畢業(yè)論文-變壓器匝間故障建模與仿真

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第Ⅰ頁(yè)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目變壓器匝間故障建模與仿真學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化1109班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年5月20日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第PAGEIII頁(yè) 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第Ⅰ頁(yè)摘要電力變壓器是電力系統(tǒng)必不可少的重要組成元件之一。電力系統(tǒng)的輸、配電穩(wěn)定離不開(kāi)電力變壓器的安全運(yùn)行。因此，必須盡可能地減少變壓器故障的發(fā)生。通過(guò)變壓器故障診斷技術(shù)，可以有效地提前發(fā)現(xiàn)變壓器存在的故障，及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免或降低因變壓器損壞所造成的損失。大多數(shù)的變壓器內(nèi)部故障都是由變壓器匝間短路發(fā)展而來(lái)。變壓器內(nèi)部繞組絕緣老化或損壞將導(dǎo)致變壓器匝間發(fā)生故障：變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，匝與匝之間的絕緣難以避免產(chǎn)生老化或損壞，這將使變壓器匝間絕緣在耐受電壓下被擊穿，使變壓器匝間形成導(dǎo)電回路，造成匝間短路。一臺(tái)變壓器需經(jīng)過(guò)出產(chǎn)試驗(yàn)，交接試驗(yàn)，預(yù)防性試驗(yàn)等離線試驗(yàn)才能確保其具有良好的性能，不存在故障隱患。本文首先講述了變壓器匝間故障的研究現(xiàn)狀。然后，對(duì)變壓器匝間故障進(jìn)行初步地分析，從物理現(xiàn)象與電氣量的改變這兩方面分析變壓器匝間故障。介紹了一般變壓器的故障診斷方法。最后，利用MATLAB軟件搭建了變壓器匝間故障模型。此模型能模擬變壓器發(fā)生匝間故障時(shí)的狀態(tài)，真實(shí)仿真變壓器匝間故障。使用此模型對(duì)變壓器匝間故障進(jìn)行仿真與研究，論述了變壓器匝間故障后電氣量的特征，得出變壓器匝間故障后的一般特點(diǎn)，并通過(guò)短路電壓波形與短路電流成分，判斷該模型發(fā)生了匝間短路故障，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：電力變壓器，匝間故障，MATLAB/Simulink，故障建模Transformerturn-to-turnfaultmodelingandsimulationAbstractPowertransformerisoneofthemostimportantpartsinpowersystem.Powertransformerworkinginthecorrectsituationhelpspowergridruninthesafeoperationbothintransmissionanddistribution.Sowemustpreventandreducetransformeraccidentasbestaswecan.Throughthetransformerfaultdiagnosistechnology,wecanfindtransformerfaultinadvanceandtakecorrespondingmeasuresintime,whichwillhelpusavoidthedamagecausedbytransformerbreakdown.Mostofthetransformerinternalfaultisdevelopedbytransformerturn-to-turnshortcircuit.Transformerinternalwindingsturn-to-turnshortcircuitismadeupoftransformerinsulationagingordamaged.Whentransformerinthelongrun,turn-to-turninsulationwillslowlyagingordamaged,whichwillcausetheturn-to-turninsulationbreakdownunderthewithstandvoltage.Afterthetransformerinternalinsulationbreakdown,windingwillhaveaturn-to-turnshortcircuitcurrent.Throughtheoff-lineexperiment,wecanfindouttheturn-to-turnfaultinthewindingoftransformer.Thisarticletellsthecurrentresearchofturn-to-turnfaultfirstly.Then,Iwillintroducetheturn-to-turnfaultdiagnosistechnology.Finally,Iwillsetupatransformerturn-to-turnfaultmodelbyusingtheMATLABsoftware.Thismodelcansimulatethetransformerstateofturn-to-turnfaultoccurs.Aftersimulatingthetransformerturn-to-turnfault,Iwilldiscussthecharacteristicsoftransformerturn-to-turnfault,concludingthegeneralcharacteristicsoftransformerturn-to-turnfault.Throughtheanalysisoftransformerinternalshortcircuitsimulationmodelsimulationvoltagewaveformandshort-circuitcurrentcomponents,verifytheaccuracyofthemodel.Keywords:powertransformer,turn-to-turnfault,MATLAB/Simulink,faultmodeling目錄1緒論 11.1變壓器匝間故障研究背景 11.1.1變壓器匝間故障簡(jiǎn)介 11.1.2變壓器的故障檢測(cè) 21.