电力变压器故障诊断之变压器诊断

8 变压器81 变压器及其绝缘材料811 概述受绝缘水平的限制，发电机的输出电压不可能太高。从火、水、核等发电站发出的电能，要经过升压电力变压器将电压升高送到电力网，然后又将电力网的高电压经过电力变压器变成符合用户各种电气设备要求的额定电压；同时，为了减少输电线路上的电能损耗，必须采用高压或超高压甚至特高压输电线路输送电能，但从区域电网到大区电网和大区电网之间的互联，不仅各区域电网的主系统与分系统间需要各种电压等级和容量的变压器连接，而且其主干网架与受端网架之间的电压等级变化也是通过电力变压器来实现。因此，电力变压器和与之配套的电抗器、电流互感器、电压互感器等是电力系统最重要的电气设备，这些充有矿物绝缘油和以纸或层压纸板为绝缘材料的电气设备的运行状态（特别是电力变压器的运行状态）对电力系统运行的可靠性具有决定性意义。一般认为，变压器容量为630kVA以下的属小型变压器，8006300kVA的变压器属中型变压器，800063000kVA的变压器为大型变压器，9000kVA以上的统称为特大型变压器。充油变压器是由导电材料（铜、铝合金等）、矽钢片、绝缘材料(纸、油等)、结构材料(铁、不锈钢)等很多部件和材料构成的。充油变压器的构造如图8-1所示。绝缘纸通常是使用电缆纸和马尼拉纸，但是为满足高电场下高气密性与高耐热化要求，也采用聚酰亚胺的复合纸。 图8-1 充油变压器由于变压器绝缘中的油隙较大，电压基本上都加在油隙上。根据变压器中电极的形状，一般采用的设计电场强度为3kV/mm。在充油变压器中，绝缘油也起着作为冷却媒体的重要作用。由于变压器的能量损耗使得其发热量较大，而且随着外界负载的变化温度的变化也很大。因此，要求变压器油必须热稳定性好、且不容易发生化学变化、不易氧化，为此变压器油以使用矿物油为主。另外，对于以油循环为冷却方式的变压器，必须在内部形状及绝缘油方面采取措施，避免由于油的流动带电而引起的绝缘破坏。下面，对变压器的结构加以说明。小型变压器的线圈有用双层纱包线和漆包线包覆的圆截面导体等，大型变压器则使用纸绝缘包覆的矩形截面导体。以上这些线圈的成型方法有直绕式和模绕式之分。直绕式如图8-2所示，在层叠铁芯上加上绝缘材料，然后在其上绕制线圈，并进一步进行绝缘处理之后，再绕上高压线圈。这种方法主要用于小容量(铁芯式构造)的柱上变压器。图8-2直绕式绕组的布置图 8-2 直绕式绕组的布置模绕式则是在木制的绕线模和绝缘筒上绕上线圈，在进行绝缘处理之后再与铁芯组合起来。这种方法的使用范围很广。图8-3所示为各种模绕式线圈。图上8-3(a)所示的是绕线方法上最为简单的筒型线圈。图8-3(b)是沿径向处将图8.3(a)中的筒型线圈进行多重叠合得到的。图8-3(c)表示的是将绕成饼状的线圈进行多层重叠的结果，这是在大容量高压线圈中使用最为广泛的一种方法。将厚度为14mm、宽度为515mm的纸包扁铜线重叠卷好后得到的线圈作为一个单元，把两个这样的线圈连接起来得到双线圈。在这个双线圈之间加上足够数量的间隔片，再将其外侧的出口线进行串联。图8-3(d)表示的是将矩形线圈螺旋状成多层重叠放，线圈与线圈之间加入绝缘隔离片，又称这种线圈为螺旋线圈。这种方法由于绝缘油可在线圈间自由通过故其特点是冷却效果得到加强。（d）长方饼型线圈（c）饼型线圈（b）筒型线圈（a）筒型线圈图8-3模绕式线圈变压器绝缘可以区分为线圈本身的绝缘和铁芯、油箱与线圈间的绝缘、线圈之间的绝缘以及线圈的相间绝缘几部分。