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.ppt

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28.1概述电力变压器在电力系统中的作用电力系统发电厂发电厂升压变压器升压变压器高压高压输电网输电网降压降压变压器变压器用户用户配电网配电网3一次绕一次绕组组铁心铁心磁通磁通二次二次绕组绕组电力变压器的工作原理N N1 1N N2 2U U1 1U U2 2电力变压器结构1.1.主绝缘主绝缘2.2.箱体箱体3.3.绕组绕组4.4.绝缘座绝缘座5.5.支座支座6.6.套管套管7.7.散热器散热器8.8.围屏围屏9.9.分接开关分接开关电力变压器内部结构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，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点电力变压器外观为为了了使使设设备备的的外外形形尺尺寸寸保保持持在在可可以以接接受受的的水水平平，现现代代变变压压器器相相对对于于以以往往的的设设计计采采用用了了更更为为紧紧凑的绝缘方式。凑的绝缘方式。因因此此在在运运行行中中其其内内部部各各组组件件间间的的绝绝缘缘所所需需承承受的热和电应力水平显著提高。受的热和电应力水平显著提高。同同时时由由于于电电网网规规模模的的增增大大，变变压压器器故故障障所所带带来的影响也越来越大。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)变压器故障统计变压器故障统计故障类型故障类型 (根据根据164 台次故障数据统计台次故障数据统计)1 电气设计电气设计10%2 机械设计机械设计7%3 制造工艺制造工艺13%4 材料品质材料品质17%5 不适当的短路应力不适当的短路应力7%7 不适当维修不适当维修7%8 操作错误操作错误3%9 雷电雷电3%10 未知原因未知原因23%11 其他其他 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变压器故障统计发生故障的部位发生故障的部位(根据根据164 台次故障数据台次故障数据)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统计结论统计结论有相当数量的故障原因不明。有相当数量的故障原因不明。绝大多数故障与绝缘有关。绝大多数故障与绝缘有关。这这一一方方面面反反映映了了调调查查不不充充分分,或或者者缺缺乏乏决决定定性性证证据据,或或缺缺乏乏足足够的知识对故障进行判断。够的知识对故障进行判断。主要故障原因主要故障原因受潮；受潮；短路应力造成的绕组变形；短路应力造成的绕组变形；由由于于检检修修造造成成的的绕绕组组接接头头接接触触不良；不良；铁心多点接地。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绝缘系统变压器油变压器油CnHm固体绝缘固体绝缘纤维素纤维素(C6H10O5)nDPDP值降低值降低C,CO,CO2H2OFurfuralsolid particles油特性的衰退油特性的衰退H2CH4,C2H4C2H6,C2H4,C2H2CO,CO2acidsresin电应力电应力热应力热应力联合应力作用及其影响联合应力作用及其影响目目前前110kV110kV及及以以上上等等级级的的大大型型电电力力变变压压器器仍仍主主要要采采用用油油纸绝缘结构。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。绝缘油同时承担着绝缘介质和冷却媒质两方面的作用。同同人人类类的的血血液液，除除自自身身的的设设计计功功能能外外，还还能能够够通通过过其其性性能的变化，和内涵物的改变反映设备内部绝缘的状况。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：纤维素的降解变压器固体绝缘的老化：纤维素的降解CH2OHOOHOHOHCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOHAcidsCH2OHOOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOHOH (water)纤维素纤维素(C6H10O5)nOCHOHHHHOHHOHCO80 C -300 C+CH2OHOHOHOOHHHHHOHOH+C变压器固体绝缘的老化产物变压器固体绝缘的老化产物糠醛糠醛铜屑齿轮碎片 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。绕组温度绕组温度；铁心接地电流铁心接地电流；油中溶解气体分析（油中溶解气体分析（DGA）；）；局部放电（局部放电（PD）。）。变压器故障的有效检测项目变压器故障的有效检测项目298.3变压器局部放电的在线监测四种典型局部放电形式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。33PD产生电磁波信号的传播机理研究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34PD信号的传播过程的试验结果对比信号的传播过程的试验结果对比3536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 UHF 局放测量局放测量局放测量分析和危害评估的难点：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）?ZL=50?f50?UHF-Measuring UnitTank wall PDSensorUHF 局放测量局放测量(3003000 MHz)U/mV t/ns43500kV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。