变压器故障检测技术

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

自学考试

毕业设计（论文）

题目：变压器故障检测技术

学生姓名： 邓雅晶 学 号： 922311100186 班 级: 10（下）电力 专 业： 电力系统自动化 指导教师：

2010 年 05 月

变压器故障检测技术

变压器故障检测技术

摘 要

当今世界，无论是发达国家还是发展中国家，变压器都存在安全、环保方面的问题，成为制约电力工业可持续发展的因素，引起全行业密切关注。

去年夏天，国内先后有19个城市出现了限电或拉电的情况，国外美、加8月14日停电事件导致数10万人陷入黑暗，美国仅一天停电损失达300亿美元，加拿大安大略省损失50亿加元。随后，英国伦敦发生大面积停电事件。持续不断地停电既影响了人们正常的工作生活，同时又影响了人们的生活质量。人们在关注电力网的时候可能尚未意识到配电网中终端设备配电变压器存在的安全隐患与环保问题。迎峰度夏期间，因设备包括配变在内的故障造成了许多电力用户停电，对社会稳定和人民群众的生活带来了一定影响，变压器故障是导致抢修频繁的一个重要原因。

本论文针对变压器的故障检测问题做出了一系列分析。

关键词：变压器；故障；电力

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变压器故障检测技术

Transformer fault detection technology

ABSTRACT

Today's world, whether developed or developing countries, thetransformers are safety, environmental issues, sustainable development of the electric power industry factors, causingindustry-wide pay close attention to.

Last summer, the country has 19 cities in the limited power or pull power abroad, United States, Canada, August 14 power outage led to a number of 10 million people into darkness, the United States just one day outage cost up to $ 30 billion, Ontario, Canada loss of 50 billion dollars. Subsequently, the United Kingdom in London in the event of blackouts. Continuous power outage only affects people's normal working life, but also affectpeople's quality of life. People concerned about the power gridmay not yet be aware of safety hazards and environmental issueswith the terminal equipment distribution transformers in the grid.During the summer peaks, many electricity users due to equipment failure, including the distribution transformer causedpower outages, some impact on social stability and people's living. For example, August 17 Telegraph repairs, repair,re-repair \"as the subject reported an electricity management,repair class day. July 23, a small electricity received repair phone300. Transformer failure is an important reason for lead tofrequent repair. This paper made a series of fault detection for transformeranalysis.

Key words: Transformer ;Fault ; Electricity

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目 录

中文摘要 英文摘要

第一章 绪论 .............................................................................................................................. 3

1.1 变压器的意义 ...................................................................... 3 1.2 变压器的工作原理 .................................................................. 3

第二章 变压器的故障类型 ...................................................................................................... 4

2.1 过热性故障 ........................................................................ 4 2.2 放电性故障 ........................................................................ 4 2.3 变压器绝缘受潮 .................................................................... 4 2.4 变压器渗漏故障 .................................................................... 5

第三章 变压器的故障检测 .................................................................................................... 6

3.1 直视检查方法 ............................................................................................................................................. 6 3.2 电气预防性试验方法 .................................................................................................................................. 7 3.3 油中气体色谱检测...................................................................................................................................... 7

第四章 色谱分析诊断 ............................................................................................................ 8

4.1 变压器故障的油中气体色谱检测 .............................................................................................................. 8

4.1.1 特征气体的含量 .............................................................. 9 4.1.2 根据气体含量变化分析判断 .................................................... 9 4.2 油中主要气体含量故障分析方法 ............................................................................................................ 10

4.2.1变压器的注意值 ............................................................. 11

第五章 在线检测技术 ............................................................................................................ 12 结束语 ...................................................................................................................................... 13 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 14

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第一章 绪论

1.1 变压器的意义

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。

变压器是供配电系统中广泛使用的重要且昂贵的高压电气设备，在运行中变压器一旦发生损坏性故障，将会直接影响电网的供电，除修复费用大外，还会造成更大的直接经济损失，因此，选用高质量的变压器，提高运行维护水平，使用有效的故障检测技术，具有十分重要的实际价值。

