电力变压器故障分析与在线监测

贾红玉

摘要：随着国民经济和电力系统的发展，对电力系统安全可靠运行的要求不断提高，电力系统在线状态监测已经成为重要的科学研究和工程应用方向。

关键词：电力变压器；在线监测；故障分析

引言

电力变压器是电网运行中的重要设备，是电力系统的枢纽环节，负担着电网的升压、降压和电压调节等重任，变压器能否安全正常运行直接关系到电网供电的可靠性与安全性。做到早发现，早处理，可以避免事故和排除故障，提高经济效益和社会效益。随着电子技术，计算机技术，光电技术，信号处理技术和各种传感器技术的发展，可以对电力设备进行在线的检测，及时的取得各种信息，对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小和发展趋势，可对设备的可靠性随时做出判断和对设备的使用寿命做出预测，从而及时的发现潜在的故障，必要时提供预警和规定的操纵。本课题的意义在于通过对变压器的监测与故障诊断，为实现状态检修提供理论依据。

1变压器的工作原理

电力变压器是一个静止的电器，它是由绕在同一个铁心上的两个或以上的绕组组成的，绕组之间通过交变的磁通相互联系着，它的功能是把一种等级的电压与电流变成同频率的另一种等级的电压与电流。

变压器的工作原理是建立在电磁感应的基础上，因此它的结构原则是：两个相互绝缘的线圈套在同一个铁心上。线圈之间只有磁的耦合，没有电的直接联系。当在变压器的原变绕组接到交流电源时，在外施电压的作用下，原变绕组中有交流电流流过，并在铁心中产生交变的磁通。该交变磁通交链原、副边绕组便在原、副边绕组内感应出电动势，在副边绕组接上负载后，便能向负载供电，从而实现能量的传递。

在不计漏磁通的情况下，设两绕组的匝数分别是N1、N2，感应电动势分别为e1、e2，可以得到：e1/e2=N1/N2

只要适当改变绕组的匝数，就可以改变原、副变电动势之比，这就是变压器的基本工作原理。

2变压器常见故障及故障分析

2.1变压器故障特点

电力变压器是重要的供电设备，尽管制造过程有严格质量标准与控制，制造工艺和经验都已较成熟，但仍存在一定的年故障率，且故障率大小与变压器容量和结构有关系。

（1）变压器的故障率随着额定电压的增高而增加。无论从全国，还是区域电网的统计数据可以看到，220KV及以上变压器其故障率达到百台年几次，而配电变压器则在千分之几的数量级，35－110KV变压器的故障率则在这两者之间，其原因是变压器故障主要是绝缘问题，而电压等级愈高，相应的绝缘材料、绝缘工艺等要求也愈多，其过电压的欲度较小，因而总的来说，绝缘引起的故障明显增加。

（2）变压器的故障率随着变压器的容量的增加，其故障率在增大。容量显著增大后，其结构变得较复杂，变压器的散热问题，过载问题也变得突出，变压器的组件、部件相应增加许多，如冷却器系统等，这些原因均使变压器故障的机会增加。

2.2变压器故障类型

油浸电力变压器故障常被分为内部故障和外部故障两种。内部故障为变压器油箱内发生各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发生相间短路、绕组线匝之间发生匝间短路、绕组或引出线外壳发生接故障等。外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生接地（外壳)短路，引出线之间发生相间故障等而引起变压器内部故障或绕组变形等。

2.3变压器故障原因

致使变压器发生故障的原因很多，总的来说可以归结为以下这些原因：

⑴设计制造方面：设计上的缺陷：为了节省成本，制造时采用了低质量的材料（如低质量纸板，硅钢片等）；制造工艺不过关，致使线圈受潮、铁心损耗大等；质量把关不严等。

⑵运行维护方面：变压器受潮(不能定期更换干燥的硅胶，安全气道的玻璃密封不严，油枕中积水等);潜油泵检查维护不及时，使铜末混入油中进入变压器，并产生负压区吸入空气;绝缘油老化;过负荷;接线错误;与外部导体连接处松动、发热(螺丝松动等);对各种附件、继电器等维护、检查不当(分接开关接触不到位)。

⑶正常老化及突发事故：绝缘材料正常老化；异常过电压影响、外部短路引起故障；自然灾害及外界因素影响等。

⑷选用规格不当：变压器绝缘等级选择错误;所选电压等级、电压分接头不当等。

⑸出厂试验不全、不严。

⑹异常电压。

⑺长期自然老化。

⑻自然灾害及外界物件的影响。

⑼存在绝缘薄弱点(引线出头绝缘薄弱)。

⑽磁路系统故障(铁芯二点接地)。

⑾套管中混油。

⑿有载分接开关向本体渗油

3电力变压器在线监测技术

3.1变压器油色谱在线监测

大量的运行经验和试验研究证明，对运行中的变压器绝缘油和有机绝缘材料在放电和过热作用下,会逐渐老化和分解,产生少量氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等气体,并大量溶解在油中。对判断充油电气设备内部故障有价值的气体是氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳，称之为特征气体，而把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和称为烃类气体的总和或总烃。这些特征气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此,分析溶解于油中的气体,就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障并可随时监视故障的发展状况。变压器油色谱在线监测系统由油气分离,气体监测,数据处理,判断控制等环节组成。

3.2局部放电在线监测

局部放电的测试都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电的过程，除伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生声波、发光、发热以及出现新的生成物等，所以目前出现的检测技术均是围绕着这些表征特征进行检测。主要有超声检测法、光测法、电脉冲法、色相色谱法、超射频检测法、红外热像法。

3.3变压器绕组变形监测

有关变压器的故障分析表明，绕组是发生故障较多的部件之一。变压器绕组变形是指在机械力或电动力的作用下，绕组的尺寸或形状发生了不可逆转的变化，造成变压器绕组变形的原因主要是：①变压器绕组承受不住其运行中遭受的各种短路故障的冲击，尤其是变压器出口或近距离短路故障引起的巨大冲击；②变压器在运输和安装过程中发生的意外碰撞。

对于已经发生绕组变形的变压器，用目前的常规试验方法如频响分析法、短路阻抗法等可以发现问题，其主要方法是在现场采取吊罩检查的方法，通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法，测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法，测量变压器频率响应并比较其变化的频响分析法。这些方法需要变压器退出运行，即离线检测方法，不能在线监测变压器绕组状况以便及时发现故障。

基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，近年来，通过在线检测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术逐渐得到重视。低压脉冲法和频响分析法都需在变压器绕组的一端施加与运行电压相异的激励信号，实施相对复杂，并且脉冲法重复性较差。短路电抗法在线监测过程中无需额外施加激励量，因而很受重视。

结束语

电力变压器是电力系统的枢纽环节，负担着电网的升压、降压和电压调节等重任，变压器能否安全正常运行直接关系到电网供电的可靠性与安全性。大型油浸电力变压器是电力系统最容易发生事故的设备之一，保证它们的可靠运行，对提高电力系统的供电可靠性具有十分重要的意义。

参考文献:

1.李永刚，李俊卿，孙丽玲编著.《电机学》.保定：华北电力大学出版社，2008

2.李书硕，金鑫，戴舒.变压器局部放电在线监测综述，2007

3.杨帆.变压器在线监测与故障诊断的研究.2008