畢業(yè)設計（論文）-基于油中溶解氣體分析的電力變壓器故障分析裝置設計

1、2021屆畢業(yè)生畢業(yè)論文題 目: 基于油中溶解氣體分析的電力變壓器 故障分析裝置設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣 0501 學生姓名： 學 號： 20054720211 指導教師 教師職稱： 2009 年 06 月 10 日摘 要電力變壓器是電力系統(tǒng)最重要和最貴重的設備，它們的平安運行直接關系到電網(wǎng)的供電可靠性。本文以電力變壓器為研究對象，采用虛擬儀器技術開展了基于油中溶解氣體的電力變壓器故障分析系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。本文首先論述了研究基于油中溶解氣體分析故障的重要意義，詳細分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及開展趨勢。其次，研究了油中溶解氣體的主要類型及其在不同故障狀態(tài)下的各種比例關系原

2、理，確定采用改進型三要素法進行電力變壓器故障診斷。對本文編程所用的LabVIEW語言進行了簡單的介紹。最后，使用重慶大學高電壓研究所研制的MQ系列分布復合式氣體濃度傳感器，國家儀器公司NI的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集通道，對實驗室模擬的信號進行采集與處理，實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。本文利用虛擬儀器提出了對電力變壓器進行狀態(tài)評估、故障診斷和故障預測三位一體的研究理念，仿真實驗結(jié)果驗證了改進型三要素法能夠為電力變壓器的狀態(tài)維修提供理論依據(jù)，對降低電力變壓器的維修費用和提高電力變壓器的可靠性具有重要的理論意義和實際應用價值。關鍵詞： 變壓器；油中溶解氣體分析；虛擬儀器；在線檢測Title Desi

3、gn of a Transformer Fault Analysis Device Based on the Dissolved Gas of Transformer Oils Analysis AbstractThis article takes the power transformer as the object of study, using the Virtual Instrument technology to develop power transformer fault analysis systems research and the development work bas

4、ed on the gases dissolved in the oil. Firstly, this article elaborated important meaning for the research on a transformer fault analysis device based on the gas dissolved in oil, domestic and foreign present research and its trend of development. Secondly, it studied the main type of dissolved gas

5、in the oil and each kind of proportional relationship principle under the different fault conditions, and then determined to use the improvement three essential factors law to carry on the power transformer fault diagnosis. The programmed language with LabVIEW was introduced briefly. Finally, a MQ s

6、eries distributed compound expression gas strength sensor which the High voltage Research Institute of Chongqing University designed was used, the PCI-6221 data acquisition card of the National Instrument Company (NI) taked the data acquisition channel, carried on gathering and processing laboratory

7、 simulation signals, and system simulation was realized.The paper proposes the research idea of combining the power transformer condition evaluation with fault diagnosis and fault forecasting based on the Virtual Instrument technology. The simulation experimental result confirms the improvement thre

8、e essential factor law are able to provide the theory basis for power transformers condition maintain. It has the meanings and practical application value to reduce power transformers maintenance cost and enhance power transformers reliability.Keywords: Transformer；Dissolved Gas Analysis；Virtual Ins

9、trument ；Online Examination目 次 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc233092344 摘 要 PAGEREF _Toc233092344 h I HYPERLINK l _Toc233092345 Abstract PAGEREF _Toc233092345 h II HYPERLINK l _Toc233092346 1 引言 PAGEREF _Toc233092346 h 1 HYPERLINK l _Toc233092347 1.1 電力變壓器故障分析裝置研究的目的及意義 PAGEREF _Toc233092347 h 1 HY

10、PERLINK l _Toc233092348 1.2 變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測的開展及其現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc233092348 h 1 HYPERLINK l _Toc233092349 1.3 本文研究的主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc233092349 h 3 HYPERLINK l _Toc233092350 1.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233092350 h 4 HYPERLINK l _Toc233092351 2 電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的關系 PAGEREF _Toc233092351 h 5 HYPERLINK l _Toc2330923

11、52 2.1 電力變壓器的結(jié)構(gòu)特點 PAGEREF _Toc233092352 h 5 HYPERLINK l _Toc233092353 2.2 電力變壓器內(nèi)部故障的主要類型 PAGEREF _Toc233092353 h 6 HYPERLINK l _Toc233092354 2.3 電力變壓器油中溶解氣體產(chǎn)生的機理 PAGEREF _Toc233092354 h 7 HYPERLINK l _Toc233092358 2.4 電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的關系 PAGEREF _Toc233092358 h 11 HYPERLINK l _Toc233092364 2.5 三比值法的

12、根本原理及其方法 PAGEREF _Toc233092364 h 14 HYPERLINK l _Toc233092365 2.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233092365 h 18 HYPERLINK l _Toc233092366 3 總體方案設計 PAGEREF _Toc233092366 h 19 HYPERLINK l _Toc233092367 3.1 總體方案的實現(xiàn)方式 PAGEREF _Toc233092367 h 19 HYPERLINK l _Toc233092368 3.2 傳感器模塊設計 PAGEREF _Toc233092368 h 19 HYPERLIN

13、K l _Toc233092369 3.3 硬件模塊設計 PAGEREF _Toc233092369 h 19 HYPERLINK l _Toc233092370 3.4 軟件模塊設計 PAGEREF _Toc233092370 h 20 HYPERLINK l _Toc233092371 3.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233092371 h 21 HYPERLINK l _Toc233092372 4 硬件設計 PAGEREF _Toc233092372 h 22 HYPERLINK l _Toc233092373 4.1 油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置硬件組成 PAGEREF _To

14、c233092373 h 22 HYPERLINK l _Toc233092374 4.2 氣體傳感器選擇原那么與確定 PAGEREF _Toc233092374 h 22 HYPERLINK l _Toc233092375 4.3 信號傳輸通道選擇原那么與確定 PAGEREF _Toc233092375 h 25 HYPERLINK l _Toc233092376 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233092376 h 28 HYPERLINK l _Toc233092377 5 軟件設計 PAGEREF _Toc233092377 h 29 HYPERLINK l _Toc233