1.2 变压器的工作原理

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电气设备，可以将某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的交流电压。目前在电力、电信、自动控制、测量等方面广泛地使用各种各样的变压器。例如输、配电用的电力变压器，用来测量和试验的电压互感器、电流互感器、调压器等。

变压器的主要结构部件有由铁芯和绕组两个基本部分组成的器身，以及置放器身且盛有变压器油的油箱。此外还有为把绕组出线端从油箱内引出而在油箱盖上装有绝缘套管；为在一定范围内调整电压而附有分接开关等。如图1-1为变压器的工作原理图：

图1-1 变压器工作原理图

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第二章 变压器的故障类型

变压器的故障类型很多，可能由于设计、制造、工艺、运输、安装、原材料等方面的缺陷，在运行中产生局部放电、局部过热等问题，从而导致贯通性击穿、匝间短路、绝缘损坏、烧损爆炸等严重事故。按故障发生的部位可分为外部故障和内部故障；按故障发生的过程可分为突发性故障和长年累月逐步扩展而形成的故障，这些故障可能互相影响、转化，使故障更趋严重。

2.1 过热性故障

由于设备的绝缘性能恶化、油等绝缘材料裂化分解。又分为裸金属过热和固体绝缘过热两类。裸金属过热与固体绝缘过热的区别是以CO和CO2的含量为准，前者含量较低，后者含量较高。

2.2 放电性故障

设备内部产生电效应（即放电）导致设备的绝缘性能恶化。又可按产生电效应的强弱分为高能放电（电弧放电）、低能量放电（火花放电）和局部放电三种。

发生电弧放电时，发生电弧放电时产生气体主要为乙炔和氢气，其次是甲烷和乙烯气体。这种故障在设备中存在时间较短，预兆又不明显，因此一般色谱法较难预测。

火花放电，是一种间歇性的放电故障。常见于套管引线对电位未固定的套管导电管，均压圈等的放电；引线局部接触不良或铁心接地片接触不良而引起的放电；分接开关拨叉或金属螺丝电位悬浮而引起的放电等。产生气体主要为乙炔和氢气，其次是甲烷和乙烯气体，但由于故障能量较低，一般总烃含量不高。

局部放电 主要发生在互感器和套管上。由于设备受潮，制造工艺差或维护不当，都会造成局部放电。产生气体主要是氢气，其次是甲烷。当放电能量较高时，也会产生少量的乙炔气体。

2.3 变压器绝缘受潮

变压器绝缘受潮时，其特征气体H2含量较高，而其它气体成分增加不明显。值得注意的是，芳烃含量问题。因为它具有很好的“抗析气”性能。不同牌号油含芳烃量不同，在电场作用下产生的气体量不同。芳烃含量少的油“抗析气”性 能较差，故在电

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场作用下易产生氢和甲烷，严重时还会生成蜡状物质；而芳烃含量较多的绝缘油“抗析气”性能较好，产生的氢气和甲烷就少些，因此，具体判断时 要考虑这一因素的影响。

2.4 变压器渗漏故障

变压器的渗漏是变压器故障的常见问题，特别是一些运行年限已久的变压器更为普遍，轻者污染设备外表影响美观，重者威胁设备安全运行甚至人员生命，变压器的渗漏包括进出空气(正常经吸湿器进入的空气）除外和渗漏油。

造成渗漏的原因主要有两个方面：一方面是在变压器设计及制造工艺过程中潜伏下来的；另一方面是由于变压器的安装和维护不当引起的。变压器主要渗漏部位经常出现在散热器接口、平面碟阀帽子、套管、瓷瓶、焊缝、砂眼、法兰等部位。

进出空气：进出空气是一种看不见的渗漏形式。例如套管头部、储油柜的隔膜、安全气道的玻璃、焊缝砂眼以及钢材夹砂等部位的进出空气都是看不见的。多年来，电力系统的主要恶性事故大多是绕组的烧伤事故和因变压器低压出口短路对器身的严重损坏。

