油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断.pdf

第 3 9卷 2 0 02 第 1 2 期 年 1 2 月 更 署 F R4肥 FO R 扭 V o l .3 9 D e c e mb e r: : ; : 勘 油 浸 电 力 变 压 器 固 体 绝 缘 老 化 的 诊 断 渔 愉 物 沪 尚 勇， 黄 明， 赵文彬， 产 璋 ( 西安交通大学，陕西 西安 7 1 0 0 4 9 ) 摘要 : 冲析了91体绝缘老化机理、 对变a _9 k中糠醛含量、 溶解气体合量和绝缘纸聚合度等数据进行了统 卜 分析 提出了刘现场运行变压器固体绝缘的老化状态进行判断和评估的方法 关键词: 电力变压器;固体绝缘;老化;糠醛;聚合度 中国分类号: T M8 3 5 . 4文献标识码: B文章编号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 1 2 - 0 0 3 5 - 0 5 1 引言 目前， 我国电网中已经有较多的大型变压器运 行年限接近或超过 3 0 年。出于成本等因素的考虑， 这些变压器仍在继续超期运行， 因而面临的一个共 同问题就是随着固体绝缘老化程度的加深， 绝缘的 机械强度会下降， 将导致变压器绕组抵抗短路大电 流冲击的能力大大降低 从而将降低变压器的运行 可靠性。如何有效地监控固体绝缘老化状况并采取 相应对策， 确保老旧变压器安全、 可靠运行， 已经成 为一个越来越受到重视的问题。 继传统的绝缘纸抗张强度( T S ) 及聚合度( D P ) 作为评价绝缘老化指标之后， 检测油中糠醛含量已 经成为评价固体绝缘老化状态的有效手段。为了判 断固体绝缘的老化状况， 电力设备预防性试验规程田 ( 以下简称“ 规程” ) 中对已有一定运行年限的变压器 油中糠醛含量等的“ 注意值” 作了相关规定。但是， 所依据是实验室中进行加速老化的试验结果， 反映 的主要是绝缘纸整体均匀老化时的情况。现场应用 结果表明， 这些“ 注意值” 规定得可能过于宽松， 不 利于及时反映运行变压器的固体绝缘老化状况， 因 而需要针对运行变压器进行更深人的研究 本文对所收集到的大量运行变压器油中糠醛 含量及部分绝缘纸的聚合度等数据全面、 深人地进 行了 统计分析。在 此基 础上， 综合分析了固 体绝缘 老化机理和老化引起的故障， 提出了对固体绝缘老 化状况进行识别的判据 2 油中糠醛检测的历史与现状 2 0世纪 8 0年代初， B u rt o n等人在分析两台主 变事故原因时， 发现了油中溶解 了以糠醛为主的吠 喃类化合物12 1 。大量的理论分析和实验室研究结果 均表明，变压器油中糠醛的产牛仅仅来自于纤维素 材料的老化分解。利用它来评价固体绝缘的老化状 况有诸多优点， 无需停电采集纸样。 关于油纸绝缘系 统中糠醛的产生机理及其影响因素，已经进行了很 多的实验室研究。 针对现场运行变压器， 也开展了 - 些调查和统计分析。 我国也开发了一套造价低廉、 操 作方便、主要适用于现场进行简易测量的分光光度 法。但总的来说， 就运行变压器而言， 日前利川油中 糠醛含量来评估固体绝缘的老化状况，还缺乏比较 实用和可靠的判据 同时， 还应当研究变压器老化故 障与油中溶解气体之问的关系，尽可能充分地利用 油中溶解气体等各方面提供的信息， 更加全面、 准确 地诊断固体绝缘老化状态。 3 油中 糠醛含量的统 计分布 本文的统计分析是建立在笔者从国内各地收集 到的7 5 6例现场运行变压器的油中糠醛含量的实测 数据基础上。 这些数据大部分是西北、 华北及东北等 地的电力部门对当地运行变压器进行糠醛实测的结 果， 也有部分来自于已发表的科技文章。 若吊芯检查 表明， 变压器的固体绝缘确实存在严重老化问题， 则 其糠醛数据就排除在这次参与统计分析的样本之 外， 这样， 就有利于分析那些固体绝缘老化状况不明 的运行变压器。 