电力变压器状态监测和故障诊断研究综述

电力变压器状态监测和故障诊断研究综述

尹照新

广东电网公司东莞供电局广东东莞523400

摘要：文章介绍了电力变压器的常见缺陷和故障，并分析了这些故障对变压器的危害，并对消除故障的方法进行了归纳总结，此外还分析了变压器常用的在线监测技术，具有一定的工程实用价值。

关键词：变压器、故障、监测、诊断

1引言

电力变压器是电力系统重要的变电设备，其运行状态直接影响系统的安全性，随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电网容量加大和覆盖面增广，它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。

一直以来，电力运行人员对电力变压器采用定期检修方式来保证电力变压器的安全运行。定期检修在理论上存在一定的不合理性，它是一种盲目性的检修方式，主要以预防性试验为主，虽然这种检修方式相对于故障检修方式有很大的进步。但是，定期检修并没有考虑到电力设备的初始状态量变化情况，导致电力设备出现“该修没修"的严重后果。

本文主要研究了电力变压器的状态监测和故障诊断方法，分析了变压器常见故障，以及它们的表现特征，并进行故障分类和总结。然后采用常用的基于变压器油中溶解气体分析方法对变压器内部故障进行诊断分析。

2电力变压器的状态监测和故障诊断

电力变压器担负着电能的传输、分配及电压的变换等多种功能，为电力部门提供服务，是电力系统的最关键的电力设备之一。电力系统的可靠、安全、经济、优质运行的重要保证是变压器处于正常运行。

根据声音、温度及其它现象，对变压器进行直观观察，是运行人员做出的初步判断。在实际诊断过程中准确的故障诊断需要多来源信息的支持即对诊断的要求越高，越需要各方面更全面的信息。同时离线与在线，时间与空间上存在的差异以及不同试验对不同故障的灵敏度各不相同，使变压器的故障诊断信息表现出多层次性。所以只有从多方面获得关于同一对象的多维信息，并加以融合处理，才能对设备进行更可靠更准确的监测与诊断。

现有的预防性试验方法不能有效地发现变压器在运行条件下的内部潜伏性故障，而通过气体继电器又不能知道气体组分及每种组分的含量，还往往给出一种假相，不能真正反映出现的故障。实测和研究表明，采用油中溶解气体的气相色谱法，根据变压器的内部析出的气体可以分析变压器的潜伏性故障，特别是对过热性、电弧性和绝缘破坏性故障等，不管故障发生在变压器的什么部位，都能很好的反映出来。油中溶解气体分析法是目前检测变压器内部故障的常用方法，是监督与保障设备安全运行的一个重要手段。

2.1变压器运行中有故障的特征

1．声音异常

变压器在正常运行中会发出轻微的、均匀的、连续的“嗡嗡”声，这是运行中电气设备的一种固有特性。若产生的声音不均匀或有特殊的响声，则应视为异常现象。有下列情况：

(1)变压器声音比平时增大，但均匀，则异常原因可能为电网发生过电压或变压器过负荷。

(2)变压器有杂音，则异常原因可能为内部夹件或压紧铁芯的螺钉松动。

(3)变压器有放电声，则异常原因可能为变压器内部发生故障。

(4)变压器有水沸腾声，则异常原因可能为绕组发生短路故障或分接开关因接触不良引起严重过热。

2．油温异常

运行中变压器的铁损和铜损转化为热量，若在同样条件下，变压器上层油温比平时高出10℃以上，或负载不变而温度不断上升(冷却装置运行正常)，则为温度出现异常。

异常的原因有：

(1)变压器内部有故障如绕组匝间或层间短路，绕组对周围放电，内部引线接头发热及铁芯多点接地等。

(2)冷却装置不正常。如潜油泵停运，风扇，散热器损坏等。

3．油位异常

变压器运行中温度的变化会使油体积发生变化，从而引起油位的上下移动。常见的油位异常有：

(1)假油位假油位指的是当变压器温度变化正常时，变压器油表管内的油位变化不正常或不变。产生的原因是：(a)油标管堵塞(b)油枕呼吸器堵塞(c)防爆管通气孔堵塞(d)变压器油枕内存在一定量的空气。