渗漏油的分类：变压器的渗漏油可分为内漏和外漏两种，而外漏又可分为焊缝渗漏和密封面渗漏两种。

内漏。内漏最普遍的就是充油套管中的油以及有载调压装置切换开关油室的油向变压器本体渗漏。

外漏。外漏分为焊缝渗漏和密封面渗漏两种：焊缝渗漏。焊缝渗漏是由于钢板焊接部位存在砂眼所造成的。密封面渗漏。密封面渗漏情况比较复杂，要具体问题具体分析。在变压器大修或安装过程中应把防止密封面渗漏作为一项重要工作。

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第三章 变压器的故障检测

变压器故障的检测技术是准确诊断故障的主要手段，传统检测手段主要包括油中可燃性气体的色谱分析、直流电阻检测、绝缘电阻及吸收比、极化指数检测、绝缘介质损失角正切检测、油质检测、局部放电检测及绝缘耐压试验（包括感应耐压）等；随着技术的进步，又许多新的技术得到了发展应用，如红外测温、绕组变形或低电压下短路阻抗测量、 糠醛分析或绝缘纸聚合度的测量、内窥镜直接检测变压器内部状况等。

检测、诊断变压器的方法很多，但归纳起来，现在较为常见的可分为3种：直观检查、电气预防性试验和绝缘油筒化试验，其中后两种方法用于综合判定复杂的变压器内部故障。

3.1 直视检查方法

对于运行中的变压器，通过日常的巡检对发生下列异常现象，可直观地诊断出一些比较明显的故障性质。

（1）温度过高或声音异常：其原因可能是过负荷运行、环境温度超过40℃、冷却系统故障、漏油引起油量不足等。

（2）振动、响声异常及有放电声：其原因可能是电压过高或频率波动，紧固件松动、铁心紧固不良、分接开关动作机构异常，偏磁现象等，外部接地不良或未接地的金属部分出现静放电，瓷件、套管表面粘附污秽引起局部火花、电晕等。

（3）气味异常或干燥剂变色：其原因可能是套管接线端子不良或接触面氧化使触头过热产生异味和变色，漏磁通、涡流使邮箱局部过热，风扇、潜油泵过热烧毁产生的异味，过负荷造成温升过高，外部电晕、闪络产生的臭氧味，干燥剂受潮变色等等

（4）油位计指示大大低于正常位置：其原因可能是阀门、密封圈部位焊接不好或密封不良漏油，油位计损坏漏油，以及内部故障引起喷油。

（5）瓦斯继电器的气室内有气体或瓦斯动作：其原因可能是内部局部放电，铁芯不正常，导电部分过热。

（6）防爆装置的防爆膜破裂、外伤及有放电痕迹：其原因可能是过电压或机械力引起。

（7）瓷件、瓷套管表面出现龟裂、外伤和放电痕迹：其原因可能是过电压或机械

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力引起。

3.2 电气预防性试验方法

由于变压器故障类型多，原因复杂，且故障类型还可以互相转换。因此定期或在发现有异常现象时，应进行电气预防试验来综合分析，以确定故障的部位和性质。

采用电气预防性试验检测故障包括：

（1）绕组类故障。测量绕组连同套管的直流电阻，以判断绕组的短线、导线短股或脱焊、匝间断路、分接头接触不良等故障。测量所有分接头的电压比，以判断绕组间和绕组内匝间是否有断路故障；测量额定电压下的空载电流和空载损耗，以判断315KVA及以上变压器是否存在绕组断路故障；测量变压器额定电流下的阻抗，以判断是否存在出口或内部断路故障。

