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.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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,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,3,一次绕组,铁心,磁通,二次,绕组,电力变压器的工作原理,N,1,N,2,U,1,U,2,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,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,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%,*IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers,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,),*IEC Guide for Reporting Failure Data for Power Transformers,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,C,n,H,m,固体绝缘,纤维素,(C,6,H,10,O,5,),n,DP,值降低,C,CO,CO,2,H,2,OFurfuralsolid particles,油特性的衰退,H,2,CH,4,C,2,H,4,C,2,H,6,C,2,H,4,C,2,H,2,CO,CO,2,acidsresin,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,CH,2,OH,O,OH,OH,O,H,CH,2,OH,OH,OH,O,O,CH,2,OH,OH,OH,O,OH,Acids,CH,2,OH,O,OH,OH,O,CH,2,OH,OH,OH,O,O,CH,2,OH,OH,OH,O,HOH (water),纤维素,(C,6,H,10,O,5,),n,O,CHO,H,H,H,HOH,HOH,CO,80 C -300 C,+,+,+,CH,2,OH,OH,OH,O,O,H,H,H,H,H,O,HOH,+,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,tan,；,测量非纯瓷套管的,tan,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。,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,29,8.3,变压器局部放电的在线监测,四种典型局部放电形式,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。,33,PD,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,34,PD,信号的传播过程的试验结果对比,35,36,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,UHF,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）,?,Z,L,=,50,?,f,50,?,UHF,-,Measuring Unit,Tank wall,PD,Sensor,UHF,局放测量,(300,3000 MHz),U/mV,t/ns,43,500kV,主变的实测效果例,在,400800MHz,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。,UHF,与,IEC60270,的相关性,UHF,与,IEC60270,线性相关,振幅，能量,Q,IEC,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,Amplitude U/mV,50,8.4,温度的监测,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,与传统方法的不同,在线监测,油温与绕组温度不一致,冷却系统瞬时控制,现场维修人员有效工具,热运行试验,52,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,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,Hotspot,Top Oil,Load,57,绕组分布式温度和应力测量技术,绝缘强度降低,击穿电压降低,局放起始电压降低,水解作用加速固体材料老化,机械强度降低,较湿的纸板析出气泡,绝缘系统中水分含量非常重要！,水分的作用,8.5,含水量的监测,59,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,(100000 ppm),水在变压器油中的溶解度很,低；在饱和状态，,油中水分小于,50 ppm,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,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,25,MVA:,析出气泡的温度与含水量有关,64,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,Karl Fisher,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,PDC,Karl Fisher,滴定法,Sampling,Uncertainty of KFT,Literature sources,Absorption capacity,Aging,5,8,16,2,15,2,8,9,12,2,19,8,7,5,0,5,10,15,20,25,US,B,C,D,E,F,G,Moisture in oil(ppm),滴定法的不确定性,Round robin tests at oil/paper samples,Widely scattered results,Water content(Oommen curves):2,6-5,2%,true value,1,9%,CIGR Task Force,固体材料水分含量估计,滴定法的结果对比,电容型传感器,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,0,001,0,01,0,1,1,10,0,0001,0,001,0,01,0,1,1,10,100,1000,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,0,1,10,100,1000,1,10,100,1000,10000,时间,(,s,),I,(,(nA),1,低,high,low,油电导率,高,I,dep,I,pol,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,0.1 mHz,2:50,小时,中等受潮变压器及环温适中,1 mHz,22,分钟,受潮变压器或高温环境,0.1 Hz,5 min,足够数据点,73,德国对油中饱和湿度的建议,设备的电压等级,170kV,72.5kV,170kV,20,时，油中饱和湿度,20,25,0,Simoni,Ramu,Montanari,Crine,etc,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,80,90,100,110,120,140,Temperature(),ageing factor,纸板热老化,变压器寿命评估技术,基于固体纸板材料的机械特性,聚合度,(,Degree of Polymerization,DP),抗张强度,(Tensile Strength,TS),基于老化分解产物,CO,、,CO,2,油中糠醛含量,(Furan),油中丙酮含量,(Acetone),基于固体材料含水量,82,White,Black,Red,Yellow,Blue,Green,E*ab,L*,L*,A:Standard colorB:Samples colorA:Standard color of the same lightness as B,CIE 1976,L*a*b*,color space,Color difference(,E*ab,)=,（,L*,）,2,+,（,a*,）,2,+,（,b*,）,2,1/2,L*:lightnessa*&b*:hue&chroma,Color difference,E*ab,shows the degree of deterioration.,绝缘纸板比色法,糠醛、聚合度与剩余寿命估计之间关系,55,温升变压器糠醛含量,DP,估计值,剩余寿命的百分率估计,建议与解释,58,800,100,正常老化速率,130,700,90,292,600,79,654,500,66,加速老化速率,1,464,400,50,1,720,380,46,2,021,360,42,2,374,340,38,过度老化，危险区域,2,789,320,33,3,277,300,29,3,851,280,24,高故障风险,4,524,260,19,5,315,240,13,纸板及变压器绝缘寿命期望终点,6,245,220,7,7,337,200,0,基于糠醛含量的变压器老化评估,更换策略（糠醛含量高）,提高变电站条件，如通风、冷却系统,错开变电站每台变压器负荷范围,85,智能变压器系统的监测项目一览,1,油中气体监测,2,局部放电监测,3,油中微水监测,4,套管绝缘性能监测,5,铁芯接地电流监测,6,绕阻热点温度监测,7,油温及环温监测,8,电压,/,电流监测,9,冷却器运行状态监测,