用寿命缩短。油温异常升高是变压器过热的主要表现；主要体现在变压器超负荷运行、冷却装置故障或绝缘油颜色变化等。当变压器

35、油温过高时,应对以上原因逐一检查,做出准确判断,及时处理。若运行仪表指示超过变压器最大负荷,而单相变压器组三相温度计指示基本一致,冷却装置指示正常,变压器也正常时,油温升高就是由超负荷引起的,要对变压器加强监视,并及时向上级调度部门汇报,可转移负荷或缩短负荷时间。冷装置发生故障,也会导致变压器温度升高；如冷却装置没有投入运行,应立即投入运行；冷却装置发生故障,要及时进行处理,排除故障。绝缘油颜色发生显著变化,绝缘油在运行中可能与空气接触,并吸收空气中水分,导致绝缘性能下降；油常在高温环境中运行,与氧接触产生酸性氧化物,腐蚀金属或绝缘,增加介质损耗,降低绝缘,引发闪络使外壳或绕组被击穿。指示发生

36、误报,在变压器的运行中,远装置温度指示异常,但现场中温度指示正常,且无其它故障。表明远装置测温系统出现故障,可安排时间进行检查10 黄卓生.浅析电力变压器故障处理J.科技与企业,2011,:89-90.。2.2.3 变压器油枕故障油枕油位已注满时,呼吸器出现变压器油向外喷流,但是其它装置表现均为正常,停止变压器的运行,对变压器进行电气试验,试验结果正常。拆开视察窗进行检查,未看到油,这表明油枕出现故障。2.2.4 铁芯多点接地故障变压器铁芯出现两点以上的接地,称为多点接地；导致产生涡流,铁芯过热,绝缘油劣化变质,严重时还会将铁芯烧毁,接地线烧断。发现铁芯多点接地后,要立即停电,检查及处理吊芯。

37、如果系统暂时不能停电,可采用临时串联电阻的方法,为外引铁芯接地回路上串联电阻,对环流的增加进行限制,防止故障再发生恶化。在串联电阻前,要对铁芯接地回路的环流及开路电压分别进行测量,计算对应串电阻的阻值。为保障变压器正常运行,应避免铁芯多点接地,实践中将铁芯与外壳进行可靠地连接,以保证铁芯与外壳的等电位。2.2.5 绝缘老化绝缘老化导致大部分的变压器都严重的缩短了服役时间。变压器正常运行中,绝缘材料也在不断的损耗,当使用达到一定的年限时,绝缘材料就会严重老化,出现发黑、枯焦等情况；而在超负荷运行等条件下,其绝缘将加速老化,只要绕组稍受震荡或略受摩擦,绝缘即可完全变形甚至损坏,导致匝间或层间短路。

38、绝缘老化后绝缘性能也明显降低,容易击穿。制定一定的保障制度,降低老化的速度可以增加变压器的使用年限11 盖建辉.变压器常见故障与事故预防J.内江科技,2011,:128-130.。2.2.6 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、火花放电和高能量放电三种类型。放电对绝缘有两种破坏作用：一种是由于放电质点直接轰击绝缘,使局部绝缘受到破坏,并使绝缘击穿；另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用,使局部绝缘受到腐蚀,介质损耗增大,导致热击穿。2.2.7 分接开关故障无载分接开关故障变压器漏油时,分接开关会在空气中裸露,从而会引发分接开关的绝缘受潮,容易导致放

39、电短路的发生,引起变压器的损坏。有载分接开关故障有载分接开关在频繁的切换操作过程中,会产生电弧,导致油中产生乙炔等可燃性气体,此时切换开关将会造成油渗进入变压器主体油中,造成主体油箱可燃性气体含量的异常增加,威胁变压器的可靠运行。分接头接触不良会导致局部温度过高、防爆器失效、气体继电器误动作、闪络或放电等12 黄婷婷.变压器故障类型分析及防范措施研究J.科技资讯,2010,:131-132.。2.2.8 短路引起的故障变压器短路故障主要是变压器出口短路,以及部引线或绕组间对地短路及相与相之间发生的短路而导致的故障。当变压器发生二次侧短路、接地等故障时,二次侧将会产生高于额定电流2-3倍的短路电