（2）绝缘类故障。该试验包括：测量绕组的绝缘电阻和吸收比，以判断变压器是否存在绝缘击穿或大范围受潮等故障；测量绕组连同套管的直流泄漏电流，以判断变压器绝缘是否受潮或有局部缺陷故障；测量绕组连同套管一起的介质损耗角正切值，以判断变压器绝缘老化、受潮等整体状况类故障；进行绕组连同套管一起的交流耐压试验，以判断变压器绝缘类故障。

3.3 油中气体色谱检测

用油中气体分析诊断变压器故障的原理是：变压器中的绝缘材料是绝缘油和纸，这两种材料在放电和热作用下，会分解产生各种气体，而变压器内部故障都伴随着局部过热或放电的现象，是油或纸或油和纸分解产生CH4（甲烷）、乙烷、乙烯、乙炔、氢、一氧化碳、二氧化碳等气体。当故障不太严重时，产气量较少，所产生的气体大部分溶解于绝缘油中。此外，发热和放电的严重程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度也不相同，据此可检测出变压器内部故障的性质。

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第四章 色谱分析诊断

4.1 变压器故障的油中气体色谱检测

目前，在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障诊断的实践所证明。油色谱分析的原理是基于任何一种特定的烃类气体的产生速率随温度而变化，在特定温度下，往往有某一种气体的产气率会出现最大值；随着温度升高，产气率最大的气体依次为 CH4、C2H6、C2H4、C2H2。这也证明在故障温度与溶解气体含量之间存在着对应的关系。而局部过热、电晕和电弧是导致油浸纸绝缘中产生故障特征气体的主要原因。 变压器在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，并分解出极少量的气体(主要包括氢 H2、甲烷 CH4、乙烷 C2H6、乙烯 C2H4、乙炔 C2H2、一氧化碳 CO、二氧化碳 CO2 等多种气体)。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或内部绝缘受潮时，这些气体的含量会迅速增加。这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升至绝缘油的表面，并进入气体继电器。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关。 因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义和现实的成效， 1997 年颁布在执行的电力设备预防性试验规程中，已将变压器油的气体色谱分析放到了首要的位置，并通过近些年的普遍推广应用和经验积累取得了显著的成效。电力变压器的内部故障主要有过热性故障、放电性故障及绝缘受潮等多种类型。据有关资料介绍，在对359台故障变压器的统计表明：过热性故障占63％；高能量放电故障占18．1％；过热兼高能量放电故障占10％；火花放电故障占7％；受潮或局部放电故障占1．9％。而在过热性故障中，分接开关接触不良占50％；铁心多点接地和局部短路或漏磁环流约占 33％；导线过热和接头不良或紧固件松动引起过热约占14．4％；其余2.1％为其他故障，如硅胶进入本体引起的局部油道堵塞，致使局部散热不良而造成的过热性故障。而电弧放电以绕组匝、层间绝缘击穿为主，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。火花放电常见于套管引线

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对电位末固定的套管导电管、均压圈等的放电；引线局部接触不良或铁心接地片接触不良而引起的放电；分接开关拨叉或金属螺丝电位悬浮而引起的放电等。 针对上述故障，根据色谱分析数据进行变压器内部故障诊断时，应包括：

(1)分析气体产生的原因及变化。

(2)判定有无故障及故障的类型。如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等。 (3)判断故障的状况。如热点温度、故障回路严重程度以及发展趋势等。 (4)提出相应的处理措施。如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和 监视手或是否需要吊心检修等。若需加强监视，则应缩短下次试验的周期。

4.1.1 特征气体的含量

首先看特征气体的含量。若H2、C2H2、总烃有一项大于规程规定的注意值的20%， 应先根据特征气体含量作大致判断，主要的对应关系是：若有乙炔，应怀疑电弧或火花放电；氢气很大，应怀疑有进水受潮的可能；总烃中烷烃和烯烃过量而炔烃很小或无，则是过热的特征。