15、092378 5.1 LabVIEW應用程序及其運行機制 PAGEREF _Toc233092378 h 29 HYPERLINK l _Toc233092379 5.2 氣體濃度比擬模塊設計 PAGEREF _Toc233092379 h 29 HYPERLINK l _Toc233092380 5.3 軟件界面設計 PAGEREF _Toc233092380 h 31 HYPERLINK l _Toc233092381 5.4 軟件程序設計 PAGEREF _Toc233092381 h 33 HYPERLINK l _Toc233092386 5.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc2

16、33092386 h 35 HYPERLINK l _Toc233092387 6 運行結(jié)果及其分析 PAGEREF _Toc233092387 h 36 HYPERLINK l _Toc233092388 結(jié) 論 PAGEREF _Toc233092388 h 39 HYPERLINK l _Toc233092389 致 謝 PAGEREF _Toc233092389 h 40 HYPERLINK l _Toc233092390 參 考 文 獻 PAGEREF _Toc233092390 h 411 引言1.1 電力變壓器故障分析裝置研究的目的及意義變壓器屬于靜止電機，它可以將一種電壓、電流

17、的交流電能轉(zhuǎn)換為同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。從電力的生產(chǎn)、輸送、分配到各個用電用戶，使用著各種各樣的變壓器。對電力系統(tǒng)而言，變壓器是一種主要設備，如果傳輸功率一定的話，只有將線路中的電壓升高才能減小傳輸?shù)碾娏?，從而有效的減小傳輸線路上的損耗，并減小線路壓降，從而使得遠距離輸電變?yōu)榭赡?。電力變壓器是電力系統(tǒng)最重要和最貴重的設備，它們的平安運行直接關系到電網(wǎng)的供電可靠性。電力變壓器故障診斷技術的研究是電力變壓器狀態(tài)維修的根底工作。由于變壓器是一個老化和故障機理復雜，具有不確定性的復雜系統(tǒng)，因此，電力變壓器故障診斷技術是一項復雜而艱巨的任務。變壓器運行工況、歷史運行記錄不同，同類變壓器的狀態(tài)

18、就可能不相同;相同工況下不同類型變壓器的狀態(tài)也可能不同。因此研究變壓器狀態(tài)與運行工況、歷史運行記錄的關系及其規(guī)律，準確評估變壓器狀態(tài)，對實施變壓器狀態(tài)維修、降低變壓器維修費用和提高變壓器可靠性具有重要的理論意義和實際應用價值。1.2 變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測的開展及其現(xiàn)狀變壓器在線監(jiān)測技術就是在工作電壓下對變壓器中相關特征量進行實時、連續(xù)監(jiān)測，將實測數(shù)據(jù)與大量積累的實驗數(shù)據(jù)進行比擬，及時、全面地分析判斷變壓器絕緣狀況，發(fā)現(xiàn)和捕捉變壓器內(nèi)部早期故障缺陷，確保變壓器的平安穩(wěn)定運行。 國外的開展現(xiàn)狀國外的設備狀態(tài)檢修技術開展較早。七十年代末，美國電力科學研究院(EPR)就對電力設備的狀態(tài)檢修進行研究和應用

19、，目前已向以可靠性為中心的狀態(tài)檢修(RCM)開展。口本是從八十年代開始對電力設備實施以狀態(tài)分析和在線檢測為根底的狀態(tài)檢修。歐洲大多數(shù)國家也正在進行檢修體制的改革，方向也是狀態(tài)檢修?；谟嬎銠C網(wǎng)絡技術的設備管理、事故分析和預警系統(tǒng)在美國、加拿大等國家已普遍應用，目在實踐應用中不斷改進和完善，形成多種系統(tǒng)。美國GE能源公司研制出了HYDRAN 201系列油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置。它包括HYDRAN傳感器和電子微處理器，通過選擇性氣體滲透膜對可燃性氣體(H2, CO, C2H2, C2H4)進行監(jiān)測。HYDRAN 201 Ti智能傳送器的功能有現(xiàn)場顯示氣體濃度以及氣體濃度的變化率；故障報警；歷史紀錄

20、；周期性傳感器測試、校準、設置和自檢;遠程軟件升級等。HYDRAN 201 Ci通訊控制器提供了HYDRAN201 Ti智能傳送器的網(wǎng)絡通訊能力，采用RS485總線將現(xiàn)場監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)測診斷中心，也可通過可選的MODEM與遠程計算機通訊。儀器對變壓器的狀態(tài)變化作早期報警。提示何時需要進行診斷或維護，防止出現(xiàn)設備損壞和非正常停機?？梢赃B續(xù)監(jiān)測變壓器油中氣體的動態(tài)變化過程，能及時反映運行設備的工作狀況。當變壓器油中氣體的含量到達檢測設備預設的值時，檢測設備會及時發(fā)出報警信號。HYDRAN 103B是便攜式全自動電池供電的裝置。圖1.1 HYDRAN 2021 Model Ti變壓器故障

21、氣體在線監(jiān)測裝置(左)圖1.2 HYDRAN 103B便攜式變壓器故障氣體監(jiān)測器(右) 國內(nèi)的開展現(xiàn)狀我國從上世紀70年代采用變壓器在線測試，80年代開始實現(xiàn)數(shù)字化測量，從90年代開始采用多功能微機在線監(jiān)測。我國于1987年公布的?全民所有制工業(yè)交通企業(yè)設備管理條例?中明確規(guī)定企業(yè)應當積極采用先進的設備管理方法和維修技術，采用以設備狀態(tài)監(jiān)測為根底的設備維修方法，不斷提高設備管理和維修技術現(xiàn)代化，原電力部公布的?發(fā)電廠檢修規(guī)程?中也指出“應用診斷技術進行預知維修是設備檢修的開展方向，各主管局可先在局部管理較好且維修技術資料完整的電廠進行試點積累經(jīng)驗，逐步推廣?？梢姡_展狀態(tài)檢修技術研究是一項勢在