40、流,在一次侧必然要产生很大的电流来抵消二次侧短路电流的消磁作用,如此大的电流作用于高电压绕组上,线圈部将产生很大的机械应力,致使线圈压缩,其绝缘衬垫、垫板就会松动脱落,铁芯夹板螺丝松弛,高压线圈畸变或崩裂,导致变压器在很短的时间烧毁,严重时可能要更换全部绕组,从而造成十分严重的后果和损失,因此应引起足够重视。变压器二次侧短路也是造成变压器损坏最多的故障。2.2.9 过电压引起的故障电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的电压异常升高,属于电力系统中的一种电磁扰动现象。变压器的绝缘长期耐受工作电压,同时还必须能够承受一定幅度的过电压,这样才能保证电力系统安全可靠地运行。而当电压过高超过变压器承

41、受幅度,就会造成变压器故障。2.2.10 变压器过载故障随着经济和科技的发展,用电负荷在增多,发电厂、用电部门在不断的持续缓慢提升负荷。直接导致越来越多的变压器超负荷运行。过载条件下,过高的温度导致了变压器的绝缘纸板过早的老化,使得整个绝缘强度下降。此时若有一定的冲击电流,变压器线圈温度迅速增加,造成绝缘材料变脆弱,加速老化,形成大量裂纹甚至脱落,严重时使线体裸露,而造成匝间短路。或者由于外部故障冲击力导致绝缘破损进而发生故障。确保负荷在变压器的额定运行条件下,不要长时间的过负荷运行,否则得不偿失。2.2.11 绝缘油劣化绝缘油在变压器的正常运行中起着重要作用。它可以将绕组和铁芯等产生出来的热

42、量传递至变压器的冷却装置,因而是良好的散热媒介,此外还可以在绕组之间、绕组与铁芯和箱体之间起到绝缘介质的作用。在变压器的运转过程中,绝缘油在较高温度下运行,可能会溶解大量空气,并与氧气作用生成各种酸性氧化物,从而使得绝缘受到腐蚀,同时,还会增加绝缘油的介质损耗,降低绝缘油的品质,引发变压器闪络,导致击穿事故。另一方面,绝缘油也可能因与空气接触而吸收空气中所含的水分,因水在变压器电场的作用下容易电离分解,从而增加了绝缘油的导电性能,不利于变压器的安全运行。2.2.12 渗油及套管闪烙渗油是变压器最为常见的外表异常现象。由于变压器本体充满了油,各连接部位处都有胶珠、胶垫防止油的渗漏。长时间的运行,

43、会使变压器中某些胶珠、胶垫老化龟裂而引起渗油,导致绝缘受潮后性能下降,放电短路,烧毁变压器。套管闪络放电也是变压器常见的外表异常之一。空气中有导电性能的金属尘埃附吸在套管表面上,在变压器套管渗油情况下,会导致变压器套管吸附尘埃,若遇上雨雪潮湿天气,就可能会造成套管闪烙放电。在变压器的检查维护中,对变压器套管渗油问题要得到及时的解决,否则造成事故的可能性极大。2.2.13 变压器雷击故障我们对于雷击导致变压器发生故障的研究比较少,因为很多时候不是直接的雷击事故就会把冲击故障归为线路涌流。雷击故障主要有两种,一种是因为避雷器接地电阻过高,当雷电流流经时引发变压器外壳电位增高,达到一定数值,就会击穿

44、变压器绝缘,导致其损坏。另一种则是避雷器接地引下线长度太长；此时,如果某一陡度电流通过,避雷器的残压与接地引下线上的压降相叠加,作用于变压器绕组,从而破坏变压器绝缘。防止雷击最好的方法当然是加装避雷装置,不仅可以保护变压器本身的正常运转,还可以减少电力系统中的冲击电流,减少暂态波动的发生。2.2.14 变压器线路涌流故障线路涌流,是应该被列入首要的故障因素。线路涌流包括：合闸过电压、电压峰值叠加、线路短路故障、闪络以及震荡方面的大电流、电压的不正常现象。 这类故障对变压器的损害最为严重的原因是电流、电压过大。因此须在大电流冲击保护充分性方面给与更多的关注。安装过流保护监视装置,可以对变压器进行