并且， 鉴于实测糠醛数据有很大的分 散性， 有必要先进行预处理， 剔除已发生固体绝缘老 化故障的变压器 从已有的经验来看， 本文将对糠醛 数据作常用对数变换。原始数据及其变换数据的统 计描述如表 1 所示。可见， 经过这样变换后， 数据的 分散性大大减小 在统计分析的过程中假定:对于现场正常运行 的电力变压器，其油中糠醛含量的常用对数值符合 万方数据 盈建 第 3 ，卷 表 1油 中呀 醛 数 据 样 本 处 理 前后 的统 计 描 述 统计参 数 原始数据对 数 变换 样 本 例 数5 7 95 7 9 均数 均数 标准差: .: : - 1 . 1 4 9 0 . 0 2 9 中位数 0 . 0 6 4- 1 . 1 9 3 b i; 准 为左0 . 9 5 20 . 7 0 9 4 e 小 a reses 0 . 0 ( 1 1- 3 . 0 0 址 大 值 1 3 . 4 2 1 一 1 . 1 3 0 饭 ) r 1 3 . 3 2 04 . 1 3 0 峰 I , - 一 0 . 2 5 2 不对称度 7 . 5 9 50 . 3 4 1 绷琴贫职书瑙 1008既以0200 住江氏氏佳以 1一一1一一一一一一一飞 一- -T - 7 -t5 进行参数估计， 可得出糠醛含量对数的统讨分布为: lg ( F u r a n ) - N ( 一 1 .2 7 9 , 0 . 5 7 7 2 ) ( 1 ) 式中 F u r a n -表示糠醛含量， m g / L 根据该分布，就能够计算出应当引起注意的糠 醛含量值， 如表2所示。表中 0为标准正态分布函 数， 样本对应值表示取相同的故障率时， f接根据样 本统计得出的数值。 可以看出， 注意值和样本对应值 的差异明显，所以直接以后者作为糠醛含量异常注 意值判断固体绝缘是否老化是不可靠的 如果不考虑其他因素的影响而仅从油中糠醛含 量自身的统计分布出发，计算出表 2中所示 “ 注意 值” 是很有必要的。可以认为， 当油中糠醛含量积聚 到。 . 7 5 m 盯 L 左右时， 变压器的固 体绝缘已 经深度老 化; 如果含量达到2 .8 0 m 酬L 左右， 则认为变压器可 靠性已大大降低， 不适宜继续运行， 绕组必须更换 表 2根 据 分 布 计茸 得 出 的油 中旅 醛 含 f 注 意值 00 05 10 15 5 2:0 2s 3A 3 4.1 老化故障 率 / %沐意值/ . g - L,样本对应值/ m g L l 0 力 0 .2 9 6 (0 .3 0 ) 0 . 6 6 9 5 刀 0 .4 7 2 (0 .5 0 ) 一1 .5 16 2 . 8 5 9 1 - 公2 )0 .7 5 1 (0 .7 5 ) I - 吹3 ) 2 .8 4 1 (2 名 0 )1 3 . 4 2 1 亡，n曰气日倪 压饮压LL 一wewe 毅称一1君 截除值I 限 h n g - I 子 样 本容最%) 于样本 标准差 于 正态 显著性 ，样本均值- o - 最大绝7 .1 偏差 图1 样本统计参数与糠醛含.截除值的关系 正态分布。如果还包含少部分固体绝缘严重老化的 变压器， 将导致油中糠醛含量异常升高， 则其样本 数据集就会偏离正态分布。因此， 可以试探逐步截 除样本中的少数高糠醛含量数据， 直至所剩下的样 本符合正态分布， 从而求得其正态分布参数， 结果 如图 1所示 J 本文采M单 样本K o lm o g o ro v - S m ir n o v 非参 数统 计检验法， 取显著性水平 a = 0 . 0 5 。如果渐近显著性 水平大于a ， 则可以认为样本服从正态分布 对显著 性水平 a的简单阐述如 : 对于命题 H O ， 当其实际 为真时， 若判断的依据仅仅限于一次观溅， 仍有可 能作出拒绝 1 1 0的判断( 即认为 H O为假) ; 为此， 在 进行统计检验时， 希望将犯这种错误的概率限制在 一个较小的范围内。