计算产生速率，评估故障发展的快慢。

通过分析的气体组分含量，进行三比值计算，确定故障类别。 核对设备的运行历史，并且通过其它试验进行综合判断。 4.1.2 根据气体含量变化分析判断

(一) 氢气H2变化。变压器在高、中温过热时，H2一般占氢烃总量的27％以下，而且随温度升高，H2的绝对含量有所增长，但其所占比例却相对下降。变压器无论是热故障还是电故障，最终都将导致绝缘介质裂解产生各种特征气体。由于碳氢键之间的键能低，生成热小，在绝缘的分解过程中，一般总是先生成H2，因此H2是各种故障特征气体的主要组成成分之一。变压器内部进水受潮是一种内部潜伏性故障，其特征气体H2 含量很高。客观上如果色谱分析发现H2含量超标，而其他成分并没有增加时，可大致先判断为设备含有水分，为进一步判别，可加做微水分析。导致水分分解出H2有两种可能：一是水分和铁产生化学反应；二是在高电场作用下水本身分子分解。设备受潮时固体绝缘材料含水量比油中含水量要大100多倍，而H2含量高，大多是由于油、纸绝缘内含有气体和水分，所以在现场处理设备受潮时，仅靠采用真空滤油法不能持久地降低设备中的含水量，原因在于真空滤油对于设备整体的水分影响不大。另外，还有一种误判断的情况，如某变压器厂的产品一阶段曾连续十几台变压器油色谱

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中H2高达 1000t2L／L 以上。而取相同油样分送三处外单位测试，H2含量却均正常。于是对标气进行分析，氢气峰高竟达216mm，而正常情况仅13mm左右。以上分析说明是气相色谱仪发生异常，经检查与分离柱有关，因分离柱长期使用，特别是用振荡脱气法脱气吸附了油，当吸附达到一定程度，便在一定条件下释放出来，使分析发生误差，经更换分离柱后恢复正常。

(二) 乙炔C2H2变化。C2H2的产生与放电性故障有关，当变压器内部发生电弧放电时，C2H2一般占总烃的20％～70％，H2占氢烃总量的30％～90％，并且在绝大多数情况下，C2H4含量高于 CH4。当C2H2含量占主要成分且超标时，则很可能是设备绕组短路或分接开关切换产生弧光放电所致。如果其他成分没超标，而C2H2超标且增长速率较快，则可能是设备内部存在高能量放电故障。

(三) 甲烷CH4和乙烯C2H4变化。在过热性故障中，当只有热源处的绝缘油分解时，特征气体CH4和C2H4两者之和一般可占总烃的80％以上，且随着故障点温度的升高，C2H4 所占比例也增加。另外，丁腈橡胶材料在变压器油中将可能产生大量的CH4，丁青在变压器油中产生甲烷的本质是橡胶将本身所含的CH4释放到油中，而不是将油催化裂介为CH4。硫化丁腈橡胶在油中释放 CH4 的主要成分是硫化剂，其次是增塑剂、硬脂酸等含甲基的物质，而释放量取决于硫化条件。

一氧化碳CO和二氧化碳CO2变化。无论何种放电形式，除了产生氢烃类气体外，与过热故障一样，只要有固体绝缘介入，都会产生CO和CO2。但从总体上来说，过热性故障的产气速率比放电性故障慢。

4.2 油中主要气体含量故障分析方法

在判断设备内有无故障时，首先将气体分析结果中的几项主要指标，（H2 ∑ CH ，C2H2）与色谱分析导则规定的注意值（如表1-1所示）进行比较。

表1-1 正常变压器油中气，烃类气体含量的注意值

气体组分 含量（10-6） H2 150 CH4 60 C2H6 40 C2H4 70 C2H2 5 总烃 150 10

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4.2.1变压器的注意值

当任一项含量超过注意值时都应引起注意。但是这些注意值不是划分设备有无故障的唯一标准，因此，不能拿“标准”死套。如有的设备因某种原因使气体含量较高，超过注意值，也不能断言判定有故障，因为可能不是本体故障所致，而是外来干扰引起的基数较高，这时应与历史数据比较，如果没有历史数据，则需要确定一个适当的检测周期进行追踪分析。又如有些气体含量虽低于注意值，但含量增长迅速时，也应追踪分析。就是说：不要以为气体含量一超过注意值就判断为故障，甚至采取内部检查修理或限制负荷等措施，是不经济的，而最终判断有无故障，是把分析结果绝对值超过规定的注意值，（注意非故障性原因产生的故障气体的影响，以免误判），且产气速率又超过 10%的注意值时，才判断为存在故障。注意值不是变压器停运的限制，要根据具体情况进行判断，如果不是电路（包括绝缘）问题，可以缓停运检查。