45、实时的测量检测报告；并把结果送入电力系统中作为安全运行的指标。2.2.15 变压器质量疏漏故障一般情况下,变压器往往在这方面的问题并不是很大,仅有很小比例的故障归咎于质量疏漏缺陷。例如匝间绝缘裕度不够、出线端松动或无支撑、垫块松动、焊接不良、铁芯绝缘不良、抗短路强度不足以及油箱中留有异物。所以并没有引起太大的关注,只是偶尔发生。2.2.16 变压器的维护故障不正当的维护也会引起变压器故障。主要是由于保养不够、未装控制或控制装的装的不正确、冷却剂泄漏、污垢堆积和自然界的电气化学腐蚀13 李会敏.变压器故障的原因分析及运行维护建议J.城市建设研究理论,2011,:142-144.。2.2.17 磁

46、路故障变压器磁路故障主要是变压器铁芯组故障引起的。变压器正常运行时,绕组四周会存在交变的磁场,在电磁感应作用下,外壳与铁芯之间、铁芯与低压绕组之间以及低压绕组与高压绕组之间会存在寄生电容,带电绕组正是通过其耦合作用,使得铁芯对地产生悬浮电位。因铁芯等各个金属构件距离绕组的空间不等,金属构件之间有电位差的存在,当这种电位差达到一定限度时就会击穿其间的绝缘,产生火花放电现象,影响变压器绝缘等性能。2.2.18 变压器受潮故障受潮是不可避免的,由于种种外部自然原因,常常使管道渗漏、顶盖渗漏、水分沿套管或配件侵入油箱以及绝缘油中存在水分等。变压器的设计和建造标准应与安装地点相配套。若置于户外,确定该变

47、压器适于户外运行,变压器油的介电强度随着其中水分的增加而急剧下降。变压器引线是靠套管支撑和绝缘的,若套管上端帽罩封闭不严而进水,引线主绝缘受潮而击穿,就会造成部闪络,发生故障。变压器的油样应经常作击穿试验,以确保正确地检测水分并通过过滤将其去除。2.2.19 变压器破坏及故意损坏这类故障主要是人为的外在破坏行为,常常发生在线路末端直接连接用户的变压器,不过这种破坏是很不常见的。2.2.20 变压器连接松动故障这类事故包括了在电气连接方面的制造工艺以及保养情况,最为突出的问题就是不同性质金属之间不当的配合,但是这种情况在慢慢的减少,另一个问题就是螺栓连接间的紧固不恰当,连接松动也可以包括在维护不

48、足一类中 14 王庆丰.变压器常见故障处理J.科技传播,2012,:131-132.。2.3 结论变压器作为电网中的一个重要设备,从投入工作就要求它不间断的工作,其运行关系着电力供应的稳定性；因此,实践中有差动、避雷器等多重保护。但由干其受雷击过电压、绝缘老化、绝缘油劣化等多种因素的影响,变压器的事故率仍然很高,恶性事故和重大损失也时有发生。只有保证变压器安全正常的运行,才能保证电力系统安全、可靠、优质地运行。掌握变压器运行状况,熟悉变压器故障的形成原因及一些相关处理,采取必要的保护措施,就能有效降低变压器故障率。采取有针对性的防措施,定期进行检测与维护,加大变压器巡视检查力度,准确、及时发生

49、存在的隐患,就可以排除安全隐患,保障变压器的正常、稳定工作和电力系统的安全运行15 冯川.变压器故障诊断技术研究J.硅谷,2012,.。在以后的建设运行中我们可制订一个整体的维护、检查和试验的规划；良好的维护制度将有助于变压器获得最大的使用寿命,不但可以降低变压器故障的发生,减轻电力中断造成的不良影响,还可以节约大量的时间和经费,减少社会成本的支出16 李楠.基于支持向量机的电力变压器状态评估D.华北电力大学XX,2009.。根据上述分析,给出以下运行和维护建议：安装及运行：确保负荷在变压器设计允许围,在油冷变压器中要监视顶层油温；变压器的安装地点应与其设计和建造的标准相适应；保护变压器不受雷