UHFUHF与与IEC60270IEC60270的相关性的相关性UHF与与IEC60270线性相关线性相关振幅，能量振幅，能量 QIEC相关性因素取决于局放点相关性因素取决于局放点油箱的尺寸油箱的尺寸故障类型故障类型传感器类型传感器类型Amplitude U/mV508.4温度的监测传统方式传统方式：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。优点优点：Pt100，结构简单，操作便捷 缺点缺点：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光纤测温的重要性光纤测温的重要性与传统方法的不与传统方法的不同同在线监测在线监测油温与绕组温度油温与绕组温度不一致不一致冷却系统瞬时控冷却系统瞬时控制制现场维修人员有现场维修人员有效工具效工具热运行试验热运行试验52光纤绕组测温监测光纤绕组测温监测探头：探头：探头：探头：抗高电压、高射频和强磁场干扰抗高电压、高射频和强磁场干扰抗高电压、高射频和强磁场干扰抗高电压、高射频和强磁场干扰光纤绕组测温安装光纤绕组测温安装温度计（传感器端部）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适尺寸的楔形撑条是必须的55光纤绕组测温安装光纤绕组测温安装56设备运行设备运行动态负荷的关系动态负荷的关系HotspotTop OilLoad57绕组分布式温度和应力测量技术1.绝缘强度降低绝缘强度降低击穿电压降低局放起始电压降低2.水解作用加速固体材料老化水解作用加速固体材料老化 机械强度降低 3.较湿的纸板析出气泡较湿的纸板析出气泡 绝缘系统中水分含量非常重要！绝缘系统中水分含量非常重要！水分的作用水分的作用8.5含水量的监测59变压器中水分的来源变压器中水分的来源残留水分p厚绝缘的组成部分可向周围的油释放水分侵入水分p密封薄弱p自由呼吸式缺少干燥剂p内部检查p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主要在固体绝缘系统变压器中水分分配实例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25MVA:析析出出气气泡泡的的温温度度与含水量有关与含水量有关64变压器绝缘的老化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FDSRVM,PDCKarl Fisher滴定法滴定法SamplingUncertainty of KFTLiterature sourcesAbsorption capacity Aging 5,816,215,28,912,219,87,50510152025USBCDEFGMoisture in oil(ppm)滴定法的不确定性Round robin tests at oil/paper samplesWidely scattered resultsWater content(Oommen curves):2,6-5,2%true value 1,9%CIGR Task Force固体材料水分含量估计固体材料水分含量估计滴定法的结果对比滴定法的结果对比电容型传感器电容型传感器电介质响应测量方法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物理性质测量:纸板及绝缘油的导电率界面极化影响因素影响因素: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及频域的方法时域：时域：极化/去极化电流(PDC)频域：频域：频域谱法(FDS)缺点：缺点：低频段水分估计低频段水分估计 测试时间测试时间0,0010,010,11100,0001 0,001 0,010,11101001000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0,1101001000110100100010000 时间(s)I(nA)1低 high low 油电导率高 IdepIpol绝缘几何尺寸 72测量时间的选择测量时间的选择典型情况典型情况: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足够数据点足够数据点 73德国对油中饱和湿度的建议德国对油中饱和湿度的建议设备的电压等级170kV72.5kV170kV20时，油中饱和湿度20250Simoni,Ramu,Montanari,Crine,etc0510152025303540458090100110120140Temperature()ageing factor纸板热老化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、CO2油中糠醛含量(Furan)油中丙酮含量(Acetone)基于固体材料含水量82WhiteBlackRedYellowBlueGreenE*abL*L*A:Standard colorB:Samples colorA:Standard color of the same lightness as BCIE 1976 L*a*b*color spaceColor difference(E*ab)=（L*）2+（a*）2+（b*）21/2L*:lightnessa*&b*:hue&chromaColor 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58800100正常老化速率正常老化速率130700902926007965450066加速老化速率加速老化速率1,464400501,720380462,021360422,37434038过度老化，危过度老化，危险区域险区域2,789320333,277300293,85128024高故障风险高故障风险4,524260195,31524013纸板及变压器纸板及变压器绝缘寿命期望绝缘寿命期望终点终点6,24522077,3372000基于糠醛含量的变压器老化评估基于糠醛含量的变压器老化评估更换策略（糠醛含量高）更换策略（糠醛含量高）提高变电站条件，如通风、冷却系统提高变电站条件，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