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.3課題研究方法 52變壓器匝間故障分析 52.1引言 52.2變壓器的基本結(jié)構(gòu) 62.3變壓器的絕緣 82.4變壓器匝間短路故障的物理現(xiàn)象研究 92.5單相雙繞組匝間短路故障分析 122.6變壓器匝間故障定相 143變壓器匝間故障診斷方法 153.1直流電阻試驗(yàn) 153.2油溶解氣體色譜分析法 153.2.1故障判定方法 163.2.2故障性質(zhì)和類型判定方法 174變壓器匝間故障MATLAB仿真 204.1引言 204.2MATLAB模型仿真示例 204.3仿真結(jié)果分析 215總結(jié)與展望 255.1總結(jié) 255.2展望 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第28頁(yè) 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁(yè)1緒論1.1變壓器匝間故障研究背景我國(guó)快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)離不開(kāi)電力系統(tǒng)的支持。隨著工業(yè)的發(fā)展，城市的建設(shè)以及居民用電量的增長(zhǎng)，我國(guó)電力正處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，電能緊缺現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，這需要供電部門更經(jīng)濟(jì)，更效率地發(fā)電，輸電和配電。近年來(lái)，國(guó)家投入大量資金建設(shè)電力網(wǎng)絡(luò)，增設(shè)發(fā)電機(jī)組，以求為用戶提供安全穩(wěn)定，高質(zhì)量的電力資源。在此背景下，越來(lái)越多大容量變壓器將被投入電力生產(chǎn)和運(yùn)輸中。變壓器作為電力傳輸重要的一環(huán)，保障變壓器的安全運(yùn)行已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電力變壓器是電力系統(tǒng)中最不可或缺的基本元件之一。變壓器通過(guò)耦合作用，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓或?qū)⒌碗妷恨D(zhuǎn)換為高電壓，具有電壓變換，電能輸送等作用。通過(guò)變壓器，將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，在長(zhǎng)距離輸電線路中，可以有效地減少電能損耗，減少輸電環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)成本。在配電端，將長(zhǎng)距離輸電線路上的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，把電能輸送至用戶端。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生停電事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)居民的日常生活帶來(lái)了極大的不便，嚴(yán)重時(shí)可能危及人身安全。對(duì)于主變壓器而言，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障而損壞后的修復(fù)工作不僅耗時(shí)長(zhǎng)且費(fèi)用較高，需及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障并予以解決，以避免或減少停電所造成的損失。保證電力變壓器安全運(yùn)行，對(duì)保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性，安全性，經(jīng)濟(jì)性具有重大的意義。1.1.1變壓器匝間故障簡(jiǎn)介變壓器的匝間故障主要是變壓器匝間短路故障。變壓器匝間短路故障是由于變壓器內(nèi)部繞組匝間絕緣損壞或老化，在匝間形成放電回路，使絕緣擊穿引起的短路現(xiàn)象。引起變壓器匝間絕緣損壞的原因主要有：繞組絕緣未使用前處于潮濕的環(huán)境使繞組受潮。水分，雜質(zhì)在運(yùn)輸或貯存過(guò)程中混入變壓器油中，污染變壓器油，降低了絕緣強(qiáng)度。繞組在制作過(guò)程中未充分干燥，內(nèi)層浸漆不透，使得絕緣特性下降。變壓器使用年限過(guò)長(zhǎng)，絕緣老化。變壓器油與空氣接觸，降低了絕緣強(qiáng)度。變壓器匝間故障不易發(fā)現(xiàn)，是電力變壓器的一大安全隱患。若不加以重視，匝間故障發(fā)展到一定程度將變?yōu)楦鼑?yán)重的層間短路，使變壓器毀壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器存在的匝間故障，才能保證變壓器安全穩(wěn)定地運(yùn)行。1.1.2變壓器的故障檢測(cè)變壓器的匝間故障難以為人們所發(fā)現(xiàn)，若變壓器存在匝間故障，將會(huì)威脅變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。變壓器在出廠前都會(huì)進(jìn)行一系列的出廠試驗(yàn)。在出廠試驗(yàn)中將對(duì)每臺(tái)新生產(chǎn)的變壓器進(jìn)行全方位的檢查，力求在出廠前排除變壓器的安全隱患。在變壓器交接給使用方時(shí)，還需要進(jìn)行交接試驗(yàn)，以判斷變壓器在運(yùn)輸途中未發(fā)生損壞，確保變壓器性能良好。當(dāng)變壓器投入使用后，還需定期對(duì)變壓器進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，以求盡早發(fā)現(xiàn)變壓器如匝間故障等安全隱患。