常見變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及鐵芯損耗分析研究

李鑫濤+張亮+李雷

摘 要：在電力系統(tǒng)中，變壓器是整個(gè)電力系統(tǒng)的心臟，在進(jìn)行變壓器選擇時(shí)既考慮了負(fù)荷及正常過負(fù)荷能力，又考慮了事故過負(fù)荷的承受能力，還考慮到變壓器的鐵芯、繞組等損耗的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。另一方面變壓器常期運(yùn)行條件下，在各種復(fù)雜的外界環(huán)境下難免會(huì)造成各種不同的故障，如短路、過負(fù)荷、絕緣油故障等，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致變壓器燒毀，嚴(yán)重影響到整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，如何準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)變壓器在線運(yùn)行狀況以及出現(xiàn)故障后如何進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷，這一系列舉措對(duì)電力系統(tǒng)的安全萬分重要。

關(guān)鍵詞：變壓器；監(jiān)測(cè)；損耗；油色譜

中圖分類號(hào)：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0047-02

引言

隨著電力系統(tǒng)的大容量化、高電壓化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，配合電力系統(tǒng)的變壓器也是趨于大容量化、高電壓化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。面對(duì)這種情況，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)及以預(yù)防性能越來越顯得與變壓器安全可靠的供電要求和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不相適應(yīng)，隨著系統(tǒng)電壓的提高，試驗(yàn)電壓與變壓器設(shè)備運(yùn)行電壓之間的差距越來越大，由于試驗(yàn)電壓低，一些缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，而且試驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)的各類騷擾較大，影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。迫切需要新診斷技術(shù)與試驗(yàn)方法。

1 傳統(tǒng)氣相色譜分析

在正常情況下，變壓器油擊穿電壓是非常高的，完全可以充當(dāng)變壓器的內(nèi)部絕緣，但是由于變壓器的密封部位過多，不可避免在某處密封處發(fā)生泄露，或者是進(jìn)入潮氣，這樣油的絕緣性能就降低了，進(jìn)一步影響變壓器內(nèi)部繞組及鐵芯的絕緣效果，另一方面，變壓器內(nèi)的絕緣材料，在熱和電的作用下會(huì)逐漸老化、分解，可能會(huì)產(chǎn)生一些烴類氣體；或者是變壓器在外在或內(nèi)在的故障作用下發(fā)生放電之類故障，會(huì)將絕緣油分解，這樣可能會(huì)產(chǎn)生乙炔等。所以很有必要對(duì)油中氣體進(jìn)行化驗(yàn)分解。因不同類型的故障及不同嚴(yán)重程度的故障產(chǎn)生氣體的類型和濃度是不同的，其中一些氣體能反映變壓器故障的情況，通常稱這些氣體為特征氣體， 根據(jù)油中氣相色譜分析獲得油中特征氣體的濃度能夠判斷變壓器的故障狀況。因此，在變壓器運(yùn)行過程中，定期做油的色譜分析，能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障，以避免設(shè)備發(fā)生故障或事故損失。

在我們實(shí)踐工程過程中，一直使用的是三比值法。氣相色譜法診斷變壓器故障的常用方法有特征氣體法和三比值法。三比值法即用C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6，利用每一種氣體內(nèi)的含量多少設(shè)置為三項(xiàng)比值法，并做成相應(yīng)的編碼來判斷變壓器的故障情況。

2 變壓器壽命概述

由于變壓器服役時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，影響變壓器剩余壽命評(píng)估的因素，具有多種不確定性信息共存或交叉存在的特征。針對(duì)這一特點(diǎn)，引入盲數(shù)理論，利用盲數(shù)表達(dá)評(píng)估參數(shù)的不確定性，建立了基于綜合健康指數(shù)的變壓器剩余壽命評(píng)估新模型。該模型不但能給出變壓器的健康狀況、所屬的狀態(tài)等級(jí)，而且能給出剩余壽命期望值、剩余壽命區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的可信度以及運(yùn)行年數(shù)超過某一年的可能性。

由于外力破壞，變壓器負(fù)荷過重等情況，導(dǎo)致導(dǎo)線斷線或是銅鋁設(shè)備線夾斷裂，導(dǎo)致配變?nèi)毕啵绊懙蛪河脩艄╇?。特別是在農(nóng)村，三相異步電動(dòng)機(jī)較多，缺相將導(dǎo)致其無法正常運(yùn)行。而且非全相情況下，影響三相參數(shù)的對(duì)稱性，出現(xiàn)負(fù)序分量，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生零序分量，如果長(zhǎng)時(shí)間非全相運(yùn)行，產(chǎn)生的零序電流會(huì)使變壓器局部金屬部件溫度升高， 影響其使用壽命。如配變?nèi)毕鄷?huì)由于配變的接線方式和缺相區(qū)域不同而有所不同。配變主要的接線方式有△/Y0-11接線和Y/Y0-12接線。配變?nèi)毕鄥^(qū)域可能在高壓測(cè)也可能在低壓側(cè)，長(zhǎng)久的運(yùn)行必然造成變壓器的壽命大大減小，甚至報(bào)廢。

3 絕緣油常見的故障類型

3.1 熱性故障

此類故障一般是因?yàn)榉纸娱_關(guān)或者是鐵芯接或者局部短路引起的，一般存在內(nèi)部相接觸的部件、引線較松，接觸不良都可以造成局部放電發(fā)熱，簡(jiǎn)單的發(fā)熱會(huì)造成溫度升高，出力減小，嚴(yán)重的發(fā)熱則造成緣加速劣化，縮小變壓器的壽命。