22、必行的工作，是檢修技術開展的方向。國家電力公司為了推動我國電力行業(yè)狀態(tài)檢修技術的研究，批準華北電力科學研究院和西安熱工研究院聯(lián)合開展了“火力發(fā)電機組的狀態(tài)檢修技術研究；國內(nèi)其它一些電網(wǎng)公司和省公司對狀態(tài)檢修也都十分重視，所屬的研究院所也都不同程度地開展了一些狀態(tài)檢修的試驗研究工作，國內(nèi)的多家電力研究部門和高校已經(jīng)研制出了各種在線監(jiān)測裝置，陸續(xù)投入到大中型發(fā)電廠和變電站進行使用。盡管現(xiàn)在的在線監(jiān)測裝置還存在有很多的問題，不過卻為我國的電力自動化行業(yè)積累了很多的實踐經(jīng)驗。上海交通大學和南方電力平果合作開發(fā)的大型油浸電力設備色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得了2002年度中國電力科學技術二等獎。油中溶解氣體分析(

23、DGA)方法源于Halstead的試驗發(fā)現(xiàn)，通過試驗發(fā)現(xiàn)任何一種特定的烴類氣體的產(chǎn)生速率隨溫度變化，在特定的溫度下有某一種氣體的產(chǎn)氣率會出現(xiàn)最大值。隨著溫度升高，產(chǎn)氣率最大的氣體依次為CH4, C2H4, C2H4及C2H4。西安交大和清華大學也分別研制出了比擬實用的故障診斷系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要有兩種形式：集中式和分散式。集中式可對所有被測設備定時或巡回自動監(jiān)測，分散式是利用專門的測試儀器測量信號。目前集中式的在線監(jiān)測尚存在缺乏之處，如，測量結(jié)果重復性較差，傳感器信號失真，監(jiān)測系統(tǒng)管理和綜合判斷能力不夠等。1.3 本文研究的主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容本文主要通過對油中溶解氣體的電力變壓器故

24、障檢測原理的研究，采用虛擬儀器技術，研制一種電力變壓器故障診斷裝置。 論文組織結(jié)構(gòu)根據(jù)本文的研究內(nèi)容，本文共分六章，各章的內(nèi)容安排如下：第一章，引言。論述了電力變壓器的重要作用，選題的背景以及研究電力變壓器故障診斷的意義。第二章，介紹電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的理論背景。主要論述本設計的相關背景知識與判定原理。第三章，基于油中溶解氣體的電力變壓器故障判斷裝置總體設計。主要表達了課題的設計要求，以及設計的總體方案。對各模塊作了簡單的介紹。第四章，硬件設計。包括傳感器的選擇、數(shù)據(jù)采集電路的選擇、控制計算機的設置等。第五章，軟件設計。包括虛擬儀器技術、LabVIEW軟件設計等。第六章，運行結(jié)果

25、。主要是系統(tǒng)仿真的運行結(jié)果及其對實際應用的指導意義。1.4本章小結(jié)本章闡述了電力變壓器故障診斷技術研究的重要意義，從狀態(tài)評估、故障診斷和故障預測三方面詳細介紹了國內(nèi)外智能信息處理在該領域的研究現(xiàn)狀，指出了目前電力變壓器故障診斷技術中存在尚待解決的問題，確立了本文的研究路線和主要研究內(nèi)容。2 電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的關系對于大型電力變壓器，目前幾乎都是用油來絕緣和散熱，電力變壓器油與油中的固體有機絕緣材料在運行電壓下因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸老化、裂解，產(chǎn)生少量的CH4、C2H6、C2H4和C2H2等低分子烴類，以及CO、CO2和H2等氣體，并多數(shù)溶解在油中。當電力變

26、壓器內(nèi)部存在潛伏性的局部過熱或局部放電時，就會加快產(chǎn)氣的速率。隨著故障的進一步開展，裂解出來的氣體形成氣泡在油中經(jīng)過對流和擴散作用，就會不斷地溶解，并不斷地增加。一般來說，對于不同性質(zhì)的故障，絕緣物分解產(chǎn)生的氣體組分不同而對于同一性質(zhì)的故障，由于程度不同，所產(chǎn)生的氣體數(shù)量也不同。油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出電力變壓器絕緣老化或故障的程度，可以作為反映電力設備異常的特征量。通過對運行中的電力變壓器定期分析溶解于油中的氣體組分、含量和產(chǎn)氣速率，就能夠及早發(fā)現(xiàn)電力變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障，判斷是否會危及其平安運行。2.1 電力變壓器的結(jié)構(gòu)特點充油電力變壓器由繞組(一次和二次)、鐵芯、

27、油箱、上下壓套管、引線、散熱器、凈油器、儲油柜、氣體繼電器、分接開關等組件或附件組成。變壓器在運行中常見的絕緣事故大多與繞組、鐵芯、分接開關和上下壓套管及引線有關。 (1)繞組：繞組是電力變壓器的最重要和最復雜的部件，它根本上決定了電力變壓器的容量、電壓、電流和使用條件。變壓器的繞組由一次、二次及繞組間的絕緣、對地絕緣和由燕尾墊塊、撐條構(gòu)成的油道及其上下壓引線構(gòu)成。根據(jù)充油電力變壓器的容量及電壓等級，常采用的繞組有層式繞組和餅式繞組兩大類。大型電力變壓器的高壓繞組在里層，低壓繞組在外層。 (2)鐵芯：鐵芯是電力變壓器中最重要的部件之一，它將一次電路的電能轉(zhuǎn)化為磁能，再把該磁能轉(zhuǎn)化為二次電路的電