預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果是變壓器是否需要退出運(yùn)行并進(jìn)行檢修的重要依據(jù)，在變壓器的故障檢測(cè)中，扮演了十分重要的角色。在變壓器運(yùn)行時(shí)，采用在線監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)變壓器實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，可以更好更快地獲取變壓器的實(shí)時(shí)信息并迅速做出判斷。隨著科技水平的提高，許多變電站都設(shè)置了在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。變壓器的在線監(jiān)測(cè)手段主要有：變壓器油在線監(jiān)測(cè)、變壓器油色譜分析、鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)、高壓套管介質(zhì)損耗監(jiān)測(cè)、超高頻局部放電等。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)手段，獲取并分析所取得的電氣數(shù)據(jù)。所獲取的數(shù)據(jù)可以很好地反映了變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，利于判斷變壓器是否存在故障，提高了變壓器故障診斷的可靠性與及時(shí)性。變壓器的故障判斷十分復(fù)雜，必須綜合變壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行故障判斷，例如變壓器的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，變壓器的運(yùn)行情況，變壓器的故障特征等。只有采用適當(dāng)?shù)姆椒ê屯緩?，結(jié)合變壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，才能科學(xué)有序地綜合分析判斷變壓器的故障。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀變壓器作為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一部分，承擔(dān)著將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓或?qū)⒌碗妷恨D(zhuǎn)換為高電壓的任務(wù)。隨著技術(shù)水平的提高，大型變壓器的事故率正逐年降低，但是仍存在因變壓器故障而導(dǎo)致停電的現(xiàn)象。我國(guó)變壓器的檢修制度是定期檢修，即在一定時(shí)間之后對(duì)所有的變壓器，無(wú)論其是否存在故障，都必須進(jìn)行維護(hù)檢修。在這種檢修制度下，維護(hù)人員缺乏對(duì)設(shè)備實(shí)際情況的掌控，容易造成過(guò)量維修或維修不足的現(xiàn)象。維修過(guò)量有可能帶來(lái)新的故障隱患，維修不足又不足以排除因產(chǎn)品性能缺陷所造成故障的可能。為了更好地保障變壓器的安全運(yùn)行，目前的故障檢測(cè)由原來(lái)的離線檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘栽诰€監(jiān)測(cè)為主，離線試驗(yàn)相結(jié)合的模式發(fā)展。在線監(jiān)測(cè)，即在不影響變壓器運(yùn)行的情況下，實(shí)時(shí)獲取變壓器各種電氣量的信息。通過(guò)分析獲取的各種狀態(tài)的電氣量來(lái)判斷變壓器是否處于健康運(yùn)作的狀態(tài)。目前我國(guó)廣泛采用的變壓器故障檢測(cè)方法是油溶解氣體色譜分析法。油溶解氣體色譜分析法是通過(guò)分析變壓器油中溶解的氣體，如、、、、、等氣體在變壓器油中的比值編碼，得到的比值編碼均有一種故障類型與之相對(duì)應(yīng)，以此來(lái)確定變壓器是否存在故障以及故障的種類。國(guó)內(nèi)外電氣專家經(jīng)過(guò)多年的研究，探索出一些比較有效的方法如Rogers比值法，Dormerburg比值法，三比值法等。運(yùn)用這些方法結(jié)合油溶解氣體色譜分析法可以有效地對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷。油溶解氣體色譜分析法也有其缺點(diǎn)。有時(shí)通過(guò)分析油溶解氣體的色譜所獲得的編碼并不在已知的編碼表內(nèi)，也就是說(shuō)油溶解氣體色譜分析法存在一定的編碼盲區(qū)。為了補(bǔ)充編碼盲區(qū)，在“無(wú)編碼”的情況下進(jìn)行故障類型分析，遂引入專家小組進(jìn)行評(píng)估分析，這也使得故障的確定變得復(fù)雜，且引入專家系統(tǒng)也有可能造成錯(cuò)誤的判斷，引發(fā)嚴(yán)重的后果。此外，單純地依靠油溶解氣體分析法無(wú)法確定故障發(fā)生的位置，只能判斷故障是否為過(guò)熱故障、電弧放電故障或電暈放電等。變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，由于等效匝數(shù)的減少，將會(huì)導(dǎo)致直流電阻降低。最有效發(fā)現(xiàn)變壓器匝間故障的檢測(cè)方法是直流電阻試驗(yàn)、繞組變形試驗(yàn)等離線試驗(yàn)方法。但這些離線試驗(yàn)需要將變壓器從電力系統(tǒng)中切除，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行存在一定的影響。離線試驗(yàn)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，這表明電力變壓器不能頻繁地進(jìn)行離線試驗(yàn)檢查故障，只能定期檢修，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器匝間故障，這為變壓器的運(yùn)行埋下了安全隱患。預(yù)防性試驗(yàn)的結(jié)果是運(yùn)行中的變壓器故障診斷中不可或缺的一環(huán)。預(yù)防性試驗(yàn)可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器匝間故障發(fā)生的位置，能夠很好地彌補(bǔ)油溶解色譜分析法中的不足。