若记 P A 为事件 A发生的概 率、 则希望有: P 拒绝H O / H O为真 a ， 而 a 就是前 文提到的显著性水平。从图 1 可以看出， 随着糠醛 数据截除上限的升高， 正态渐近显著性也逐渐增大 到一个最大值， 然后再下降， 样本偏离正态分布。当 截除上限约为 I .O O m g / L时， 检验的渐近显著性最高 只观察概率与理论概率分布间的最大绝对偏差最 小。因此， 暂且采用截除上限为 1 .0 0 m g / L的样本来 注: 为 方 便 使用 可以用括 号中的取 值作 为“ 理论 注意道 4 影响油中糠醛含量的因素 影响油中糠醛含量的因素众多，但有些因素的 效应是很难准确描述的， 如油纸比例、 绝缘纸和纸板 等的材质及处理工艺等。 另一方面， 对变压器的运行 年限、 电压等级等信息， 则比较容易收集， 且可以通 过统计学的手段来进行定量的分析。本文主要采用 相关分析和方差分析的方法来描述上述确定性因素 对油中糠醛含量的影响， 分析结果见表 3 从表3可以看出，油中糠醛含量与变压器的运 行年限呈显著正相关， 这与现场运行经验相吻合 同 时， 相关分析结果也表明， 油中糠醛含量与变压器的 电压等级和容量呈显著的负相关而与负荷大小星显 著的正相关 有的研究者解释为: 随着电压等级和容 量的增加，变压器在设计、制造及工艺上的要求更 高 ，在现场运行维护等方面也给予了特别的关 注这些正是电压等级高、容量大的电力变压器 表 3彼醛 含 . 与 几 种 影 响 因 素 的相 美 分 析 株醛含最 影 M N 1A币 eraso n Af1 # 厂 丽 蕊 巍 - 万1 * R t- Pe ， n 相 关 系 数 一 检 * 显 * ， 样本 例数 运行年 限 0 . 4 3 3 。 ， ( X K 】4 9 1 电压等 级 - 0 . 1 5 70 . 0 2 32 1 1 设备容量 一0 .0 65 一 1 8 6 负荷水 平0 . 1 5 3。 ， ( 洲 X )5 7 9 万方数据 柔 ! 2熊尚勇、 玺明、 赵文彬、 严璋: 油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断 表 a糠 醛 含 f 与 几 种 因 素 的偏 相 关 分 析 一 ，糠醛含垦 表6 电厂一电站变压器平均已服役年数差异 h . 制 T 场 )彬 响 因 或 均 值俭验显 著 性 偏 科I 关 系 数 爪 一 r. -I .Y1. 1 70 P ft 02291.P.L tL0?MA V 0.002 Y,V,L 1!Z 9,ii1 P -一0.025Y, I ,Y 1A fi 1K K L -0 .1143 检验显 菩性 000 2 0 . 9 7 8 0 . 7 4 3 0 . 5 6 8 样本例数 I 8 3 1 8 3 1 8 3 1 8 3 运 行 年 限 来源 电厂 电A 5 例数 1 3 7 15 4 均数/ 年 1 5 . 7 4 4 5 1 3 . 1 7 1 8 0 0 4 3 表 7油 中 橄醛 平均 含 t 与 运 行 年 限 的 关 系 表 5影 响 旅 醛 含， 几 种 因素 的 协 方 差 分 析 结果 ; s : 1 . 农弓 计 0因缺乏 足够的W 1 A组 合 fu 尤法进行 分析 ; 少* 一 农示R种或两种以1 不同因东的交互作用。 的油中糠醛含量反而较低的原因051 。如果实际情况 果真如此 ，那么在评价变压器固体绝缘老化状况 时， 就必须要考虑这些因素的影响， 具体问题具体 分析 然而. 如果上述因素之间存在交互作用， 则上 i t 结沦的可靠性就将受到影响。为此， 对影响糠醛 浓 度的儿种确定性 因素进行了更为细致 、 深人的偏 相关分析及协方差分析， 如表4及表 5 所示 偏相关分析和协方差分析的显著性水平也都 取为a = 0 .0 5 ,如果表 4的显著性水平大于。 ， 说明 两变量间相关系数为零的假设成立; 而表5中的显 著性水平如果大于a ，则说明不同组间的均值无明 显差别一分析结果表明， 电压等级和容量实际上并 没有显著影响油中糠醛的含量。而负荷率的影响， 还需要更多数据的支持以深人研究 这样就促成一种构想: 如果能够拟合出糠醛含 量( 或其对数等) 与运行年限之间的简单线性方程， 就能够更及时地预测变压器固体绝缘的异常老化， 防止故障的进一步发展。深人分析结果表明， 这种 做法A . 不够可靠的因为数据的分散性太大， 线 t方程的判定系数将很低; 而该线性模型中可能还 应该包括其他的重要影响因素， 如油温、 油中或纸 中的水分及油中氧气含量等。但线性回归分析的结 果R . 示， 电厂升压变的油中糠醛含量与运行年限之 间的相关系数 ( H = 0 .6 2 1 )确实比变电站主变的高 ( H = 0 .2 9 8 ) 。 样本中电厂升压变的平均已服役年数也 显著地高于变电站主变 从表6中可以看出，电厂升压变的平均已服役 年数虽然显著高于电站主变，但其差别也仅有2年 多。 这种现象的后面可能还隐含着更为深刻的原因: 变压器油中糠醛的产生速率在变压器有效运行寿命 的各阶段内是不同的。 也就是说， 固体绝缘的老化不 但在空间上是非整体均匀的 ，同时还是非匀速 的随时间推移到一定程度，这种老化将加速进 行。对样本中运行年份清楚的4 9 1台变压器按年限 划分成不同的组别并作均值统计，结果初步验证了 这种猜想， 如表 7 所示。 根据表7的统计结果，进 一 步作单因素方差分 析及多重比较表明， 1 - 4 组之间及 5 - 6组之间的糠 醛含量均数没有显著差别，而第 7 组与其它各组及 1 - 4组与5 - 6 组之间糠醛含量均有显著差异。 因此， 宜合并相应的年限组别以便于比较。进行非参数检 验发现，合并后不同组别样本的常用对数均分别呈 正态分布， 如表 8 所示。而且根据所得的分布参数. 也 利于汁算出分属各年限组别的运行变压器油中糠 醛含量的异常注意值， 如表9所示 表 8不 同年 限 组 别 样 本 的 正 态 性检 验 及 分 布 参 数 表9 根据理论分布计算所得的糠醛注意值 万方数据 露反# 从表 9可以看出， 在变压器运行寿命的晚期， 油 中糠醛含量的产生速率大为加快。相关的实验室研 究中也发现过相似的现象。考虑到随着运行年限的 增加， 变压器的老化故障率也相应升高， 故根据表 9 中提供的注意值进行判断时，不同的年限组别应当 取小同的老化故障率。此时异常注意值与样本对应 值的差异明显降低，亦说明这种年限组的划分是比 较合理的 表 1 0植 醛 和 聚 合 度 的 相 关 分 析 和线 性 回归 结 果 5 变压器油 中糠醒含 量 与绝缘纸聚 合度的 关系 就日前来说，聚合度仍然是指示绝缘纸寿命的 最为直接 、 有效的指标。基于收集到的样本， 本文对 油中糠醛含量与绝缘纸聚合度进行了相关分析， 并 试探了它们之间的几种 简单线性回归模型 ， 如 表 1 0 听示 加速 老化的试验结果表明 ，糠醛含量 的常用对 数与绝缘 纸的平均聚合度 之间是高度线性相关 的 : x , 虑到本文所搜集到的聚合度样本数量还较少， 故 决定选用模) ? 1 ， 其线性拟 合方程 为二 l g ( F u r u n ) =1 . 0 6 5 - 0 .0 0 2 7 DP (2 ) 基于上述拟合方程，在已知油中糠醛含量的情 况下 就可以对绝缘纸 的老化程度作出大致的估 算。 态;后者说明固体绝缘正在故障的作用 加速老化 分解;而非故障状况正常老化反映的则是变压器在 正常工况下的长期运行。因年久老化以及绝缘纸的 不同处理工艺、不同材质或绝缘系统中较高的纸一 油质量比例等差异而导致油中糠醛含量有较为显著 的升高。如果条件允许，应当尽可能进行聚合度测 试 、 对 固体绝缘的老化状态作进一步证实 7 固体绝缘老化状态诊断应用实例 国内也有不少学者已开展油中糠醛 与变压器固 体绝缘老化之间的关系的研究 一 为了便 J 飞 读者参照， 特从已发表的文献曰 中摘出两例， 作如下分析 【 例 1 )某电厂升压变压器， 投运后 7年测油中 糠醛含量达 1 . 