在线监测及红外诊断在变压器故障分析中的应用

在线监测及红外诊断在变压器故障分析中的应用

摘要
随着电力建设的大力发展，电网容量和电压等级也随之增长，而作为电网中输变电的重要设备变压器，从设计到制作都发生了较大的变化。本文对目前大型变压器的制作和发展进行了介绍，以及运行中变压器出现故障的分析，同时结合相关的知识，提出了大型变压器在运行中利用油色谱在线监测以及红外成像技术进行故障诊断的综合措施。

关键词：变压器 在线监测 红外成像 故障诊断
Abstrct：With the development of the construct of electric power, followed the capacity and voltage rank of the system are increasing, the design and produce of the transformer have changed very largely. Combine with the relative knowledge, this paper have introduced the produce and development of the large transformer, it put forward the integrate measures to diagnostic the failure of the transformer by using on-line system and infrared-photo.
Keyword: Transformer On-line system Infrared-photo Failure-diagnostic

1引言
随着国民经济的不断增长，我国的电力行业近几年得到迅猛发展，仅广东省的用电需求量同比2000年增加了一倍多，而目前广东省总的装机容量不足40000 MW，还从三峡、云贵地区输入近8000 MW的电力容量，但仍存在近7000 MW的空缺，特别是夏季缺电高峰期拉闸限电时有发生，严重影响了国民经济的持续发展和人民生活的繁荣稳定。预计到2020年，广东省装机容量还要净增80000 MW，到时整个电网的容量和电压等级将会大幅提升。目前国内已经形成了以500 kV超高压线路为主干的电力传输网络，一些电力发达地区已经开始采用750 kV和1000 kV以上等级的特高压线路，作为输变电的重要设备—变压器的安全运行就显得非常的重要，它将直接影响到整个电力事业的发展方向和电力建设的前途。

2大型变压器发展介绍
目前我国变压器企业数量较多，而有能力生产500 kV及以上电压等级的企业却屈指可数，传统国营企业象西变、保变、新疆特变（已收购了沈变）等，同时还有外资企业如东芝、ABB、西门子公司等，一些民营企业得到迅猛发展也逐渐走进这个市场。

2.1变压器的容量和体积
变压器的电压等级往往随着容量的增加而增加，然而一个比较严重的问题就是其体积和重量也随之增加，不但在设计和制造时困难较大，最主要的是运输受到限制。在我国，由于内陆较多，传统运输主要依靠公路和铁路，一般公路运输受桥梁承重和隧道高度的限制，而铁路运输主要受高度限制，象秦岭段铁路就要求货物限高不超过4.5 m，这刚好是360 MVA左右变压器的极限高度，这就影响到了变压器容量和重量的增加。此外，在高海拔、污秽以及覆冰地区由于外绝缘相对偏低，需要加强绝缘以提高其电压等级，所以其电力发展也受到一定的限制。对于三相变压器而言，由于其同比投资要低于三台单相变压器，在条件满足的情况下，厂家还是主张采用三相变压器。目前，一些工艺相对比较先进的企业象ABB之类公司已经能够生产700 MVA/500 kV的紧凑型变压器，并已成功运输和安装到一些偏远山区。然而对于更大容量和电压等级的变压器目前还多采用单相变压器为主，在一些大型工程中特别是水电行业，已经采用了1000 MVA/1000 kV的单相自耦且中性点有载调压的变压器。

2.2变压器的结构与制造工艺
变压器在设计中不光要考虑其绝缘强度，同时还要考虑到整个绕组的电位分布、循环油路、散热条件、整体密封性等，所以对于大容量、超高压、特高压变压器来说，其结构要求越简单越好，不但是内部电气部分的布局，还应该包括对器身、附件等设计的考虑。
以常州东芝500 kV变压器为例，如图1所示：

图1 500 kV三相变压器立体结构 Fig 1 The solid structure of 500 kV Three-phase Transformer

其主体仍然采用三相五柱式结构，它的铁芯结构采用框架夹持，上部铁轭是在整体成形后再叠上，夹件选材比较合理，铁芯柱采用高强度的环氧树脂绑带加固，铁芯上、下层各有一条油道，整个结构非常紧凑。东芝公司在考虑到变压器运输和安装的前提下采用现场不吊芯的整体封装结构，使得运输和安装过程中少了很多程序，不但可以防潮，防止异物进入本体，还有效的防止因箱沿处密封老化而引起的渗漏油。
厂家还会根据用户的需要设计相应的设备，尤其是对于某些发达地区土地和空间资源相对匮乏，要求器身乃至附件都必须满足紧凑型，有些地方还采用了独特的高层立体布置的散热装置，极大限度的节约了变压器安装空间。

2.3变压器故障分析
从国内变压器运行的故障统计表明，主要表现在以下五个方面[1]：
⑴ 抗短路能力不足。由于器身结构相对紧缩，变压器的容量裕度相对较小，所以抵抗大电流的能力较弱，往往需要采用单独的电抗器进行补偿。特别是紧凑型变压器其过负荷能力较低，较低的超负荷都可能导致变压器过热而引起保护动作。
⑵ 绝缘故障。由于绕组结构紧缩，其相间和匝间距离减少，绝缘相对减弱，局部发热现象比较严重，特别是存在局部缺陷时内绝缘就显得比较脆弱，其耐受陡波和过电压冲击的能力下降。而外绝缘主要影响因素有污秽、海拔和潮湿天气，这是发生外绝缘闪络的主要原因，一般干燥天气下外绝缘强度是很高的。
⑶ 附件质量（套管、分接开关、冷却器等）。目前根据统计，变压器套管出现问题的数量在增加，原因有：套管本身的绝缘缺陷、引线接触不良发热、运输安装中的机械损伤等。
⑷ 非电量保护误动和拒动。
⑸ 安装、检修、运行维护中存在的问题，其中包括生产厂家产品严重质量问题；局部过热、振动、噪声较大、色谱不良、介损增大、渗漏油等。

根据变压器运行经验，总结出六点运行中异常的判断方法：
⑴ 外观异常。套管出现闪络放电、器身表面出现渗漏油、油位表和油流计指示不到等。
⑵ 颜色、气味异 常。套管连接端部发热氧化而颜色发暗、放电产生臭氧气味、密封不严或玻璃罩破损造成呼吸器硅胶变色、过热或放电使得气体继电器内有气体等。
⑶ 声音异常。由于出现过电压或过负荷使得交流声增大、出现杂声和放电声、油温和油位急剧上升使得变压器出现沸腾声、内部被击穿而出现的爆裂声。
⑷ 温度异常。变压器运行中需要监视其上层油温，不允许超过温升最大值，当处于同一条件下，变压器的温度比平常高出10℃，或者负荷不变情况下，温度持续上升则可判断变压器内部异常，其大致原因有：内部发热故障、散热器阀门堵塞、冷却器故障、变压器严重缺油。
⑸ 油位异常。运行中油位计损坏，浮子或胶囊破裂出现假油位、变压器严重渗漏或多次检修放油后没有补充，或者环境温度较低，油枕容积偏小等会导致油面过低。
⑹ 负载异常。正常过载控制在规定范围内对变压器危害较小，而事故过载将严重减少变压器寿命，在下列情况下不允许变压器过载运行：持续处于满载运行的变压器；变压器冷却系统不正常；发生严重渗漏油、内部存在异常或缺陷。