利用預(yù)防性試驗(yàn)的結(jié)果可以更好地發(fā)現(xiàn)變壓器的各種缺陷，故障等，使得到的故障信息更加完善。目前，變壓器匝間故障研究的現(xiàn)狀是綜合在線監(jiān)測(cè)手段與離線試驗(yàn)手段來(lái)判斷是否存在匝間故障。只有對(duì)變壓器狀態(tài)有了充分的了解后，才能保證判斷的準(zhǔn)確性。以現(xiàn)有的技術(shù)手段，通過(guò)油溶解氣體色譜分析法判定匝間故障仍存在一些不足，需要研究更好的方法以保障以最經(jīng)濟(jì)，最準(zhǔn)確的手段來(lái)判斷變壓器是否存在匝間故障。在油溶解氣體色譜分析法的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ANN），能夠在確保故障判定準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，極大地簡(jiǎn)化了變壓器匝間故障的診斷。運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠去除“專家小組”分析部分，使得變壓器的故障判斷更加準(zhǔn)確，節(jié)省了人力物力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還能及時(shí)向控制中心反映故障的類別與故障的位置，很好地彌補(bǔ)了油溶解氣體色譜分析法的缺點(diǎn)。當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生環(huán)流，漏磁場(chǎng)發(fā)生變化，這都將引起變壓器附加損耗的增加且有功功率損耗不變。根據(jù)此特點(diǎn)，計(jì)算變壓器的附加損耗，并與正常值相比較，可以發(fā)現(xiàn)變壓器存在匝間故障?？茖W(xué)家為此提出了新的方法—功率損耗法。功率損耗法的實(shí)施要求在變壓器內(nèi)部放置探測(cè)線圈，測(cè)量探測(cè)線圈中漏磁場(chǎng)縱向分量和橫向分量感應(yīng)電壓的變化，并予以分析。在運(yùn)用功率損耗法的同時(shí)，還可引入在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出變壓器的附加損耗值，判斷變壓器是否發(fā)生故障以及故障的嚴(yán)重程度。變壓器發(fā)生匝間故障的故障相的功率損耗會(huì)有明顯的增大，這一現(xiàn)象有助于我們進(jìn)行故障定相。當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生環(huán)流，同時(shí)漏磁場(chǎng)將發(fā)生變化，因此，有科學(xué)家提出通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部漏磁場(chǎng)的變化來(lái)判斷故障與否，這從理論上可行，但實(shí)際操作仍存在一定的困難。一方面，監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部的漏磁場(chǎng)需要在變壓器內(nèi)部放置探測(cè)線圈，但對(duì)于成品的變壓器來(lái)說(shuō)，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。另一方面，漏磁場(chǎng)的變化的觀察存在一定的困難。漏磁場(chǎng)的變化作為監(jiān)測(cè)的電氣特征量來(lái)進(jìn)行匝間故障診斷的技術(shù)尚未成熟，今后將成為匝間故障診斷技術(shù)中的重點(diǎn)研究方向之一。1.3課題研究方法通過(guò)分析變壓器匝間短路故障的特點(diǎn)，對(duì)變壓器進(jìn)行故障建模。本人MATLAB工具建立變壓器模型，將其內(nèi)部?jī)稍阎g短接，形成內(nèi)部匝間短路，構(gòu)成變壓器匝間短路故障模型。進(jìn)行大量的仿真后，得到該模型的故障參數(shù)。通過(guò)大量的理論和分析該變壓器匝間故障模型符合一般變壓器匝間故障的特點(diǎn)。通過(guò)仿真得到的變壓器故障相和非故障相的波形和變壓器故障相短路電流成分，分析變壓器發(fā)生匝間故障后的一般特點(diǎn)，并驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。2變壓器匝間故障分析2.1引言電力系統(tǒng)中，變壓器作為最重要的設(shè)備之一，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器存在的故障和潛在的故障，排除變壓器的故障，有利于保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。變壓器中，繞組作為變壓器的電路部分，是最容易出現(xiàn)故障的部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)變壓器故障都是變壓器繞組故障，其中，60%-70%的繞組故障都是由匝間短路故障引起的。圖2.1變壓器繞組（a）連續(xù)式繞組（b）糾結(jié)式繞組隨著科技的發(fā)展，輸電線路的電壓等級(jí)越來(lái)越高，使得變壓器匝間故障的發(fā)生越來(lái)越頻繁。究其原因主要有兩點(diǎn)：一是匝間絕緣的耐受強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法承受匝間異常電壓升高的作用；二是匝間絕緣損壞而導(dǎo)致匝間絕緣耐受不住匝間電壓的作用。另外，相比于傳統(tǒng)的連續(xù)式繞組，糾結(jié)式繞組更能滿足高壓輸電的需要。但是，與連續(xù)式線圈的相鄰匝間電壓相比，糾結(jié)式線圈的相鄰匝間電壓較高，因此其絕緣水平要求更高，也更容易發(fā)生匝間短路故障。圖2.1表示變壓器的連續(xù)式繞組和糾結(jié)式繞組的基本結(jié)構(gòu)。一般的出廠試驗(yàn)，交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)均很難診斷出變壓器存在匝間短路故障。