4.2.2 不超过注意值

若油中含有氢和烃类气体，但不超过注意值，且气体成份含量一直比较稳定，没有发展趋势，则认为变压器运行正常。

表1-1中注意值是根据对国内 19 个省市6000多台次变压器的统计而制定的，其中统计超过注意值的变压器台数占总台数的比例为5%左右。

注意油中 CO、CO2 含量及比值。CO变压器在运行中固体绝缘老化会产生CO和 CO2。 同时，油中 CO 和 CO2 的含量既同变压器运行年限有关，也与设备结构、运行负荷和温度等因素有关，因此目前导则还不能规定统一的注意值。只是粗略的认为，开放 式的变压器中，CO 的含量小于 300µl/L，CO2/CO 比值在 7 左右时，属于正常范围； 而密封变压器中的 CO2/CO 比值一般低于 7 时也属于正常值。

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第五章 在线检测技术

随着传感器、计算机等技术的不断发展，国内外在积极研究和推广使用有关变压器故障的在线连续自动检测装置，以实现对运行中的变压器进行在线监测与故障诊断，同时还具有微机分析、打印、报警等功能，这比停电后加电压试验更加真实可靠。目前，国内外对油浸变压器普遍看好的在线检测方法，主要有油中溶解气体的色谱分析和局部放电等。

油中溶解气体在线检测：它的色谱分析方法属于传统的较为有效的检测变压器潜伏性故障手段，但因主要靠人工传递及操作既费时费工，容易引起误差。气体色谱在线检测仪的关键技术是油中气体的现场脱气方法和油中气体的现场测量方法，前者应用较多的是利用基本合成材料薄膜（如聚四氯乙烯、硅橡胶等）的透气性，使油中所溶解的气体经薄膜而透析到气室里，利用热虹原理使油中气体经0.5--0.6mm的氟硅橡胶而透出；后者主要用色谱将不同气体分离并加以检测和改用，仅对某种气体（如H2）敏感的传感器将从油中析出的某类气体含量的多少转换成电信号的强弱再加以检测。

变压器的局部放电在线检测：变压器发生局部放电时，不仅出现电气信息，而且也有声、光、热等非电信息。传统的局部放电检测法有电气测量法和非电测量法，前者主要有高频脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗法等；后者主要有超声波法、光学法、测分解物法等。关于局部放电在线检测比较成功的方法有脉冲鉴别系统、数字滤波技术、电——超声波合法和数据处理分析等。

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结束语

经过一段时间的调查、资料搜集和论文撰写，本学位论文的研究课题已经圆满完成。在此期间，得到了老师和同学们的支持与帮助。

在写论文的这段时间里，我学到了很多平时学不到的知识。专业与非专业知识的综合、理论与实践的集合，让我对知识有了更深层次的理解，对人生也是一种感悟，为以后走向工作岗位奠定了基础。

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参 考 文 献

[1] 谭志龙著：《电力用油（气）技术问答》，中国电力出版社，2006 [2] 王晓莺著：《变压器故障与监测》，机械工业出版社，2004 [3] 董其国著：《电力变压器故障与诊断》，中国电力出版社，2000 [4] 文锋著：《现代发电厂概论》，中国电力出版社，1999

[5] 黄益庄著：《变电站综合自动化技术》，中国电力出版社，2001

[6] 电力工业部西北电力设计院，《电气工程设计手册电气一次部分》，中国电力出版社，1998

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