(2)油面过低。产生的原因有：(a)变压器严重渗漏油(b)工作人员放油后，因疏忽，未作充分补充(c)气温过低且油量不足。

4．外表异常

(1)防爆管、防爆膜破裂，原因可能是内部故障引起。

(2)套管闪络放电，原因可能有：(a)套管表面过脏(b)套管制作工艺不良(c)系统出现内部过电压或雷电冲击过电压。

(3)油渗透主要原因是油箱与零部件连接处密封不良，焊接或铸件存在缺陷，运行中额外重荷或受到振动等。

2.2见故障及其诊断措施

1变压器渗油

变压器渗漏油不仅会给电力企业带来较大的经济损失、环境污染，还会影响变压器的安全运行，可能造成不必要的停运甚至变压器的损毁事故，给电力客户带来生产上的损失和生活上的不便。因此，有必要解决变压器渗漏油问题。

油箱焊缝渗油。对于平面接缝处渗油可直接进行焊接，对于拐角及加强筋连接处渗油则往往渗漏点查找不准，或补焊后由于内应力的原因再次渗漏。对于这样的渗点可加用铁板进行补焊，两面连接处，可将铁板裁成纺锤状进行补焊；三面连接处可根据实际位置将铁板裁成三角形进行补焊；该法也适用于套管电流互感器二次引线盒拐角焊缝渗漏焊接。

高压套管升高座或进人孔法兰渗油。这些部位主要是由于胶垫安装不合适，运行中可对法兰进行施胶密封。封堵前用堵漏胶将法兰之间缝隙堵好，待堵漏胶完全固化后，退出一个法兰紧固螺丝，将施胶枪嘴拧入该螺丝孔，然后用高压将密封胶注入法兰间隙，直至各法兰螺丝帽有胶挤出为止。

低压侧套管渗漏。其原因是受母线拉伸和低压侧引线引出偏短，胶珠压在螺纹上。受母线拉伸时，可按规定对母线用伸缩节连接；如引线偏短，可重新调整引线引出长度；对调整引线有困难的，可在安装胶珠的各密封面加密封胶；为增大压紧力可将瓷质压帽换成铜质压帽。

防爆管渗油。防爆管是变压器内部发生故障导致变压器内部压力过大，避免变压器油箱破裂的安全措施。但防爆管的玻璃膜在变压器运行中由于振动容易破裂，又无法及时更换玻璃，潮气因此进入油箱，使绝缘油受潮，绝缘水平降低，危及设备的安全。为此，把防爆管拆除，改装压力释放阀即可。

2铁心多点接地

变压器铁心有且只能有一点接地，出现两点及以上的接地，为多点接地。变压器铁心多点接地运行将导致铁心出现故障，危及变压器的安全运行，应及时进行处理。

直流电流冲击法。拆除变压器铁心接地线，在变压器铁心与油箱之间加直流电压进行短时大电流冲击，冲击3～5次，常能烧掉铁心的多余接地点，起到很好的消除铁心多点接地的效果。

开箱检查。对安装后未将箱盖上定位销翻转或除去造成多点接地的，应将定位销翻转过来或除掉。

夹件垫脚与铁轭间的绝缘纸板脱落或破损者，应按绝缘规范要求，更换一定厚度的新纸板。

因夹件肢板距铁心太近，使翘起的叠片与其相碰，则应调整夹件肢板和扳直翘起的叠片，使两者间距离符合绝缘间隙标准。

清除油中的金属异物、金属颗粒及杂质，清除油箱各部的油泥，有条件则对变压器油进行真空干燥处理，清除水分。

3接头过热

载流接头是变压器本身及其联系电网的重要组成部分，接头连接不好，将引起发热甚至烧断，严重影响变压器的正常运行和电网的安全供电。因此，接头过热问题一定要及时解决。

铜铝连接。变压器的引出端头都是铜制的，在屋外和潮湿的场所中，不能将铝导体用螺栓与铜端头连接。当铜与铝的接触面间渗入含有溶解盐的水分，即电解液时，在电耦的作用下，会产生电解反应，铝被强烈电腐蚀。结果，触头很快遭到破坏，以致发热甚至可能造成重大事故。为了预防这种现象，在上述装置中需要将铝导体与铜导体连接时，采用一头为铝，另一头为铜的特殊过渡触头。

普通连接。普通连接在变压器上是相当多的，它们都是过热的重点部位，对平面接头，对接面加工成平面，清除平面上的杂质，最好均匀地涂上导电膏，确保连接良好。

油浸电容式套管过热。处理的办法可以用定位套固定方式的发热套管，先拆开将军帽，若将军帽、引线接头丝扣有烧损，应用牙攻进行修理，确保丝扣配合良好，然后在定位套和将军帽之间垫一个和定位套截面大小一致、厚度适宜的薄垫片，重新安装将军帽，使将军帽在拧紧情况下，正好可以固定在套管顶部法兰上。