28、能，是能量傳遞的媒介?，F(xiàn)代大型充油電力變壓器的鐵芯都是用冷軋硅鋼片，在鐵芯柱和鐵扼的硅鋼片間局部交錯搭接，使接縫交錯遮蓋，同時采用鐵芯柱無孔幫扎及鐵扼無孔拉帶結(jié)構(gòu)。 (3)引線：引線將外部電能傳入到變壓器中，又將其電能從變壓器中輸出，因此它既要滿足負載電流和電場要求，又要保證變壓器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由于引線的曲率半徑小，外表電荷密度大，電場強度高，易產(chǎn)生局部放電，因此高壓引線都采用直徑不宜過小的圓導線。 (4)分接開關：分接開關用來連接和切斷變壓器繞組的分接頭，實現(xiàn)對變壓器的調(diào)壓，使電網(wǎng)供應用戶穩(wěn)定的電壓并控制潮流或調(diào)節(jié)負荷電流。變壓器的分接開關分為無勵磁或無載分接開關和有載分接開關。(5)高壓套管

29、：高壓套管包括帶電荷絕緣兩局部，它與繞組和電網(wǎng)連接，承當著不同電壓等級之間的電能傳輸。套管的絕緣結(jié)構(gòu)決定于繞組的電壓等級，通?？梢苑譃橥饨^緣和內(nèi)絕緣。外絕緣一般為瓷套，內(nèi)絕緣由絕緣油、附加絕緣和電容型絕緣等組成。2.2電力變壓器內(nèi)部故障的主要類型1繞組故障繞組故障包括各個局部絕緣的老化，繞組的受潮，繞組層間、匝間短路，上下壓繞組間發(fā)生接地、斷路、擊穿或燒毀，系統(tǒng)短路和沖擊電流造成繞組機械損傷或繞組內(nèi)部組件變形。繞組故障主要包括:匝間短路故障，相間短路故障，繞組股間短路故障。2鐵芯故障 大量事故分析可以知道導致鐵芯故障的主要原因有:鐵芯組件中鐵質(zhì)夾件松動或損傷而碰接鐵芯，壓鐵松動引起鐵芯振動和噪

30、聲，鐵芯接地不良或夾件燒化，鐵芯片間絕緣老化，鐵芯安裝不正或不齊造成空洞聲，鐵芯片疊裝不良造成鐵損增大而使鐵芯發(fā)熱等。主要故障包括:鐵芯多點接地故障，鐵芯過熱故障。3放電故障 通常放電故障按照放電能量密度分為局部放電、火花放電和電弧放電三類。在正常運行電壓作用下，變壓器絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生非貫穿性局部放電現(xiàn)象，放電的部位通常在固體絕緣內(nèi)的空穴、電極尖端或油中沿固體絕緣的外表等處。局部放電能量密度不大，一旦發(fā)生將會形成高能量放電，并導致絕緣擊穿或損壞。當變壓器內(nèi)部某一金屬部件接觸不良并處于高、低壓電極之間的部位時，因阻抗分壓而在該金屬部件上產(chǎn)生對地的懸浮電位。調(diào)壓繞組在分接開關變換極性時的短暫間，套

31、管均壓球和無載分接開關拔插的高電位處，鐵芯疊片屏蔽及緊固螺栓與地接連松動脫落等低電位處，以及高壓套管端部接觸不良等均會形成懸浮電位而引起火花放電；同時變壓器油中的水分、受潮的纖維等將形成雜質(zhì)“小橋而引起火花放電。電弧放電故障具有突發(fā)性，往往造成變壓器或部件燒損，甚至發(fā)生爆炸事故。4油和油紙故障 在充油變壓器中，內(nèi)部絕緣的主要絕緣材料是變壓器油和絕緣紙、紙版、木板等主要成分為纖維素的固體絕緣材料。這些材料受環(huán)境的影響將發(fā)生分解而老化，甚至喪失絕緣強度，造成絕緣故障。5分接開關故障 充油變壓器無載分接開關常見的故障有：當上分接頭的相間絕緣距離缺乏且絕緣材料上堆積油泥時，假設油泥受潮，在過電壓下將發(fā)

32、生相間短路故障；假設觸頭接觸不良或因銹使電阻增大，絕緣支架上的緊固金屬螺栓接地斷裂造成懸浮放電等故障。有載開關的故障有：因密封不嚴使雨水侵入而導致絕緣性能降低；過渡電抗或電阻在切換過程中被擊穿或燒斷，導致觸頭間的電弧引發(fā)故障；因滾輪卡死使分接開關停在過渡位置而造成相間短路；切換開關油室密封不嚴而造成變壓器本體滲漏；選擇開關分接引線與靜觸頭的固定絕緣桿變形等。無載和有載分接開關的故障將引發(fā)變壓器內(nèi)部絕緣故障，產(chǎn)生故障氣體，使油中溶解氣體的組分含量變化。 除了上述的故障之外，還有像油箱密封不良、冷卻裝置故障等外部故障，這些故障通常會在變壓器內(nèi)部誘發(fā)相應的故障，可以被檢測試驗所發(fā)現(xiàn)。2.3電力變壓器

33、油中溶解氣體產(chǎn)生的機理2.3.1氣體產(chǎn)生的原理 電力變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的氣體可分為正常氣體和故障氣體。正常氣體是變壓器在正常運行時因絕緣系統(tǒng)正常老化而產(chǎn)生的氣體；故障氣體那么為變壓器發(fā)生故障時引起絕緣物的熱分解或放電分解而產(chǎn)生的氣體。電力變壓器的絕緣材料主要有兩種：一種是液體絕緣材料變壓器油；另一種是固體絕緣材料各種油浸紙、電纜線、絕緣紙板、白紗帶和黃蠟等。 電力變壓器在正常運行時，因油泵的空穴作用和管路密封不嚴等原因會使空氣混入，變壓器和油在未投入運行之前，雖然經(jīng)過枯燥和脫氣，但仍不徹底，有殘留氣體存在；開放或密封不嚴的變壓器，在運行中會有空氣溶入油中。當運行條件發(fā)生變化時，這些氣體可能析出。大