针对于不同部位的绝缘，在如图8-4所示的情况下，使用的是电缆纸和层压隔板等。特别是对于端部绝缘，按照电场强度分布的集中程度，使用了符合等电位面形状的压制成型绝缘层。图8-4 主绝缘第一油隙的皱纹纸填充绝缘结构示例812 油浸式变压器用的绝缘材料1变压器油这是最基本的绝缘材料，充满整个变压器油箱，起绝缘和散热两种重要作用。它的耐电强度、传热性比空气好得多，热容量也比空气大得多。在电压6千伏、容量10千伏安以上的变压器几乎均采用油浸式。2绝缘纸和纸板绝缘纸（包括绝缘纸板）由未经漂白的硫酸盐纤维制成。纤维素(C6H10O5)n分子结构是链状，含有羟基，耐油和不熔；宏观结构纤维呈管状，纤维之间呈多孔状，因此具有透气性、吸水性和吸油性；击穿电场强度、机械强度和耐热性均不高，但浸渍变压器油后，电气性能良好。透气性愈小则击穿电场强度愈高。必须指出，透气性小并不意味浸渍性差，二者是不同的性能。绝缘纸和纸板的品种有电容器纸、电缆纸、电话纸、卷绕纸、浸渍纸、绝缘纸板和钢纸（板和管）。钢纸经氯化锌处理，不能用于高压油浸变压器；胶纸板（或筒）含有游离酚等杂质，也不宜用于高压变压器。用于高压电力变压器主要有电缆纸、电话纸及绝缘纸板和筒。3油纸绝缘 油与纸结合使用性能非常良好。这是两种最常见和最经济的绝缘材料，但其组合具有极高的耐电强度，比一般其它绝缘材料高很多，也比二者分开时任何一种材料高得多。纸在低温下无显著性能下降，也能承受短时较高温度和一般短路情况下的机械强度要求。其他的绝缘材料还有漆布或带绝缘漆、玻璃丝或石棉电瓷。813 变压器绝缘结构的分类变压器绝缘可以分为内绝缘和外绝缘。图8-5所示为油浸式电力变压器的绝缘分类，（图8-6 a）为饼式或连续式绕组的布置情况。（图8-6 b）为多层圆筒式绕组的布置情况。内绝缘是处于油箱中的各部分绝缘，这些绝缘是油、固体绝缘材料和二者的组合。外绝缘是空气绝缘，这是指套管上部对地和彼此之间的绝缘以及保护间隙。内绝缘可以分为主绝缘和纵绝缘两种。主绝缘是某一绕组与接地部分以及与其它绕组间的绝缘。主绝缘由变压器的一分钟工频耐压和冲击耐压所决定。处于绕组之外，连接绕组的各部分及绕组与套管的那些连接线本身的绝缘，称为引线绝缘，一般根据工频耐压试验电压而决定，但有时也要考虑冲击强度。图8-5 油浸式变压器的绝缘分类图8-6变压器绕组的绝缘布置情况a)饼式绕组1电工纸板角环2匝间纸绝缘3纸板角环4纸板端部垫圈5纸板筒6纸板垫块b）圆筒式绕组1纸板垫圈2纸板隔板3纸板垫圈间的折纸环4屏蔽上的折纸环5匝间纸绝缘6线圈间纸板垫圈7胶纸筒8层间纸绝缘9层间隔板同一绕组各部分间的绝缘称为纵绝缘，如不同线饼间、层间和匝间的绝缘等。纵绝缘由变压器的冲击耐压所决定。决定变压器绝缘的结构首先是变压器的电压等级，但是变压器的功率也有很大影响。当功率增大时，绕组的尺寸、各元件间的距离、绕组间距离和对地距离都增大了，这由结构，机械强度和冷却等原因所决定，因此也改变了决定绕组内部的振荡条件和绝缘条件。当额定电压在35千伏以下时，变压器功率增大引起绕组结构的改变使得绝缘各元件间的耐电强度裕度很大，因而绝缘的电性计算就不很重要，热性能常起主要作用。82变压器的绝缘诊断方法821绝缘纸的老化诊断法1油中气体分析在构成变压器绝缘的材料中，绝缘油的老化可以通过目测检查和电性检测等方法进行检测。另外，即使发生了老化，对油进行净化处理、换油等也是可行的。