50、击及外部损坏危险17 莫善区.变压器在线监控与故障诊断系统研究D.XX工业大学,2008.。经常维护：保持瓷套管及绝缘子的清洁,定期检查瓷套管外部无裂纹、破损、脏污及放电痕迹,瓷套根部有无放电痕迹；在油冷却系统中,检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及限制油流动的机械损伤；保证电气连接的紧固可靠；定期检查分接开关,检验触头的紧固、灼伤、疤痕、转动灵活性等；每三年应对变压器线圈、套管以及避雷器进行介质损坏的检测；每年检验避雷器接地的可靠性。旱季应检测接地电阻,其值不应超过5。 结语：近年来国外一些电力部门开始采用电力设备绝缘在线监测技术,不需要外接高压电源,在电力设备照常运行的条件下随读取试验结

51、果,因此可以及时计划和安排电力设备的维护,从而实现状态维修。因此借鉴国外经验,利用先进在线监测设备,加强状态维护模式,可以使电力供应更加安全可靠18 彭亮,郭建强.变压器故障的统计分析及预防方法J.科技资讯,2012,:78-81.。2.4 本章小结本章介绍了变压器的分类,以及变压器基本结构和安装方式,并具体分析了各种变压器故障以及相关诊断方式和解决方式,并在最后给出了变压器运行维护相关的建议。为后文基于油中气体的三比值故障诊断法以及故障预测奠定了良好的理论基础和工作准备。第3章 变压器油中溶解气体与故障的关系目前,绝大多数大型电力变压器选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构。当变压器部发生热故障、

52、放电性故障或者油、纸老化时均会产生各种气体；油中溶解气体的组分和含量可以作为反映油浸式电力变压器部绝缘故障的特征量。正常运行中变压器油中溶解气体含量很少,主要成分是氧和氮。油、纸等绝缘介质降解过程所产生的气体能溶解于变压器油中,也能释放到油面上,每种气体在一定的温度、压力下达到溶解和释放的动平衡,最终将达到溶解的饱和或接近饱和状态19 杨启平,薛五德.变压器故障诊断技术的研究J.变压器,2002,.。3.1 变压器油中溶解气体的来源运行中的变压器,由于受到电场、热、湿度、氧的作用,油和有机绝缘材料将随运行时间而发生速度缓慢的老化和分解,除产生一些非气态的劣化产物外,还会产生少量的氢、低分子烃类

53、气体以及碳的氧化物。烃类气体：油中C1、C2总烃含量一般低于150pL/L,但使用年久的变压器,C3、C4烃类气体明显增多；氢：油中氢含量一般低于150pL/L；碳的氧化物：油中CO、CO2含量与设备运行年限有关 20 Pei Zichun. Research on the predicting Algorithm of Power Transformers FaultD. Xihua University,2011.。3.2 变压器油中气体特征3.2.1 过热故障热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速劣化,具有中等水平的能量密度。产生热性故障的原因有：导线过电流；铁芯局部短路、多点接地、形成环

54、流；分接开关接触不良、接线焊接不良、电磁屏蔽不良、使漏磁集中；油道堵塞,影响散热等。当固体材料局部过热时,会产生大量CO和CO2,且CO/ CO210；当油局部过热时,会产生大量乙烯和甲烷,随着温度升高,乙烷和氢气的含量增加：当变压器油严重过热对,才产生少量乙炔。根据其严重程度,热性故障常被分为轻度过热T、低温过热150T、中温过热300T、高温过热700四种故障情况。3.2.2 放电故障高能量放电,又称电弧放电。如由线圈匝间、层间绝缘击穿,过电压引起的部闪络,引线断裂的闪弧,分接开关的飞弧等,故障气体产生剧烈,产气量大,故障气体往往来不及溶解于油而聚集到气体继电器引起瓦斯保护动作。其特征气体

55、为乙炔和氢气,其次为乙烯、甲烷,如果涉及固体绝缘,瓦斯气和油中气的CO含量高。低能量放电,一般是火花放电。它是一种间隙性放电故障,如铁芯片间、铁芯接地片接触不良造成的悬浮电位放电；分接开关拔插悬浮电位放电等,其特征气体为乙炔和氢气,但由于故障能量较小,总烃一般不会高。局部放电,特征气体氢组分最多,其次是CH4,当放电能量高时会产生少量乙炔。3.2.3 受潮在变压器部进水受潮时,油中水分和带湿杂质易形成小桥,或者固体绝缘中含有的水分加上部气隙孔洞在局部放电作用下放出氢气。另外,水分在电场作用下发生电解作用,水与铁又会发生电化学反应,都可产生大量氢气。根据以上分析,可归纳变压器故障与产气特征的一般