（1）簡(jiǎn)單的發(fā)熱主要是甲烷和乙烯，而且當(dāng)故障點(diǎn)的溫度較低時(shí)，甲烷所占比例大，當(dāng)溫度急劇上升的話，主要是由乙烯和氫氣所占的比重加大。這種情況下一般不會(huì)產(chǎn)生乙炔。

（2）因變壓器內(nèi)有大量的絕緣紙及固體絕緣材料時(shí)，所以不可避免還產(chǎn)生大量的一氧化碳和二氧化碳。

3.2 電性故障

所謂電性故障，通常說的是高能量放電，如線圈匝、層間絕緣擊穿、接地、短路等，一般都有乙炔氣體產(chǎn)生，乙烯和甲烷也占有一定的份量，總烴很高。并且在絕緣紙內(nèi)部或者其他固體絕緣里面的氣體空穴內(nèi)或懸浮帶電體的空間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生氫氣。

3.3 水汽故障

由于變壓器體積過大，各個(gè)密封地方太多，不可避免存在局部密封性不嚴(yán)造成水分進(jìn)入，比如非電量保護(hù)處的溫度計(jì)探頭處經(jīng)常出現(xiàn)進(jìn)水的現(xiàn)象，一旦變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮時(shí)，油中水分和含濕雜質(zhì)易形成“小橋”，進(jìn)而發(fā)生小橋原理放電進(jìn)一步而產(chǎn)生氫氣，另一方面，由于高溫度或者是電弧的作用下，還會(huì)把水分子電解，使生產(chǎn)氣體，如產(chǎn)生大量的氫氣。

4 UHF局放監(jiān)測(cè)設(shè)備

局部放電是在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，由于電場(chǎng)線的密度不均勻化，在相對(duì)狹窄在絕緣體內(nèi)，當(dāng)外界條件作用下，即可能發(fā)生放電，主要有絕緣體內(nèi)摻入物的擊穿，液體介質(zhì)的局部擊穿、固體介質(zhì)局部的沿面放電等。局部放電是電力變壓器絕緣劣化的重要原因，因此，變壓器局部放電的監(jiān)測(cè)是變壓器絕緣故障在線監(jiān)測(cè)的主要方式。近年來，超高頻（UHF-Ultra High Frequency）檢測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，逐步應(yīng)用于變壓器局放監(jiān)測(cè)。超高頻檢測(cè)技術(shù)是通過接收變壓器內(nèi)部局部放電所激發(fā)的超高頻電磁波來實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)和定位。與傳統(tǒng)方法相比，超高頻檢測(cè)方法可以獲得反映局部放電的各種模式、相位、幅度等特征，更易于發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣系統(tǒng)與局部放電相關(guān)的早期絕緣缺陷，抗干擾性強(qiáng)、分析速度快、靈敏度高。因此超高頻方法較其他方法更適用于變壓器局部放電的在線監(jiān)測(cè)。endprint

隨著超高頻檢測(cè)技術(shù)在局放監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用，大量超高頻局放在線監(jiān)測(cè)設(shè)備引入電網(wǎng)。國內(nèi)目前對(duì)局放在線監(jiān)測(cè)裝置的入網(wǎng)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)，選取典型局放模型，對(duì)變壓器UHF局放在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的UHF傳感器做了檢測(cè)試驗(yàn)，并分析測(cè)量數(shù)據(jù)得出合格判據(jù)，為UHF局放在線監(jiān)測(cè)裝置調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

5 變壓器放電類型

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能發(fā)生的內(nèi)部放電的位置和放電類型主要有：繞組中部油-隔板絕緣中的油隙放電、繞組端部的油隙放電、接觸絕緣導(dǎo)線和絕緣紙（引線絕緣、搭接絕緣）的油隙放電、引線、搭接線等油紙絕緣中的局部放電、線圈間（縱絕緣）的油隙放電、匝間絕緣局部擊穿、絕緣紙沿面滑閃放電等。在大多數(shù)情況下，常用各種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M變壓器局部放電情況，大致可以劃分為三種局部放電模型：油中氣泡放電、油中針-板放電和油中懸浮放電模型。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在制作模型時(shí)處理了電極的表面和邊緣，盡可能消除上面的尖角和毛刺。

6 變壓器損耗

變壓器的損耗主要包括鐵芯中的鐵耗和繞組的銅耗。鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗，只要變壓器帶電， 鐵耗即存在。變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，繞組內(nèi)通過電流，將產(chǎn)生電阻損耗，即繞組銅耗，它隨負(fù)荷變化而增減。除此之外，變壓器運(yùn)行產(chǎn)生漏磁通，將在金屬結(jié)構(gòu)中，如夾件、油箱及拉板等產(chǎn)生損耗，即雜散損耗。這些損耗轉(zhuǎn)換成熱能引起變壓器不斷發(fā)熱和溫度升高，易導(dǎo)致局部過熱和絕緣材料老化等問題，甚至引起變壓器故障，進(jìn)而影響變壓器的效率和正常運(yùn)行。

7 結(jié)束語

本文對(duì)變壓器傳統(tǒng)的油色譜分析進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述，并詳細(xì)介紹了變壓器的損耗產(chǎn)生的原因及原理，對(duì)實(shí)踐運(yùn)行過程中的變壓器損耗，尤其是鐵芯損耗，有助于合理控制變壓器的油流和溫升分布，對(duì)于提高變壓器的運(yùn)行效率和可靠性具有非常重要的參考意義。

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