6 3 m g / L 。依图2 的流程， 对比表2 提 供的注意值 ， 已高于总体中 1 - 0 ( 2 ) = 9 7 .7 2 %的运行 变压器。 查表 9可知 ， 它也远远 大于. 1 - 2 0 ” 年限组的 必须说明的是，从统计学的角度来 讲， 这种对聚合度的“ 预测” 尽管缺 乏严格理论依据，但仍宜供现场参 考 、 6 变压器 固体 绝缘老 化状 态 的综合诊断 通过从不同角度对油 中糠醛含 量进行分析 ，可以得出 固体绝缘是 2 老化的初略判据 ，如表 2及表 9 听示但是 ， 有时还需要 了解 导致这 种老化的原因 ， 以采取 不同的对策 利用油中糠醛含量和变压器运行年 数这两个基木信息 ，结合其相对体 积质f比壳n / d 。的比值， 本文提出 J个判断固体绝缘老化状态及其 i$ . N 1 的方法 ， 如 图 2中的流程所示。 根据图 2所示的分类 ，变压器 体绝缘的老化可以归为三种状 态: lF l 体绝缘无明显老化 、 非故障状 况正常老化及故障状况下异常加速 老化 、前者说明处于比较正常的状 图z 判断固体绝缘老化状态及其原因的流程 万方数据 第 1 2欺 尚勇、 董明、 赵文彬、 严璋 油浸电力变压器固体绝缘老化的诊断 lzJ . I 意伯 I 限t 高于该 年限组 中 9 5 以 1 的运行变 压器 ) 。可 以判断 ， 变仄 器内部 存存涉 及同体 绝缘 的故 障。但 当时 没有 引起 足够 的重 视. 术 经 处理继续 运行。 4年后 . 在止 A 运 行时 出现事故 。 后经检 查. 父 现 hi l t 换位 导线统 包绝 缘膨 胀 ， 堵基 油道 ， 使 纸绝 缘 老化并逐 渐 ask i+d . 井最终造 成了u 1o l 短路 I 例 2 某电站变压器。 已运行 3 5年， 测油中糠醛 含量为2 .0 4 m g / L , 同时， 溶解气体分析测得: d 。 二 1 2 6 时/ L 1K d ,= 2 6 3 9 5 W L / L 一按图2 的流程， 查表 2可知、 该糠醛浓度值非常靠近正态分布的3 二分界 点. 已经明W异常进 一 步对照表9 ， 发现其恰好落 在 3 0 年限组的注意值上， 也就是说此值人于该 组内约 8 0 %的运行变压器，还不认为其超过注意 值此时计算d矿d c o 的比值( 3 ) , 最终结论为: 非 故障状况正A 老化。根据式( 2 ) ， 绝缘纸的平均聚合 度估计2 8 0 0 后曾吊芯进行了绝缘纸的聚合度测试， 3个部位的平均聚合度为2 1 2 ， 这也接近估计值 本文提出了适用于分析变压器糠醛数据的统计 方法， 研究了油中糠醛和溶解气体的关系 通过对现 场实测数据的统计分析及固体绝缘老化机理的探 讨，提出了利用油中糠醛含量并结合油中溶解的 c o , C o ; 及绝缘纸的平均聚合度来评价运行变压器 固体绝缘老化状态的判据和综合评估方法 1 实例分 析结果表明， 这A判据和方法比较符台现场实际1h 况 参考文献: D L / T 5 9 6 - 1 9 9 6 电力设备预防性试验规ifs B u rt o n P J . R e p e n t d e v e lo p m e n t b y C E G B t o im p r o v e t h e P r e d ic ti o n a n d m o n i to r in g 。 t n m s f o n n e r P e r f o r - m a n c e C . P a r i s : 1 9 8 4 钱政. 大型电力变压器绝缘故障诊断中人工智能技术 的应用研究D ， 西安; 西安交通大学. 2 0 0 0 . 