一般變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，并不會(huì)有特別大的危害，但是若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)匝間短路，匝間短路將會(huì)繼續(xù)發(fā)展形成更為嚴(yán)重的股間短路或?qū)娱g短路，最終燒壞整個(gè)變壓器，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。綜上所述，變壓器匝間短路故障不可輕視，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的位置，排除隱患。研究變壓器匝間短路故障，對(duì)防止變壓器非正常退網(wǎng)具有重大的意義，既保障了變壓器的安全，也保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定。2.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)電力變壓器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，把一種電壓等級(jí)交流電壓轉(zhuǎn)換成為另一種不同電壓等級(jí)交流電壓的電氣設(shè)備。當(dāng)交流電通入變壓器的一次側(cè)時(shí)，這個(gè)變化的電流將在以鐵芯構(gòu)成的主磁通回路中產(chǎn)生交變的主磁通。主磁通將在一次繞組和二次繞組中穿過(guò)，并在一次側(cè)中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)二次繞組中也將產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)。變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖2.2所示。圖2.2變壓器簡(jiǎn)化模型當(dāng)正弦交流電壓通入一次側(cè)時(shí)，產(chǎn)生一次側(cè)產(chǎn)生磁通，由電磁感應(yīng)效應(yīng)可得：（2-1）（2-2）感應(yīng)電勢(shì)的有效值為：（2-3）（2-4）變壓器變比：（2-5）通過(guò)以上的公式分析可知，變壓器的主要構(gòu)成材料是高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，主要工作原理是耦合現(xiàn)象和電磁感應(yīng)原理。變壓器的鐵芯是變壓器的核心部分之一，為了減少交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗的，提高能量的利用率，變壓器的鐵芯一般由冷軋硅鋼片經(jīng)過(guò)人工或機(jī)器一層層疊裝而成。變壓器的繞組均由包有絕緣材料的高導(dǎo)電率材料，例如銅線、鋁線等繞制而成，各繞組之間絕緣必須良好，以保證為變壓器提供暢通的電流回路。電力變壓器一般將鐵芯及繞組置于裝有變壓器油的油箱中，通過(guò)變壓器油來(lái)加強(qiáng)絕緣和散熱。當(dāng)油箱內(nèi)有引線穿過(guò)油箱蓋時(shí)，必須經(jīng)過(guò)絕緣套管，以絕緣高壓引線和接地油箱。2.3變壓器的絕緣變壓器的匝間故障主要是由匝間絕緣老化或損壞引起的。變壓器按絕緣介質(zhì)的不同，可以分為油浸式變壓器，氣體絕緣變壓器（主要為氣體），干式變壓器等。其中，油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)較干式變壓器要復(fù)雜得多，且造價(jià)昂貴，主要用作主變壓器。干式變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，多用作配電變壓器。主絕緣：繞組或引線對(duì)地，對(duì)其他繞組或引線之間的絕緣內(nèi)部絕緣縱絕緣：同一繞組上各點(diǎn)之間或其相應(yīng)引線之間以及分級(jí)開(kāi)關(guān)各部分的絕緣變壓器絕緣套管本身的外部絕緣外部絕緣套管間及套管對(duì)地的絕緣圖2.3變壓器絕緣分類油浸式變壓器由鐵芯，繞組，儲(chǔ)油柜，散熱器，油枕，高壓套管等部件構(gòu)成。大多數(shù)的內(nèi)部故障均發(fā)生在繞組中。繞組作為變壓器的電路部分，常采用層式繞組結(jié)構(gòu)和餅式繞組結(jié)構(gòu)。裝配時(shí)，鐵芯附近應(yīng)裝配低壓繞組，高壓繞組套在低壓繞組的外面。油浸式變壓器繞組的絕緣要求比較高。若繞組發(fā)生絕緣老化或絕緣損壞，均有可能導(dǎo)致匝間短路，嚴(yán)重時(shí)可形成層間短路，將造成繞組機(jī)械損傷，并使內(nèi)部組件變形。對(duì)油浸式變壓器的絕緣主要從以下三個(gè)方面考慮：（1）電性能變壓器在運(yùn)行時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)間承受高電壓的作用，甚至需要短時(shí)間承受較高的過(guò)電壓的作用。依靠各種電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，變壓器應(yīng)保證在工作電壓和短視過(guò)電壓下絕緣不被擊穿。（2）機(jī)械性能變壓器繞組流經(jīng)電流時(shí)，由于繞組內(nèi)存在漏磁場(chǎng)與電流，在兩者共同作用下，繞組到體內(nèi)將產(chǎn)生電動(dòng)力。當(dāng)變壓器突然短路時(shí)，巨大的短路電流將使電動(dòng)力達(dá)到很大的電流，從而損壞設(shè)備。因此，變壓器絕緣要求選用的絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)在電動(dòng)力下應(yīng)保持穩(wěn)定和足夠高的機(jī)械強(qiáng)度。（3）熱性能變壓器在運(yùn)行時(shí)，一部分的電能將轉(zhuǎn)化為熱能，從而使變壓器溫度上升。長(zhǎng)期工作在高溫下的變壓器容易使其內(nèi)部絕緣老化并脫落，縮短了使用壽命。因此，變壓器絕緣還應(yīng)考慮變壓器的耐熱能力。2.4變壓器匝間短路故障的物理現(xiàn)象研究變壓器在運(yùn)行時(shí)，繞組內(nèi)存在著主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)兩種磁場(chǎng)。圖2.2和圖2.3分別表示正常運(yùn)行的變壓器的漏磁場(chǎng)分布情況和變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，漏磁場(chǎng)的分布情況。