但当绝缘纸的老化不断发展而不能应用时，一般来讲是很难进行修理和替换的。而且与导体直接接触的绝缘纸的温度会升高，因此可以认为变压器的老化由绝缘纸的老化所决定。如果变压器的内部发生局部过热或局部放电，由于绝缘纸的分解、绝缘油的氧化、分解气体将溶入油中。变压器内部的局部过热或局部放电而产生气体的一般情况如表8-1所示,过热或放电都会产生其特征气体。只要检测出这类气体，就能诊断变压器的老化程度。表8-1变压器不同异常种类所产生的气体成分异常的种类主要发生的气体过热绝缘油氢气(H2),甲烷（CH4）,乙烯(C2H4),乙烷（C2H6），丙烯（C3H6），丙烷（C3H8）浸油固体绝缘一氧化碳(CO)，二氧化碳（CO2），氢气（H2），甲烷（CH4），乙烯（C2H4），乙烷（C2H6），丙烯（C3H6），丙烷（C3H8）放电绝缘油氢气（H2），甲烷（CH4），乙炔（C2H2），乙烯（C2H4），乙烯（C2H4），乙烷（C2H6）浸油固体绝缘一氧化碳(CO)，二氧化碳（CO2），氢气（H2），甲烷（CH4），乙炔（C2H2），乙烯(C2H4)丙烯（C3H6）注：1.黑体字表示特征气体。2.变压器的绝缘诊断是通过分析溶入油中的气体来判定老化程度的。油中气体的抽取一般是按照下面的程序进行的。从变压器油箱的下部采油利用鼓泡方式抽出气体色谱分析提出油中的特定成分。日本电气协会研究报告书的1980年版提出电压等级划分为275kV和500kV，其容量划分为10 MVA以上和10MVA以下，但以后的大量数据表明，容量和电压对于分解气体并没有太大的差别，因而1999年的修正案中去掉了这样的分级，对检测出的气体量的规定也做了若干调整。另外,修正案中追加了一氧化碳和二氧化碳(下面简写为(CO+CO2)与糠醛(C5H4O2)。(CO+CO2)与绝缘纸的平均聚合度的关系。这里，将糠醛与绝缘纸的平均聚合度的关系、糠醛与(CO+CO2)的关系分别用图8-7和图8-8表示。图8-7 糠醛生成量与平均聚合度剩余率的关系图8-8 糠醛生成量与(CO+CO2)的生成量的关系可以看出,糠醛和(CO+CO2)与绝缘纸的老化有着密切的关系。1999年的新修正案是以这些结果为依据的,提出了变压器的寿命指标是取线圈绝缘纸的平均聚合度为450，此时(CO+CO2)与糠醛的发生量为表8-2所示的值。表8-2 老化指标成分的判定值老化指标成分要注意水平危险水平CO+CO20.2mL/g2. 0mL/g糠醛0.0015mg/g0.015mg/g另一方面,在其他有关发生气体的修正案中,表示变压器异常的各气体量的判定分区,如表8-3、表8-4及表8-5所示,区分为：需注意I级、需注意II级,以及异常级三种类型。表8-3 需注意I级TCGH2CH4C2H6C2H4C2H2CO500400100150100.5300注：只要有一个超过了上面的数值,就是需注意I级。但是, C2H2达到了0.5以上时即是需注意II级。表8-4需注意II级C2H20.5ppmC2H410ppm并且当TCG500ppm时注：、中的条件只要达到一个,即是需注意II级。表8-5异常级C2H25ppmC2H4100ppm并且当TCG700ppm时C2H4100ppm并且当TCG的增加量700ppm/月时注：、中只要达到一个,即可作为异常级这里,可燃性气体总量（Tatal Combustible Gas,TCG）是指H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2以及CO的总和。