引线接头和将军帽丝扣公差配合应良好，否则应予以更换，以确保在拧紧的情况下，丝扣之间有足够的压力，减小接触电阻。

3变压器在线监测技术

变压器在线监测的目的，就是通过对变压器特征信号的采集和分析，判别出变压器的状态，以期检测出变压器的初期故障，并监测故障状态的发展趋势。目前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方法。

1油中溶解性气体分析技术

由于变压器内部不同的故障会产生不同的气体，因此通过分析油中气体的成分、含量、产气率和相对百分比，就可达到对变压器绝缘诊断的目的。几种典型的油中溶解气体，如H2、CO、CH4、C2H6、C2H4和C2H2，常被用作分析的特征气体。在检测出各气体成分及含量后，用特征气体法或比值法等方法判断变压器的内部故障。

2局部放电在线监测技术

变压器在内部出现故障或运行条件恶劣时，会由于局部场强过高而产生局部放电（PD）。PD水平及其增长速率的明显变化，能够指示变压器内部正在发生的变化或反映绝缘中由于某些缺陷状态而产生的固体绝缘的空洞、金属粒子和气泡等。

3振动分析法

振动分析法就是一种广泛用于监测这种变压器故障的有效方法。通过对变压器振动信号的监测和分析，从而达到对变压器状态监测的目的。

4红外测温技术

红外热像技术是利用红外探测器接受被测目标的红外辐射信号，经放大处理，转换成标准视频信号，然后通过电视屏或监视器显示红外热像图。当变压器引线接触不良、过负荷运行等情况时都会引起导电回路局部过热，铁芯多点接地也会引起铁芯过热。

5频率响应分析法

频率响应分析法是一种用于判断变压器绕组或引线结构是否偏移的有效方法。绕组机械位移会产生细微的电感或电容的改变，而频率响应法正是通过测量这种细微的改变来达到监测变压器绕组状态的目的。

6绕组温度指示

绕组温度指示器就是用于监测变压器绕组的温度，给出越限报警，并在需要时启动保护跳闸。目前已开发出一种用于大型变压器绕组温度监测的新技术，即将一条光纤嵌入变压器绕组以便直接测量绕组的实时温度，从而改进变压器的预测建模技术，并达到实时监测变压器绕组温度状态的目的。

7其他状态监测方法

低压脉冲响应测试（LowVoltageImpulseResponse，LVIR）也是一种有效的变压器状态监测测方法，并且已经是一种用于确定变压器是否能通过短路试验的公认方法。此外，绕组间的漏感测试、油的相对湿度测试、绝缘电阻测试等也是变压器状态监测的常用方法。

电力工业主要采用充油式变压器，国内外对于变压器的状态监测，多采用局部放电监测、超声定位、绝缘油色谱分析等技术检测内部放电和绝缘状况，以及用红外技术检测接头过热等缺陷。对于变压器的高压套管，通常采用介质损耗因数的数字化在线测量技术。对于故障较多的有载调压开关，采用有载故障在线诊断装置，测量触点磨损及机械和电气回路等。除此之外油温、线匝绕组温度、负载电流及电压、冷却泵、风扇运行等参数也在监测之列。

常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。

油中溶解气体组分含量的分析，首先依据溶解平衡原理，采用各种不同原理的脱气方法，如：真空、渗透膜、气体洗脱等，将油中气体脱出，再用分离柱进行分离，再经检测器检测，或用各种原理的传感器对不同组分的气体进行检测，最后依据国内外通用的组分比值法或多维图视法，结合电气试验和离线定期试验结果，综合分析诊断出潜伏性故障。

4状态监测和故障诊断技术存在的问题

状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势，但在目前情况下，尚存在很多不足和问题需要解决：

1受技术条件限制，目前发展较成熟的仅有局部放电定位仪和部分组分含量的在线色谱仪，而其他反映设备状态的项目尚无成熟监测。因此，在故障诊断中，很多需采集的信息还必须依赖于离线检测。

2早期故障的监测信号极弱，设备运行现场均有较强的磁场和电场干扰，信噪比很低，给状态监测带来困难。

3现行规程中没有状态监测的技术要求和指标，使故障诊断时缺乏科学的判据。

5结语

综上所述，变压器状态监测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，减免不必要的维修干扰，降低运行成本，是保障电力设备安全经济运行的有力措施。然而，该技术毕竟为新兴的多学科高新技术，其发展和实施还存在许多困难，距离替代预防性定期检修还有较长历程。所以对该技术既要积极开发推广，也要避免盲从。

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