8 结论 D i a g n o s i s o f S o l id I n s u l a t i o n A g e i n g i n Oi l - I mme r s e d P o we r T r a n s f o r me r s S H A N G Y o n g , D O N G Mi n g , Z H A 口 We n - b i n g , Y A N Z h a n g ( X i a n ,J i a o t o n g U n i v e r s i ty , X i a n 7 1 0 0 4 9 , C h i n a ) A b s t r a c t , T h e a g e in g p r in c i p l e o f t h e s o l i d i n s u l a t i o n i s a n a l y z e d . T h e d a t a f o r t h e c o n t e n t s o f fu r f u r o l a n d d i s s o l v e d g a s e s i n t r a n s f o r m e r o i l a n d t h e p o l y m e r i z a t i o n d e g r e e o f i n s u la t io n p a p e r e r e s t a t i s t ic a l l y a n a l y z e d . T h e m e t h o d t o d e t e r m i n e a n d e v a l u a t e t h e a g e i n g s i t u a t io n o f t h e s o l i d in s u l a t i o n i n a n o p e r a t i n g t r a n s f o r m e r i s g i v e n Ke y w o r d s : P o w e r t r a n s f o r m e r ; S o l i d i n s u l a t i o n ; A g e i n g ; F u rf u r o l ; P o l y m e r i z a t i o n d e g r e e 收 稿 日期 ; 2 0 0 1 一 上 1 - Z 1 作者简介: 尚勇( 1 9 7 3 -) . 男 四川大邑人 西安交通人学电气工程学院博士生，研究方向为电气绝缘在线监测及其智能化 龟 明( 1 9 7 7 -) ， 男 陕西西安人， 西安交通大学电气工程学院博士生， 研究力向为电气绝缘在线监测及其智能化 赵文彬( 1 9 7 7 -)男. 内蒙古呼和浩特人， 西安交通大学电气工程学院硕十生， 研究方向为电气绝缘在线监测及 其智能化; 严璋( 1 9 3 4 -) , 男， 上海人. 西安交通大学电气土程学院教授博导， 研究方向为电力设备在线监测与状态维修 子从 w _ _ 4 = _ 4 _ 4求1 - 求- 5= - 4 _ 1 L _ 14L 来 从从 从书 从从 从从 = - L = - 4 G - 4 L 从从 从从 S WL 从 从未 来- k. 书仁 书本刊再次被评为辽宁省一级期刊卡 月仁 I2 。 。 工 羊 度 1 宁 省 期 刊 评 审 定 级 工 作已 经 结 束 ( 每两 年 进 行一 次 ) 。 在 本 年 度 期 刊 评 宙 定仁 级中， 省委宣传部、 省科技厅、 省新闻出版局组织专家和有关方面人员依据相关期刊标准， ， 全省所有期刊进行了评事定级。本刊从众多期刊中脱颖而出， 再次被评为辽宁省一级期刊 T T ? T T T 7 T T S ; 宁 ; 宁 冲 7 5 t 5 T Y T T T Y T t T T 7 T 才 T t T S- T Y T T S- T T T S T Y 7 T T T t T t T f T i T t T t - 子 万方数据