34、量的運行經(jīng)驗和實驗研究還證明，運行著的油浸變壓器，變壓器油和有機絕緣材料在熱和電的作用下，會逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的低分子烴類以及CO和CO2等氣體。上述這些氣體首先溶入油中，到達飽和后便從油中析出。 變壓器在正常狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量缺乏以破壞變壓器油烴分子內(nèi)部的化學鍵，但是當變壓器內(nèi)部存在局部過熱或電弧高溫等故障時，故障點就會釋放出熱能，這些能量有很大一局部用于油和固體絕緣材料的裂解，使烴類化合物的鍵斷裂而產(chǎn)生CH4，C2H6，C2H4和C2H2等低分子烴類，以及CO，CO2和H2等氣體。 變壓器油的烴分子約在300-400開始斷鏈，并逐步生成低分子的飽和氣態(tài)烴，隨著熱分解溫度升高，油中產(chǎn)生低

35、分子烴的不飽和度不斷增加，亦有烯烴和炔烴生成，各種烴和H2的含量也逐步增加。根據(jù)實驗說明，隨著熱解溫度的升高，熱解氣體各組分出現(xiàn)的順序為:烷烴烯烴炔烴。受熱時間愈長，氣體的相對含量愈大。根據(jù)模擬試驗和大量的現(xiàn)場試驗說明，絕緣油在300800時，熱分解產(chǎn)生的氣體主要是CH4、C2H6等低分子烷烴和C2H4，C2H6等低分子烯烴，也含有H2；絕緣油暴露于電流較大的電弧放電之中時，分解氣體大局部是H2和C2H2，并有一定量的CO和CO2；絕緣油暴露于電流較小的局部放電之中時，主要分解出H2和少量的CH4；在120150長期加熱時，絕緣紙和某些絕緣材料分解出CO和CO2；在200800下熱分解時，除了

36、產(chǎn)生碳的氧化物之外，還含有烴類氣體，CO2/CO比值越高，說明熱點溫度越高。表2.1列出了各種故障下產(chǎn)生的主要氣體成分(表中“表示主要成分，“表示次要成分)表2.1各種故障下油和絕緣材料產(chǎn)生的氣體成分氣體成分強烈過熱電弧放電局部放電油絕緣材料油絕緣材料油絕緣材料H2C2H4C2H6C2H4C2H2C3H8C3H6COCO2因此，不管是熱性故障還是電性故障，其特征氣體一般有CH4, C2H6, C2H4, C2H2；以及CO, CO2和H2，國內(nèi)外均選擇其中的數(shù)種氣體作為故障診斷的特征氣體。 變壓器油中溶解氣體的來源主要包括以下幾種：(1)絕緣油的分解 絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組

37、成的混合物，分子中含有烷基, 烯基,炔基等化學基團，并由C-C鍵結(jié)合在一起。電或熱故障可以使某些C-H鍵和C-C鍵斷裂，伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳氫化合物的自由基，這些氫原子或自由基通過復雜的化學反響迅速重新化合，形成H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2等氣體，也可能生成碳的固體顆粒及碳氫聚合物。故障初期，所形成的氣體溶解于油中；當故障能量較大時，也可能聚集成游離氣體。碳的固體顆粒及碳氫聚合物可沉積在設備的內(nèi)部。 局部放電等低能量故障通過離子反響促使最弱的C-H鍵斷裂，主要重新化合成H2而積累。對C-C鍵的斷裂需要較高的溫度或較多的能量，然后迅速以C-C鍵、C-C二鍵和C-C三

38、鍵的形式重新化合成烴類氣體，它們依次需要越來越高的溫度和越來越多的能量。 C2H4雖然在較低的溫度時也有少量生成，但主要是在高于CH4和C2H6的溫度下生成的，大約為500。C2H2一般在800-1200的溫度下生成，而且當溫度降低時，反響迅速被抑制，作為重新化合的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累。因此，大量C2H2是在電弧的弧道中產(chǎn)生的，當然，在低于800的較低的溫度下，也會有少量C2H2生成。 油起氧化反響時，伴隨生成少量的CO和CO2，并且能長期積累，成為數(shù)量顯著的特征氣體。另外，油在500800的溫度下碳化生成碳粒。 固體絕緣材料的放電能量對變壓器油分解時產(chǎn)生的氣體組分有一定的影響。一般情況下，放電能量

39、較低時，產(chǎn)生的氣體中H2含量較高，其次為CH4和C2H4等低分子氣態(tài)烴。隨著放電能量的增大，有C2H2產(chǎn)生，并且其含量將不斷隨之增大。 (2)固體絕緣材料的分解 當變壓器內(nèi)部存在放電或過熱等故障時，故障區(qū)附近的紙、層壓板或木塊等固體絕緣材料的分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵，它們的熱穩(wěn)定性比油中的碳氫鍵要弱，能在較低的溫度下裂解并重新化合，形成碳的化合物，聚合物裂解的有效溫度高于完全裂解和碳化300，在生成水的同時，生成大量的CO, CO2和少量烴類氣體，同時油被氧化。CO和CO2的形成不僅隨溫度而且隨油中氧的含量和紙的濕度增加而增加。變壓器內(nèi)油浸絕緣紙在空氣中加熱分解時，產(chǎn)生的主要

40、氣體是CO和CO2，其次是H2和氣態(tài)烴。隨著溫度的升高，產(chǎn)生的CO和CO2逐漸增多，CO2/CO比值也隨之升高，800左右時比值可高達2.5。其他固體絕緣材料的熱解氣體主要是CO和CO2，這些固體絕緣材料比絕緣紙和油容易產(chǎn)生C2H2。假設油中存在固體絕緣物，放電時還會產(chǎn)生較多的CO和CO2，其含量隨固體絕緣物的不同而異。 (3)氣體的其他來源 在某些情況下，有些氣體可能不是設備故障造成的，例如油中含有水，可以與鐵作用生成氫；過熱的鐵芯層間油膜裂解也可生成氫；新的不銹鋼中也可能在加工過程中或焊接時吸附氫而又慢慢釋放到油中;特別是在溫度較高，油中有溶解氧時，設備中某些油漆在某些不銹鋼的催化下甚至可

