【正文】 ...................................................................... 31 軟件程序設計 ..................................................................................................... 33 本章小結(jié) ............................................................................................................. 35 6 運行結(jié)果及其分析 ....................................................................................................... 36 結(jié) 論 ............................................................................................................................... 39 致 謝 ............................................................................................................................... 40 參 考 文 獻 ..................................................................................................................... 41 1 1 引言 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)碾娏鳎瑥亩行У臏p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)榭赡堋? 電力變壓器是電力系統(tǒng)最重要和最貴重的設備，它們的安全運行直接關(guān)系到電網(wǎng)的供電可靠性。電力變壓器故障診斷技術(shù)的研究是電力變壓器狀態(tài)維修的基礎工作。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(shù)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)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(guān)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。 變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測的發(fā)展及其現(xiàn)狀 變壓器在線監(jiān)測技術(shù)就是在工作電壓下對變壓器中相關(guān)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)進行比較，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，確保變壓器的安全穩(wěn)定運行。 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 國外的設備狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)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，目前已 向以可靠性為中心的狀態(tài)檢修(RCM)發(fā)展。口本是從八十年代開始對電力設備實施以狀態(tài)分析和在線檢測為基礎的狀態(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。基于計算機網(wǎng)絡技術(shù)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 2 以及氣體濃度的變化率 ； 故障報警 ； 歷史紀錄 ； 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 的含量達到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 HYDRAN 2018 Model Ti 變壓器故障氣體在線監(jiān)測裝置 (左 ) 圖 HYDRAN 103B 便攜式變壓器故障氣體監(jiān)測器 (右 ) 國內(nèi)的發(fā)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 年頒布的《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(shù)，采用以設備狀態(tài)監(jiān)測為基礎的設備維修方法，不斷提高設備管理和維修技術(shù)現(xiàn)代化，原電力部頒布的《發(fā)電廠檢修規(guī)程》中也指出 “ 應用診斷技術(shù)進行預知維修是設備檢修的發(fā)展方向，各主管局可先在部分管理較好且維修技術(shù)資料完整的電廠進行試點積累經(jīng)驗，逐步推廣 ” ?？梢?，開展狀態(tài)檢修技術(shù)研究是一項勢在必行的工作，是檢修技術(shù)發(fā)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(shù)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 3 態(tài)檢修技術(shù)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有限公司合作開發(fā)的大型油浸電力設備色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得了 2021 年度中國電力科學技術(shù)二等獎。油中溶解氣體分析 (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較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)測尚存在不足之處，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。 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障檢測原理的研究，采用 虛擬儀器技術(shù)，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(guān)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。主要敘述了課題的設計要求，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(shù)、 LabVIEW 軟件設計等。 第六章，運行結(jié)果。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。 4 本章小結(jié) 本章闡述了電力變壓器故障診斷技術(shù)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(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，指出了目前電力變壓器故障診斷技術(shù)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。 5 2 電力變壓器內(nèi)部故障與油中溶解氣體的關(guān)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 CH C2H 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。隨著故障的進一步發(fā)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，判斷是否會危及其安全運行。 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、油箱、高低壓套管、引線、散熱器、凈油器、儲油柜、氣體繼電器、分接開關(guān)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(guān)和高低壓套管及引線有關(guān)。 (1)繞組 ： 繞組是電力變壓器的最重要和最復雜的部件，它基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)成的油道及其高低壓引線構(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 扼的硅鋼片間部分交錯搭接，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，表面電荷密度大，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。 6 (4)分接開關(guān) ： 分接開關(guān)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)供給用戶穩(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(guān)分為無勵磁或無載分接開關(guān)和有載 分接開關(guān)。 (5)高壓套管 ： 高壓套管包括帶電荷絕緣兩部分，它與繞組和電網(wǎng)連接，承擔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。 電力變壓器內(nèi)部故障的主要類型 1 繞組故障 繞組故障包括各個部分絕緣的老化，繞組的受潮，繞組層間、匝間短路，高低壓繞組間發(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表面 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(guān)變換極性時的短暫間，套管均壓球和無載分接開關(guān)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。 7 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(guān)故障 充油變壓器無載分接開關(guān)常見的故障有 ： 當上分接頭的相間絕緣距離不足且絕緣