（圖2.2和圖2.3均出自文獻(xiàn)）圖2.2正常運(yùn)行時(shí)變壓器的漏磁場(chǎng)圖2.3三相變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)的漏磁場(chǎng)從圖2.2和圖2.3可以看出，P-P為繞組中部半高點(diǎn)。正常運(yùn)行的變壓器P-P斷面的橫向磁場(chǎng)為零。當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，P-P斷面橫向磁場(chǎng)將在短路發(fā)生的故障相上發(fā)生劇烈的變化。因此可以得出結(jié)論：若繞組無(wú)匝間短路故障，則磁通密度在P-P截面上恒為零；若繞組存在匝間短路故障，則P-P截面處的漏磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生劇烈的變化?？梢岳寐┐艌?chǎng)的這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行變壓器匝間短路故障判定。變壓器的漏磁場(chǎng)導(dǎo)致變壓器線圈導(dǎo)線產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)流損耗，此類損耗統(tǒng)稱為附加損耗。附加損耗都是由變壓器漏磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的。變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，故障相將引起漏磁場(chǎng)的強(qiáng)烈變化，非故障相變壓器漏磁場(chǎng)變化不明顯。漏磁場(chǎng)的強(qiáng)烈變化會(huì)導(dǎo)致變壓器的附加損耗增加。匝間短路使得故障相中的等效匝數(shù)減少且產(chǎn)生了一個(gè)較大的短路環(huán)流，相當(dāng)于鐵芯上加了一個(gè)短路匝數(shù)的短路環(huán)，其值可達(dá)到20倍額定電流大小，這引起變壓器局部發(fā)熱，產(chǎn)生一個(gè)損耗。我們可以對(duì)這部分損耗進(jìn)行分析：假設(shè)變壓器參數(shù)如下：繞組電勢(shì)：，繞組短路部分電勢(shì)：繞組匝數(shù)：，繞組短路匝數(shù)：短路阻抗：，，短路繞組阻抗：，，短路繞組部分電勢(shì)：（2-6）短路部分阻抗：（2-7）（2-8）短路匝電流：（2-9）短路部分損耗：（2-10）由式2-6～2-10可得匝間短路后所增加的損耗，根據(jù)實(shí)例計(jì)算可得，其短路部分損耗的值還是非常大的。因此，由于匝間短路所增加的附加損耗是十分明顯的。從能量的角度上分析，當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障后，在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生弧光放電。故障點(diǎn)作為弧光發(fā)電的放電點(diǎn)，將產(chǎn)生大量的功率損耗，使得變壓器附件損耗增加。2.5單相雙繞組匝間短路故障分析單相雙繞組變壓器如圖2.4（a）所示。當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，無(wú)論故障發(fā)生在一次側(cè)還是在二次側(cè)，均可以用一個(gè)三繞組變壓器等效代替，如圖2.4（b）所示。圖2.4（c）為單相雙繞組變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)的等值電路。圖中表示故障點(diǎn)的弧光電阻?；」怆娮璧拇笮∨c匝間短路后的電弧路徑，絕緣油壓力，短路電流，溫度等因素有關(guān)。所引發(fā)的電弧壓降大小約為50～150V。三繞組變壓器等效模型中，短路繞組額定電壓可表示為：（2-11）圖2.4單相雙繞組變壓器匝間短路模型（a）匝間短路;（b）等效成三繞組變壓器;（c）等值電路圖2.4（c）中表示當(dāng)短路匝數(shù)為時(shí)的短路電阻的標(biāo)幺值。為弧光電阻的標(biāo)幺值。分析圖2.4（c）可得：(2-12)(2-13)其中：—變壓器的額定電壓；—故障繞組的額定電流；—匝間短路系數(shù)，。，，分別表示等效三繞組變壓器一次側(cè)繞組電抗，二次側(cè)繞組電抗和短路側(cè)繞組電抗，可由下式求出：(2-14)(2-15)(2-16)式中,,分別表示繞組1和2，繞組1和,繞組2和之間的短路電抗。考慮變壓器的總漏抗，則由式2-12與2-13可得：(2-17)假設(shè)變壓器短路電壓=10%～15%時(shí)，由2-17可得(2-18)式2-18表明，雖然不大，但是數(shù)值卻很大。因此為了避免誤差干擾，在分析變壓器匝間短路故障時(shí)，不可忽略和，應(yīng)計(jì)及和的影響。2.6變壓器匝間故障定相綜合前文分析，當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，具有以下特點(diǎn)：（1）變壓器繞組故障處會(huì)產(chǎn)生弧光，弧光放電將消耗一定的功率，非故障處無(wú)弧光放電現(xiàn)象，不會(huì)產(chǎn)生多于的功率損耗。（2）故障相中的漏磁場(chǎng)將發(fā)生劇烈變化并引起故障相附加功率損耗增加。（3）變壓器發(fā)生匝間短路故障后故相的一次側(cè)電流有所增大，非故障相電流無(wú)明顯變化。（4）故障后，繞組中存在高達(dá)數(shù)十倍額定電流的短路環(huán)流。該短路環(huán)流會(huì)造成鐵芯損耗增大，使鐵芯部分發(fā)熱并消耗大量的有功功率。綜合以上特點(diǎn)，我們可以得出結(jié)論：變壓器發(fā)生匝間短路故障后，故障相功率損耗較正常值增大，非故障相功率損耗變化不明顯。利用式2-19，通過(guò)計(jì)算變壓器的損耗功率，我們可以對(duì)變壓器進(jìn)行初步的故障相定相。(2-19)3變壓器匝間故障診斷方法3.1直流電阻試驗(yàn)變壓器發(fā)生匝間短路故障后，由于等效匝數(shù)的減少，變壓器匝間的直流電阻將發(fā)生變化。因此測(cè)量變壓器的直流電阻，得到變壓器發(fā)生短路故障后的直流電阻值，并與正常值比較，可以很好地判斷出變壓器是否存在匝間短路故障。由于變壓器發(fā)生匝間短路故障后匝數(shù)的減少，根據(jù)式2-5，變壓器的變比也會(huì)發(fā)生一定的變化。