41、能生成大量的氫;某些改型的聚酞酞亞胺型的絕緣材料也可生成某些氣體而溶解于油中;油在陽光照射下也可以生成某些氣體；設備檢修時，暴露在空氣中的油可吸收空氣中的CO2等，如果不真空濾油，那么油中CO2的含量在300ppm (uL/L)左右。 另外，某些操作也可生成故障氣體，例如：有載調(diào)壓變壓器中切換開關油室的油向變壓器主油箱滲漏，或選擇開關在某個位置動作時，懸浮電位放電的影響；設備曾經(jīng)有過故障，而故障排除后絕緣油未經(jīng)徹底脫氣，局部剩余氣體仍留在油中；設備油箱帶油補焊；原注入的油就含有某些氣體等。這些氣體的存在一般不影響設備的正常運行，但當利用氣體分析結(jié)果確定設備內(nèi)部是否存在故障及其嚴重程度時，要注意

42、加以區(qū)分。 分解出的氣體形成氣泡，在油里經(jīng)對流和擴散，不斷地溶解在油中。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重程度有密切關系。因此，分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)設備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時監(jiān)視故障的開展狀況。 在電力變壓器中，當產(chǎn)氣速率大于溶解速率時，就會有一局部氣體進入氣體繼電器或儲油柜中。對氣體繼電器內(nèi)出現(xiàn)的氣體進行分析，同樣有助于對設備的狀況做出判斷。 建立在熱力學根底上的普通規(guī)律是:形成氣體的化學不飽和度與故障的能量密切相關。雖然在大多數(shù)故障情況下，得到的都是包括CH4和 C2H6等各種氣體的混合物，但其相比照例卻相互關聯(lián)。通過對運行變壓器中常常遇到的各類故障的經(jīng)驗觀

43、測和實驗室模擬，就可把各類故障區(qū)分開。 因此，CH4、C2H6、C2H4、C2H2和H2等氣體就成為檢測變壓器潛伏性故障的主要特征參數(shù)，檢測油中CO, CO2和糠醛的含量，可以判斷出故障是否涉及到固體絕緣材料。2.3.2氣體在油中的溶解 油、紙等絕緣材料所產(chǎn)生的氣體有的溶解在油中，有的釋放到油面上，每種氣體在一定的溫度和壓力下將到達溶解和釋放的動態(tài)平衡，最終到達溶解飽和或接近飽和狀態(tài)。 當電力變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障時，假設產(chǎn)氣速率很慢，那么熱分解產(chǎn)生的氣體仍以氣體分子形態(tài)擴散并溶解在油中，只要油中氣體尚未到達飽和，就不會有自由氣體釋放出來;假設故障存在時間較長，油中氣體己到達飽和，就會釋放出

44、自由氣體，進入氣體繼電器中。假設產(chǎn)氣速率很高，熱分解的氣體除了一局部溶解在油中，還會有一局部成為氣泡，氣泡上浮過程中把溶于油中的氫和氧置換出來。 置換過程和氣泡上升的速度有關，故障早期階段，產(chǎn)氣量少，氣泡小，上升速度慢，與油接觸時間長，置換充分，特別對于尚未被氣體溶解飽和的油，氣泡可能完全溶解在油中，進入氣體繼電器內(nèi)的就幾乎只有空氣成分和溶解度低的氣體，而溶解度高的氣體那么在油中含量較高。反之，假設是突發(fā)性故障，那么產(chǎn)氣量大，氣泡大，上升快，與油接觸時間短，溶解和置換過程來不及充分進行，熱分解的氣體就以氣泡形態(tài)進入氣體繼電器中，使氣體繼電器中積存的故障特征氣體比油中含量高得多，這也是油中溶解氣

45、體分析對發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障不靈敏的原因。2.3.3正常運行時油中溶解氣體含量 正常運行的變壓器，油中氣體含量很少，主要是O2和N2，尤其CH4、C2H6、C2H4、C2H2, H2和CO等可燃性氣體含量更低，占總量的0.01-0.1%之間，新油的氣體含量更低。正常變壓器含氧量稍比空氣大些，為20-30，但含氮量來增長很少，那么危險程度就小得多。因而現(xiàn)實中要同時考慮氣體濃度的絕對值和開展趨勢。2.4電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的關系電力變壓器內(nèi)部故障模式主要有機械、熱和電三種類型，而又以熱和電故障為主，并且機械性故障常以熱故障或電故障的形式表現(xiàn)出來。從對國內(nèi)多臺故障電力變壓器的故障類型進行統(tǒng)計的

46、結(jié)果可以看出，運行中電力變壓器的故障主要有過熱性故障和高能放電性故障。根據(jù)模擬試驗和大量的現(xiàn)場試驗，電弧放電的電流較大，變壓器油主要分解出C2H2、 H2及較少的CH4；局部放電的電流較小，電力變壓器油主要分解出H2和CH4；電力變壓器油過熱時分解出H2、CH4和C2H4等氣體，而紙和某些絕緣材料過熱時還分解出CO和CO2等氣體。我國現(xiàn)行的GB/T7252-2001?變壓器油中溶解氣體分析和判斷導那么?將不同故障類型產(chǎn)生的主要特征氣體和次要特征氣體歸納為表2.2。 表2.2電力變壓器不同故障類型產(chǎn)生的氣體故障類型主要氣體成分次要氣體成分油過熱CH4, C2H4H2, C2H6油和紙過熱CH4,

47、 C2H4,CO, CO2H2, C2H6油紙絕緣中局部放電H2, CH4,COC2H2, C2H6, CO2油中電火花放電H2, C2H2油中電弧H2, C2H2CH4, C2H4, C2H6油和紙電弧H2, C2H2,CO, CO2CH4, C2H4, C2H6通過對電力變壓器在運行中發(fā)生的大量事故的診斷和吊芯檢查，在表2.3中列出了電力變壓器典型的故障類型。表2.3 電力變壓器的典型故障故障類型舉例局部放電由不完全浸漬、高濕度的紙和油的過飽和，或空腔造成的充氣空腔中的局部放電，并導致形成X蠟。低能量放電不良連接形成不同電位或懸浮電位造成的火花放電或電弧，可發(fā)生在屏蔽環(huán)、繞組中相鄰的線餅間