56、规律,如表3.1所示21 叶品勇.基于油中溶解气体分析的变压器故障预测D.XX理工大学,2007.。表3.1 变压器油中溶解气体分析故障类型产生的组要气体组分产生的次要气体组分过热油CH4、C2H4H2、C2H6油和绝缘纸CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油中有电弧油H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和绝缘纸H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6油、绝缘纸中局部放电H2、CH4、COC2H6、CO2油中局部放电H2、CH4、C2H2C2H6油中火花放电C2H2、H2进水受潮或油中气泡H23.3 变压器故障诊断的依据查对特征气体含量是否超过注意值。部颁及国标导则

57、及电力行业标准电力设备预防性试验规程对油中溶解气体含量的注意值见表3.2,当油中气体含量任一项超过表中所列的数值时应引起注意22 张媛,喻广晴.油色谱分析技术在变压器故障分析诊断中的应用J.能源研究与管理,2011,.。表3.2 变压器油中气体含量规定值气体组分总烃甲烷、乙烷、乙烯、乙炔乙炔氢气含量ppm330kV及以上1501150220kV及以上1505150表中总烃是指甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和,。应当指出,表中列出的注意值不是故障值或允许值,也就是说,注意值是指当气体浓度到该值时,应注意跟踪分析,查明原因23 JKelly. Transformer fault diagnosis b

58、y dissolved gas analysisJ. IEEE Trans. Industry Application,1980, 16:198203。另外故障产气速率和故障时产气特征性也是故障诊断的的依据24 Duval M.A review of faults detectable by gas in oil analysis in transformersJ. IEEE TransElectrical Insulation Magazine,2002,18:8-17。3.4 变压器部绝缘故障的三比值法从以上分析可以看出：不同性质的故障所产生的油中溶解气体组分时不同的,据此可以判断故障的类

59、型。热性故障产生的特征气体主要是CH4、C2H4,电性故障主要是C2H2、H2,为此,可以用CH4/H2比值来区分是电性故障还是热性故障；根据故障点温度愈高,C2H4占总烃比例将增加的特点,C2H4C2H6的比值可区分湿度高低；因纸过热主要分解CO和次要的CH4的特点,也可用CO/CH4区分温度高低,温度越高,CO/CH4值越小；根据火花放电故障时有C2H2,其次是C2H4,而局部放电一般无C2H2的特征,可用C2H2/C2H4的比值来区分放电故障的类型。国际电工委员会和我国国标推荐使用C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6这三个比值大小来判断变压器存在的故障情况,这种方法称为三

60、比值法25 童洁.变压器故障分析中气相色谱技术的运用J.科技信息,2011,.。我国目前推荐采用改良的三比值法作为判断变压器故障类型的主要方法。改良三比值法是用不同的编码表示三对比值,其编码规则,故障类型判断方法,如下表所示26 谭敬波.基于油中溶解气体分析的电力变压器故障预测与诊断研究D.XX大学,2009.。 表3.3编码规则气体比值围比值围编码010100121222表3.4 故障类型判断方法编码组合故障类型诊断故障实例010局部放电高温度、高含气量引起油中低能量密度的局部放电01轻度过热绝缘导线过热20低温过热分接开关接触不良,引线夹件螺丝松动或接头焊接不良,涡流引起铜过热、铁芯漏磁、

61、局部短路、层间绝缘不良、铁芯多点接地等21中温过热0,1,22高温过热700120,1,2低能放电兼过热引线对地电位未固定的部件之间连续火花放电,分接触头引线和油隙闪络,不同电位间油中火花放电或悬浮电位之间的火花放电0,10,1,2低能放电220,1,2电弧放电兼过热线圈匝间、层间短路,相间闪络,引线对箱壳放电、线圈熔断、分接开关飞弧、因环路电流引起电弧、引线对其他接地体放电等0,10,1,2电弧放电从实践经验来看,采用改良三比值法能够有效发现变压器潜伏性故障。国地区曾以314台故障变压器油中气体分析值采用改良三比值法进行对比验证,其准确率达97.1。但由于现场情况的多样性,其准确率受到一定程度的影响27 Su Q, Lai LA fuzzy dissolved gas analysis method for the diagnosis of maniple incipient faults in a transformer. IEEE Trans. Power Systems, 2000,15:593598。3.5 小结