以降壓變壓器為例，假設(shè)電源側(cè)的電壓恒定不變，當(dāng)降壓變壓器的負(fù)載側(cè)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，負(fù)載側(cè)的電壓會(huì)下降；當(dāng)降壓變壓器的電源側(cè)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，電源側(cè)短路處無(wú)一次電流流過(guò)，變比下降，負(fù)載側(cè)的電壓將會(huì)上升。變壓器發(fā)生匝間短路故障后將使得電能質(zhì)量下降。通過(guò)電壓器變比的變化引起的電壓增幅來(lái)判斷變壓器是否存在短路故障。3.2油溶解氣體色譜分析法油溶解氣體色譜分析法（DissolvedGasAnalysis）,簡(jiǎn)稱DGA，是目前廣泛使用的變壓器故障診斷方法之一。使用DGA可以發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部潛伏性故障，并且油的種類的和牌號(hào)不會(huì)影響檢測(cè)的結(jié)果。采用DGA，對(duì)變壓器內(nèi)部釋放出的氣體進(jìn)行分析，能夠分析判斷出變壓器存在的潛伏性故障，結(jié)合特征氣體色譜分析，可以得出故障的嚴(yán)重程度，定位故障發(fā)生的位置，這是預(yù)防性試驗(yàn)無(wú)法判斷出的。變壓器油具有絕緣和散熱的作用，油在長(zhǎng)時(shí)間的使用后，在電和熱的作用下，將逐漸分解和老化，產(chǎn)生一些特殊的氣體。隨著故障的發(fā)展，這些氣體將逐漸溶解于油中。檢驗(yàn)變壓器油中的氫氣（），氧氣（），甲烷（），一氧化碳（），乙烯（），乙炔（），乙烷（）等氣體的含量可以判斷變壓器是否發(fā)生故障。表3.1不同故障類型所產(chǎn)生的氣體故障類型檢測(cè)產(chǎn)生的氣體油中火花放電、油紙中局部放電、、、油中電弧、、、、油紙中電弧、、、、、、受潮或油中存在氣泡油過(guò)熱、油紙過(guò)熱、、、3.2.1故障判定方法在得到變壓器油中的氣體含量后，可以通過(guò)比較油中溶解氣體的正常值來(lái)進(jìn)行故障判定。如表3.2所示為變壓器油中溶解氣體的正常值，當(dāng)油中氣體含量小于或等于表中所示氣體的含量值時(shí)，可認(rèn)為變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。表3.2變壓器油溶解氣體正常值氣體成分總烴正常極限值1004535555100總烴產(chǎn)氣速率也可以作為是否存在故障的判定依據(jù)。絕對(duì)產(chǎn)氣速率：（3-1）相對(duì)產(chǎn)氣速率：（3-2）式中：—油中某種氣體在第二次取樣中的含量（ppm）；—油中某種氣體在第一次取樣中的含量（ppm）；—兩次取樣的時(shí)間間隔（h）。根據(jù)式3-1計(jì)算出絕對(duì)產(chǎn)氣率的數(shù)值，結(jié)合總烴含量數(shù)值，一般有以下幾種情況：當(dāng)變壓器的絕對(duì)產(chǎn)氣速率>1ml/h時(shí)，可判斷變壓器存在故障。絕對(duì)產(chǎn)氣速率和總烴含量均小于正常值時(shí)，變壓器無(wú)故障。絕對(duì)產(chǎn)氣速率小于正常值，總烴含量大于3倍正常值時(shí)，可判斷變壓器存在緩慢發(fā)展的故障。絕對(duì)產(chǎn)氣速率大于正常值時(shí)，設(shè)備存在故障。若產(chǎn)氣速率與總烴含量大于3倍正常值時(shí)，變壓器存在迅速發(fā)展的嚴(yán)重故障，應(yīng)馬上采取必要的保護(hù)措施。根據(jù)式3-2計(jì)算出相對(duì)產(chǎn)氣速率，比較設(shè)備前后的產(chǎn)氣速率，可以得出故障的發(fā)展趨勢(shì)。表3.3列出了產(chǎn)氣速率與故障性質(zhì)的關(guān)系。表3.3產(chǎn)氣速率與故障性質(zhì)的關(guān)系絕對(duì)產(chǎn)氣速率故障性質(zhì)有燒傷痕跡在未損傷絕緣的情況下，設(shè)備嚴(yán)重過(guò)熱過(guò)熱性故障3.2.2故障性質(zhì)和類型判定方法在得出油中溶解氣體的含量后，我們只能得出變壓器故障與否的判斷，還不能判斷出故障的類型。這時(shí)，需要借助三比值法的幫助來(lái)確定故障發(fā)生的性質(zhì)和類型。（1）三比值法三比值法是在羅杰斯比值法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的一種用于變壓器故障類型判斷的方法。三比值法通過(guò)計(jì)算三種氣體的比值，即/，/，/的比值。對(duì)照現(xiàn)有的編碼規(guī)則和分類方法，使用已知的編碼表與得出的比值范圍對(duì)照，確定故障的類型。表3.4與表3.5給出了三比值法的編碼規(guī)則與故障判定方法。表3.4三比值法的編碼規(guī)則特征氣體比值比值編碼范圍///<0.10100,.1-11001-3121>3222表3.5三比值法判斷故障類型序號(hào)故障類型比值編碼///1低能量密度局部放電0102高能量密度局部放電1103低能量放電120124高能量放電1025低于150℃0016150-300℃0207300-700℃0218高于700℃0229無(wú)故障000當(dāng)?shù)玫降木幋a已超出已知的編碼表的范圍時(shí)，即遇到“無(wú)編碼”情況，無(wú)法根據(jù)表2.5確定故障類型。這時(shí)應(yīng)使用無(wú)編碼規(guī)則，如表3.6所示。表3.6三比值法無(wú)編碼情況下的判斷依據(jù)故障類型///低溫過(guò)熱<300<0.1<1無(wú)關(guān)中溫過(guò)熱300-700<0.11<比值<3無(wú)關(guān)高溫過(guò)熱>700<0.1>3無(wú)關(guān)高能量放電0.1<比值<3無(wú)關(guān)<1高能量放電且過(guò)熱0.1<比值<3無(wú)關(guān)>1低能量放電>3無(wú)關(guān)<1低能量>3無(wú)關(guān)>1（2）特征氣體法如前文所述，變壓器發(fā)生匝間故障時(shí)，由于故障處產(chǎn)生大量的熱，將使絕緣油分解，主要產(chǎn)生、、、、等特征氣體。