48、或?qū)w間，以及連線開焊處或鐵芯的閉合回路中；夾件間、套管與箱壁、線圈內(nèi)的高壓和地端的放電；木質(zhì)絕緣體、絕緣構(gòu)件膠合處，以及繞組墊塊的沿面放電；油擊穿、選擇開關的切斷電流。高能量放電局部高能量或由短路造成的閃路，沿面放電或電?。坏蛪簩Φ?、接頭之間、線圈之間、套管與箱體之間、銅排與箱體之間、繞組與鐵芯之間的短路；環(huán)繞主磁通的兩個鄰近導體之間的放電；鐵芯的絕緣螺絲、固定鐵芯的金屬環(huán)之間的放電。過熱t(yī)300在救急狀態(tài)下，電力變壓器超銘牌運行；繞組中油流被阻塞；在鐵扼夾中的雜散磁通。過熱 300t700螺栓連接處(特別是鋁排)、滑動接觸面、選擇開關內(nèi)的接觸面，以及套管引線和電纜的連接接觸不良；鐵扼處夾件

49、和螺栓之間、夾件和鐵芯疊片之間的環(huán)流，接地線中的環(huán)流，以及磁屏蔽上的不良焊點和夾件的環(huán)流；繞組中平行的相鄰導體之間的絕緣磨損。過熱 t700油箱和鐵芯上大的環(huán)流；油箱壁未補償?shù)拇艌鲞^高，形成一定的電流；鐵芯疊片之間的短路。1)熱性故障 熱性故障是由于熱應力所造成的絕緣加速劣化，通常具有中等水平的能量密度。實驗研究及實踐都說明，當故障點溫度較低時，油中溶解氣體的組成主要是CH4，隨著溫度升高，產(chǎn)氣率最大的氣體依次是CH4、C2H6、C2H4和C2H2。由于C2H6不穩(wěn)定，在一定的溫度下極易分解成C2H4和H2，因此，通常油中C2H6的含量小于CH4，并且C2H4和H2是相伴而生。根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計結(jié)

50、果，導致電力變壓器過熱故障的各種原因所占的比例為:分接開關接觸不良占50%，鐵芯多點接地和局部短路或漏磁環(huán)流占33%，導線過熱和接頭不良或緊固件松動占14.4%，因局部油道堵塞造成局部散熱不良約占2.6%。當電力變壓器發(fā)生低溫過熱時，有一局部電力變壓器油中H2占氫烴(H2+C1+C2)總量之比高于27%而中高溫過熱故障時，H2占氫烴總量的27%以下;當高溫過熱(700)時，特征氣體主要是C2H4，其次是CH4，兩者之和一般占總烴的80%以上，除此之外，還有C2H6和H2；嚴重過熱時，也會產(chǎn)生微量的C2H4，其最大含量不超過總烴的6%;當過熱涉及固體材料時還會產(chǎn)生大量的CO和CO2 。 當發(fā)生裸

51、金屬過熱，使周圍的油受熱分解時，產(chǎn)生的氣體主要是H2、CH4和C2H2，電力變壓器內(nèi)部發(fā)生這類故障的原因，主要包括分接開關接觸不良、引線和分接開關連接處焊接不良、導線和套管連接處導電不良、鐵芯多點接地和局部短路過熱等因素。 紙、紙板、布帶和木材等固體絕緣材料受熱分解時，其特征是烴類氣體含量不高，所產(chǎn)生的氣體主要是CO和CO2。產(chǎn)生這一內(nèi)部故障的原因主要包括電力變壓器長期過負荷運行使固體絕緣大面積過熱，或者是由于裸金屬過熱引起鄰近固體絕緣局部過熱。 (2)放電性故障 放電性故障是在高壓電場作用下造成絕緣劣化所引起的電力變壓器內(nèi)部的主要故障，通常按能量密度將放電性故障分為電弧放電(高能放電)、火花

52、放電(低能放電)和局部放電三種故障類型。 電弧放電多數(shù)是線圈匝和層間擊穿，其次是引線斷裂或?qū)Φ亻W絡和分接開關飛弧等故障模式。其特點是產(chǎn)氣急劇，而且量大，尤其是匝、層間絕緣故障，因無先兆現(xiàn)象，一般難以預測。產(chǎn)生的特征氣體主要是C2H4和H2，但也有相當數(shù)量的CH4和C2H4。一般C2H2占總烴20-70% ，H2占氫烴總量的30-90%，絕大多數(shù)情況下C2H2的含量高于CH4 。 火花放電 引線或套管儲油柜對電位未固定的套管導電管放電;引線局部接觸不良或鐵芯接地片接觸不良而引起放電;分接開關撥叉電位懸浮而引起放電。產(chǎn)生的特征氣體以C2H2和H2為主。因故障能量小，一般總烴含量不高，但油中溶解的C

53、2H2在總烴中所占比例可達25-90%，C2H4含量小于20%，H2占氫烴總量的30%以上。 局部放電油中的氣體含量隨著放電能量密度的不同而不同，一般總烴含量不高，特征氣體主要是H2，其次是CH4，通常H2占氫烴總量的90%以上，CH4占總烴的90%以上。放電能量密度增大時也可出現(xiàn)C2H2，但在總烴中所占比例一般小于2%，這是區(qū)別于上述兩種放電現(xiàn)象的主要標志。(3)受潮當電力變壓器內(nèi)部進水受潮時，能引起局部放電而產(chǎn)生H2，水分在電場作用下電解，以及水與鐵發(fā)生化學反響，也可產(chǎn)生大量H2。故障受潮設備中H2在氫烴總量中占的比例更高，有時局放放電和受潮同時存在，其特征氣體同局部放電所反映的特征氣體極