但是可燃性气体总量中不包含C3、C4等碳氢化合物气体。需注意I级表示不能判定是否异常,只能判定由于某种内部变化而偏离了正常状态。需注意II级表示可以判定变压器内部已出现了异常征兆的级别。各气体成分中,选择故障判定有效性高的气体为C2H2、C2H4。满足表8-4中无论哪一个条件时都判定为需注意II级。因为C2H2是电弧放电，以及发生高温热分解时产生的特征气体，所以对设备尤其需要注意。异常级是需注意II级的进一步发展，是可以确定变压器内部已发生了异常的级别。与需注意II级一样，选择故障判定有效性高的气体是C2H2、C2H4，气体发生量比需注意II级约增加一个数量级。另外，对新指标可燃性气体总量规定了月增加量限定值。在各种油所产生气体中，氢气是最常见的主要气体成分。因此也有只用氢气自动检测装置进行在线监测，以捕捉异常前兆的老化诊断方法。除此之外，通过发生气体进行老化诊断的方法中，还有以开放型变压器为对象，使用丙酮为老化判定指标的例子。2绝缘纸的平均聚合度变压器的寿命决定于振动和外电路短路时加在线圈上机械力和绝缘纸的老化破坏。由于热老化使绝缘纸的拉伸强度降低，而拉伸强度与绝缘纸的平均聚合度有着密切的关系。测定油中分解气体(如前所述)的目的本就是测定绝缘纸平均聚合度降低的情况。例如，从正在使用的变压器中只要取得很少一点绝缘纸作为试验样品，通过测定纸的拉伸强度和绝缘纸的平均聚合度，就可以直接分析得到变压器老化的程度。判定变压器老化程度的绝缘纸的平均聚合度有各种各样的评价标准量。例如，日本电机工业会标准JEM的规定如表8-6所示。表中的寿命级的指标为，当外部短路时，绝缘纸能够承受的最大拉伸强度剩余率达到初值的60%。此外，危险级是指拉伸强度很低(剩余率为15%)时的情况。表8-6绝缘纸平均聚合度的评价标准分类平均聚合度寿命级450以下危险级250以下822 油的老化诊断法变压器的绝缘油因过热或空气的混入、以及局部放电等原因而发生氧化，因而造成击穿电压的降低。绝缘油的酸度值是以滴定中和lg油所需要的氢氧化钾（KOH）的量来表示的。另外，水分混入以后，绝缘油的固有电阻以及击穿电压(耐电压)也将降低。按电压等级区分，变压器的绝缘油的总酸度值、水分含量、绝缘击空电压、体积电阻率等的维护管理值示于表8-7中。表8-7 运行开始后绝缘油性能参数的维护管理值注：为正常值；为要注意值；为异常值。823 变压器本体的老化诊断法以上所介绍的是从变压器中采取绝缘油进行气体分析，然后推定内部老化情况的诊断方法，这里将要谈到的是从变压器的外部测量电气特性来了解变压器绝缘老化的方法。1绝缘电阻测定绝缘电阻的测定是用来推定绝缘纸或绝缘油的吸湿和老化等情况的简单试验方法。测定设备如图8-9所示，一般是使用1000V以上的绝缘试验器和绝缘电阻测定仪，来测试线圈之间、线圈与地之间的绝缘电阻。其容许指标示于图8-10。因变压器的电压等级的不同，所用的判定值略有差异。图8-9 变压器的绝缘电阻试验图8-10 根据绝缘电阻进行老化判定的标准图8-11 根据tan进行老化判定的标准2介质损耗角正切的测定由于介质损耗角正切（tan）对绝缘油和绝缘纸中溶解的水分的变化十分敏感，因此在进行吸湿和老化程度的判定时是很有效的。根据测定时的tan值当然可以进行老化判断，经过运行数年后的介质损耗角正切的增加值也可以用来进行老化判断。一般来讲测量是使用便携式介质损耗仪（tan计）、