根據(jù)此現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量特征氣體的含量，可以確定故障的類型。表3.7給出了利用特征氣體法判斷故障類型的依據(jù)。表3.7特征氣體法判斷依據(jù)序號(hào)故障類型特征氣體描述1一般過(guò)熱故障總烴較高，<52嚴(yán)重過(guò)熱故障總烴高，>5，但未構(gòu)成總烴主要成分，含量較高3局部放電總烴不高，>100,占總烴主要成分4火花放電總烴高，>10，含量較高5電弧放電總烴高，高并構(gòu)成總烴主要成分，含量高4變壓器匝間故障MATLAB仿真4.1引言變壓器匝間短路故障是一種常見(jiàn)的變壓器內(nèi)部故障，許多變壓器故障往往是由變壓器匝間短路引起的。匝間短路故障因其故障特征不明顯，所以匝間短路故障難以為人們所察覺(jué)。匝間短路故障需要及早發(fā)現(xiàn)，否則將發(fā)展為更加嚴(yán)重的故障，造成無(wú)法挽回的后果，因此，我們需重視變壓器匝間短路故障。利用MATLAB中的Simulink模塊，我們可以構(gòu)建一個(gè)變壓器匝間短路故障模型，用以研究變壓器匝間短路故障的特點(diǎn)，得出變壓器匝間短路故障后的電氣特征量。根據(jù)仿真得出的電氣特性量，判斷變壓器匝間是否存在故障隱患。4.2MATLAB模型仿真示例如前文所述，我們可以通過(guò)將一個(gè)三繞組變壓器的其中一個(gè)繞組短接，來(lái)模擬單相雙繞組變壓器故障。圖4.1展示了三相雙繞組變壓器匝間故障模型。該模型中，變壓器帶三相負(fù)載運(yùn)行，真實(shí)反映了變壓器正常運(yùn)行的工作狀態(tài)。模型中還設(shè)置了三相故障，用以模擬變壓器發(fā)生匝間短路故障。圖4.1變壓器匝間短路故障模型圖中變壓器A、B、C分別代表三相雙繞組變壓器的A、B、C相。仿真時(shí)間為1s。設(shè)置在0.3s時(shí)，變壓器B相發(fā)生匝間短路故障；在0.8s時(shí)，變壓器B相匝間短路故障排除，變壓器恢復(fù)正常運(yùn)行。表4.1列出了變壓器三相仿真參數(shù)。表4.1變壓器三相參數(shù)(pu)(pu)(W)頻率(Hz)變壓器A相0.03850.021735e650變壓器B相0.03850.021735e650變壓器C相0.03850.021735e6504.3仿真結(jié)果分析對(duì)圖4.1所示的變壓器匝間短路故障模型進(jìn)行Simulink仿真，得到B相短路電壓仿真波形如圖4.2所示。圖4.2中(a)(b)(c)分別為三相雙繞組變壓器非故障相A相繞組1、2、3（當(dāng)未發(fā)生匝間短路故障時(shí)，2,3為同一繞組）的短路電壓波形圖；(d)(e)(f)分別表示三相雙繞組變壓器故障相B相繞組1、2、3（3為發(fā)生匝間短路故障的故障繞組）。(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖4.2變壓器仿真電壓波形（a）A相1號(hào)繞組；（b）A相2號(hào)繞組；（c）A相3號(hào)繞組（d）B相1號(hào)繞組；（e）B相2號(hào)繞組；（f）B相3號(hào)繞組對(duì)比圖4.2(a)(b)(c)，可以發(fā)現(xiàn)，在0.3s～0.8s期間，變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，即B相發(fā)生匝間短路故障時(shí)，變壓器非故障相A相的電壓較正常運(yùn)行時(shí)電壓有所上升，這對(duì)于A相的絕緣提出了更高的要求。若不及時(shí)處理，A相長(zhǎng)期工作在正常電壓之上，容易造成A相絕緣損壞，甚至絕緣被過(guò)高的電壓所擊穿，造成變壓器損壞而無(wú)法運(yùn)行。如圖4.2(d)(e)(f)所示，變壓器B相發(fā)生匝間短路故障，故障繞組電壓較正常運(yùn)行電壓急劇下降，在發(fā)生故障的變壓器匝處的電壓為0，而非故障繞組電壓比變壓器正常運(yùn)行的電壓下降了一些。在故障相中，故障繞組存在著短路環(huán)流。短路環(huán)流將增加變壓器的附加損耗，造成變壓器發(fā)熱。過(guò)熱的溫度將使B相絕緣損壞，亦會(huì)造成變壓器事故。變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，故障相一次側(cè)電流由于短路電流的存在，將會(huì)有不明顯的增大。非故障相短路電流基本無(wú)變化。圖4.3展示了變壓器發(fā)生匝間短路故障后，非故障相A相一次側(cè)短路電壓和故障相B相一次側(cè)短路電流的波形。由圖可以看出，短路電流的變化不明顯，因此不可以通過(guò)短路電流來(lái)判斷變壓器是否發(fā)生匝間短路故障。(a)(b)圖4.3變壓器匝間短路電流（a）非故障相A相短路電流；（b）故障相B相短路電流故障相B相中的故障繞組的短路電流借助FFTanalysis模塊，進(jìn)行傅里葉變化分析，得出短路電流的成分如圖4.4所示。從0.3s開(kāi)始，變壓器發(fā)生匝間短路故障，對(duì)B相繞組2從0.3s開(kāi)始兩個(gè)周期的短路電流進(jìn)行分析，以柱形圖表示，橫軸為頻率，縱軸為該頻率的電流所占的百分比。從圖4.4中可以看出，當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，故障繞組處的短路電流含有非周期分量卻不含大量的二次諧波分量，也不含大量的高次諧波分量。變壓器的勵(lì)磁涌流含有大量的二次諧波分量的同時(shí)也含有大量的高次諧波分量。因此，我們可以排除該電流為勵(lì)磁涌流，而確定該電流為變壓器匝間短路故障后產(chǎn)生的故障短路電流。圖4.4變壓器匝間短路電流成分根據(jù)仿真，我們得到了該模型的仿真電壓波形和短路電流成分。如前文所述，當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，變壓器的由于等效匝數(shù)的減少，變比將發(fā)生改變，這將使變壓器的變壓發(fā)生改變。由圖4.2可以看出變壓器在仿真開(kāi)始后，非故障相電壓增大，而故障相的電壓減少，同時(shí)分析短路電流成分可得短路電流中不含有大量的高次諧波，但含有少量的二次諧波，因此可以判斷出變壓器發(fā)生匝間短路故障。5總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上描述了變壓器的基本特性，并提出了變壓器匝間絕緣的要求，簡(jiǎn)述了檢驗(yàn)變壓器匝間故障的研究現(xiàn)