54、為相似，因此，單靠油中氣體分析結(jié)果尚難加以區(qū)分，必要時要根據(jù)外部檢查和其他實驗結(jié)果加以綜合判斷。2.5 三比值法的根本原理及其方法大量的實踐證明，采用特征氣體法結(jié)合可燃氣體含量法，可做出對故障性質(zhì)的判斷，但必須找出故障產(chǎn)氣體組分含量的相比照值與故障點溫度或電場力的依賴關系及其變化規(guī)律。為此，人們在用特征氣體法等進行充油電氣設備故障診斷過程中，經(jīng)過不斷的總結(jié)和改進，國際電工委員會(IEC)在熱力動力學原理和實踐的根底上，相繼推出了三比值法及改進三比值法。我國現(xiàn)行的DL/T722-2000?導那么?推薦的也是改進的三比值法。2.5.1 三比值法的原理通過大量的研究證明，充油電氣設備的故障診斷也不能

55、只依賴于油中溶解氣體的組分含量，還取決與氣體的相對含量；通過絕緣油的熱力學研究結(jié)果說明，隨著故障點溫度升高，變壓器油裂解產(chǎn)生烴類氣體按CH4C2H2C2H4C2H2的順序推移，并且H2是低溫時由局部放電的離子碰撞游離所產(chǎn)生?；谏鲜鲇^點，產(chǎn)生了以CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6、C2H2/ C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6/CH4的比值只能有限的反映熱分解的溫度范圍，于是IEC將其刪去而推薦采用三比值法。隨后，在人們大量應用三比值法的根底上，IEC對與編碼相應的比值范圍、編碼組合及故障類別進行了改進，得到了目前推薦的改進的三比值法以下簡稱三比值法。由此可見，三比值

56、法的原理是：根據(jù)充油電氣設備內(nèi)油，絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關系，從5種特征氣體中選出兩種溶解度和擴散系數(shù)相近的氣體組分組成三比照值，以不同的編碼表示；根據(jù)表中的編碼規(guī)那么個故障類型判斷方法座位診斷故障性質(zhì)的依據(jù)。這種方法消除了油的體積效應影響，是判斷充油電氣設備故障類型的主要方法，并可以得出故障狀態(tài)較為可靠的診斷。我國DL/T722-2000?導那么?推薦使用改進型三比值法類似IEC推薦的三比值法的編碼規(guī)那么和故障判斷方法。三比值法的編碼規(guī)那么與故障類型判斷方法如表2.4和2.5所示。表2.4 三比值法的編碼規(guī)那么氣體比值范圍比值范圍的編碼C2H2/ C2H4

57、CH4/ H2C2H4/ C2H60.10100.1-11001-31213222表2.5故障類型判斷方法編碼組合故障類型判斷故障實例參考C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6001低溫過熱(低于150) 絕緣導線過熱，注意CO和CO2的含量以及CO2/CO值20低溫過熱(150-300)分接開關接觸不良，引線夾件螺絲松動或接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，鐵芯漏磁，局部短路，層間絕緣不良，鐵芯多點接地等21中溫過熱(300-700)0,1,22高溫過熱(高于700)10局部放電高濕度、高含氣量引起油中低能量密集的局部放電20，10，1，2低能放電引線對電位未固定的部件之間連續(xù)火花放電，

58、分接抽頭引線和油隙閃絡，不同電位間的油中火花放電或懸浮電位間的電花放電20，1，2低能放電兼過熱10，10，1，2電弧放電線圈匝間、層間短路，相間閃絡、分接頭引線間油隙閃絡、引起對箱殼放電、線圈熔斷、分接開關飛弧、因環(huán)路電流引起電弧、引線對其他接地體放電等20，1，2電弧放電兼過熱2.5.2三比值法的應用規(guī)那么三比值法的應用原那么是：1只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長率的注意值有理由判斷設備可能存在故障時，氣體比值才是有效的，并應給予計算。對氣體含量正常，且無增長趨勢的設備，比值沒有意義。2假設氣體的比值與以前的不同，可能有新的故障重疊在老故障或正常老化上。為了僅僅得到相應于新故障的氣

59、體比值，要從最后一次的分析結(jié)果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并且重新計算比值尤其是要在CO和CO2含量較大的情況下。在進行比擬時，要注意在相同的負荷和溫度等情況下在相同的位置取樣。3由于溶解氣體分析本身存在實驗誤差，導致氣體比值也存在某些不確定性。利用DL/T722-2000?導那么?所述的方法，分析油中溶解氣體結(jié)果的重復性和再現(xiàn)性。對氣體濃度大于10Ul/L的氣體，兩次測試誤差不應大于平均值的10%，而計算氣體比值時，誤差提高的20%。當氣體濃度低于10uL/L時，誤差會更大，使比值精度迅速降低。因此在使用比值法判斷設備故障性質(zhì)時，應注意各種有可能降低精度的因素。2.5.3改進型三比值法 大量實例

60、及分析說明，三比值法存在以下缺乏： 三比值法推薦的編碼組合由典型事故統(tǒng)計分析獲得，由于電力變壓器內(nèi)部故障非常復雜，在實際應用中常常出現(xiàn)不包括在表3.1范圍內(nèi)編碼組合所對應的故障類型，使判斷無法進行。 只有油中氣體各組分含量足夠高或超過注意值，并且經(jīng)綜合分析確定電力變壓器內(nèi)部存在故障后，才能用三比值法判斷其故障性質(zhì)。而對油中各氣體組分含量正常的電力變壓器，其比值沒有意義。如果不管電力變壓器是否存在故障，一律使用三比值法，就有可能對正常的電力變壓器造成錯誤的判斷。 在實際應用中，當有多種故障聯(lián)合作用時，可能在表中找不到相應的比值編碼;同時，在三比值編碼邊界模糊的比值區(qū)間內(nèi)的故障，往往容易誤判。 三