【文章內(nèi)容簡介】 故障及其診斷技術(shù) 相關(guān)知識； ⑵ 學(xué) 習(xí) 變壓器故障預(yù)測技術(shù)； ⑶ 對 灰色系統(tǒng)預(yù)測方法做深入的研究； ⑷ 建 立變壓器故障 灰色預(yù)測模型 。 ⑸ 用實例證明本文提出的預(yù)測模型的有效性 。 ⑹ 總 結(jié)上述研究成果，并提出了進一步研究的方向。 6 第 2 章 變壓器故障分析 目前電力系統(tǒng)中運用的各種變壓器原理相同，均為電磁感應(yīng)；但因各種需要，它們的結(jié)構(gòu)組成并不完全相同。本章介紹各種變壓器類型以及故障類型，并著重分析目前應(yīng)用最為 廣泛的油浸 式變壓器的 缺陷數(shù)據(jù)及其故障預(yù)測對應(yīng)關(guān)系。 變壓器介紹 變壓器原理 變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)原理，將一種交流電壓的電能轉(zhuǎn)換成同一頻率的另一種交流電壓的電能。 在電力系統(tǒng)中，為了將大功率的電能運送到遠距離的用戶區(qū)，需要采用升壓變壓器將發(fā)出的電壓逐級升高到 220kV~500kV，以減少線路損耗；在電能輸送到用戶地區(qū)后，再用降壓變壓器逐級降低到配電電壓，供動力設(shè)備、照明使用。在電力傳輸中，變壓器具有極為重要的作用。 變壓器分類 變壓器可以按照用途、繞組數(shù)目、相數(shù)、冷 卻方式分別進行如下分類。 ⑴ 按照用途分類為：電力變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器、試驗變壓器、調(diào)壓變壓器、電抗器、互感器、特殊用途變壓器。 ⑵ 按照繞組數(shù)目分類為：雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器。 ⑶ 按照電源輸出相數(shù)分類為：單相變壓器、三相變壓器。 ⑷ 按照冷卻方式分類為：以空氣為冷卻介質(zhì)的干式變壓器、以油為冷卻介質(zhì)的油浸式變壓器。 ⑸ 按照調(diào)壓方 式分類為：無載調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器。 ⑹ 按照鐵心結(jié)構(gòu)分類為：芯式變壓器、殼式變壓器。 ⑺ 按照中性點絕緣水平分類為：全絕緣變壓器、分級絕緣變壓器。 ⑻ 按照導(dǎo)線材料分類為：銅導(dǎo)線變壓器、鋁導(dǎo)線變壓器。 ⑼ 按照防潮方式分類為：開啟式變壓器、密封式變壓器、全密封式變壓器。 變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器的主要構(gòu)件是鐵芯和繞組。鐵芯和繞組通過絕緣組裝和引線組裝組成變壓器的器身，將器身裝在 油箱外殼內(nèi) , 浸上變壓器用絕緣油 , 再配置上各種附 7 件裝置 , 就構(gòu)成了油浸電力變壓器。不浸絕緣油的器身 , 直接配置附件裝置的變壓器稱為干式變壓器。 變壓器附件 , 按變壓器容量及電壓等級的不同有不同的設(shè)置 ,變壓器采用的組配件數(shù)量很多。可按組配件用途分類為六大部分或稱六大裝置 , 即散熱裝置、調(diào)壓裝置、引出裝置、保護裝置、測量裝置和起吊運輸裝置。 變壓器的安裝方式 正確安裝變壓器是保證變壓器安全運行的重要條件之一。 變壓器安裝方式有多種。但概括起來可分為室內(nèi)、室外兩大類。室內(nèi)稱為配電室；室外有桿架式、臺 墩式和落地式變臺。 ⑴ 變壓器的室內(nèi)布置 室內(nèi)布置就是把變壓器裝設(shè)在室內(nèi)，將高壓線路經(jīng)穿墻套管或用高壓電纜引入，經(jīng)高壓開關(guān)柜接至變壓器，它的低壓側(cè)經(jīng)低壓開關(guān)柜或開關(guān)板送出。需要建筑專用的變壓器室。 將變壓器放置在室內(nèi)運行，具有清潔、安全等優(yōu)點，但配電室必須達到 1 級耐火標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的通風(fēng)條件，門窗耐火，并能防止小動物及雨水侵入。室內(nèi)通道應(yīng)寬敞，以滿足安裝上規(guī)定的要求。 ⑵ 變壓器的室外布置 變壓器的室外布置根據(jù)其容量的大小、裝設(shè)地區(qū)的不同以及吊運是否方 便 .通常有桿架式、臺墩式和落地式三種安裝方式。變臺是指變壓器和它的附屬設(shè)備的總稱。 ① 桿架式，桿架式變臺又分為單桿變臺、雙桿變臺和三桿變臺三種。 單桿變臺是將變壓器、高壓跌落式熔斷器和高壓避雷器裝在一根電桿上。適用于安裝 50kVA 及以下變壓器。結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、用料和占地都比較少。 雙桿變臺是在離地 ～ 3m 的兩根桿上安裝，在臺架上方 2m 處裝設(shè)母線架，高壓引線接在母線架上，桿上還裝橫擔(dān)并安裝室外跌落熔斷器、避雷器和引線。 三桿變臺由高壓線電桿和另外兩根電桿組成。高壓線 電桿上只裝設(shè)高壓跌落式熔斷器，與另兩根電桿組成的臺架供安裝變壓器使用。 ② 臺墩式，地臺式變臺用磚石砌成高 ～ 2m 的臺墩，把變壓器安放在上面。其特點是高壓線的終端桿可兼作低壓線路的始端桿、結(jié)構(gòu)簡單、基礎(chǔ)牢固、造價較低。 8 ③ 落地式，落地式變臺是把變壓器安置在地面矮臺上，適合于 500kVA 以上大容量的變壓器。這種變臺占地多，但拆裝、運輸方便。為防水浸，變壓器底部基座要高出最大洪水的高度。 變壓器故障分析 變壓器在長時間運行過程中，由于各種 內(nèi)因外因的影響，難免發(fā)生故障。 變壓器故障主要發(fā)生在繞組、鐵芯、套管、分接開關(guān)和油箱等部位。最常見的故障是繞組故障，如 繞組變形、繞組和鐵芯壓緊松動等機械故障； 其中絕緣老化和層間絕緣損壞的是最多的；其次是套管損壞、分接開關(guān)失靈、絕緣油劣化，鐵芯和其他零件的故障較少。 電力系統(tǒng)根據(jù)引起故障的原因，一般將電力變壓器故障分為內(nèi)部故障和外部故障兩種情況： ⑴ 內(nèi)部故障包括： 繞組和鐵芯壓緊的松動；繞組諧振； 繞組的相間短路、接地短路和繞組的匝間短路； 過熱；絕緣退化；氧化；受潮；絕緣油的固態(tài)污 染；局部放電；設(shè)計和制造缺陷；磁路故障，鐵芯多點接地；由于鐵芯、開關(guān)、引出線絕緣損傷，導(dǎo)致局部溫度過高。 內(nèi)部故障會引起火災(zāi)甚至使油箱爆炸，使變壓器發(fā)生嚴重損壞。 ⑵ 外部故障包括： 雷擊；系統(tǒng)切換誤操作；系統(tǒng)過載；系統(tǒng)故障如短路；外部故障主要表現(xiàn)在油箱殼以外 套管及引線上產(chǎn)生的各種相間及接地短路 。絕緣套管發(fā)生閃絡(luò)放電，高低壓引線間發(fā)生多路等，變壓器的 引線發(fā)生故障，如：絕緣損壞或擊穿、內(nèi)部斷線、繞組匝間層間出現(xiàn)短路以及繞組發(fā)生變形等情況。絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障，主要指絕緣油故障和主絕緣中發(fā) 生故障，一般指相間發(fā)生短路、絕緣系統(tǒng)有受潮現(xiàn)象、絕緣油出現(xiàn)異常、出現(xiàn)圍屏樹枝狀放電等 [9]。 下面就舉例分析一下電力變壓器實際運行中的各種故障以及解決方案： 變壓器聲音發(fā)生異常 ⑴ 當(dāng)壓緊鐵芯或夾件的螺絲釘松動時，儀表指示正常，其絕緣油的油位、溫度與顏色也會沒有明顯的變化，但聲音嘈雜而大，應(yīng)立即停運并進行檢查； ⑵ 變壓器的內(nèi)部接觸不良或機體絕緣擊穿，變壓器表現(xiàn)出“ 噼啪”或“吱吱”的聲音，且響聲隨故障點的遠近發(fā)生變化，應(yīng)立即停運并進行檢查 ； 9 ⑶ 變壓器匝間短路或分接開關(guān)接觸不良，局部點溫度較高，導(dǎo)致附近零件嚴重發(fā)熱使油氣化。發(fā)出“咕嚕咕?！彼序v的聲音。應(yīng)立即停運并進行檢查； ⑷ 使用大容量動力設(shè)備時，其負荷會發(fā)生較大變化，變壓器也會發(fā)出很大聲音，諧波分量使變壓器內(nèi)瞬間發(fā)出咯咯的間歇性聲音。應(yīng)立即停運并進行維修； ⑸ 變壓器部分零件振動，造成機械接觸或靜電放電引起的有規(guī)律、連續(xù)的摩擦或撞擊聲，沒有太大危險，不必立即停止運行，可在計劃檢修時再排查。 變壓器溫度發(fā)生異常 變壓器過熱對其本身有很大的危害，溫度升高使絕緣體的機械強度和耐壓度降低甚至損壞絕緣體，導(dǎo)致變壓器使用壽命縮短。油溫異常升高是變壓器過熱的主要表現(xiàn)；主要體現(xiàn)在變壓器超負荷運行、冷卻裝置故障或絕緣油顏色變化等。 當(dāng)變壓器油溫過高時，應(yīng)對以上原因逐一檢查，做出準(zhǔn)確判斷，及時處理。 ⑴ 若運行儀表指示超過變壓器最大負荷，而單相變壓器組三相溫度計指示基本一致，冷卻裝置指示正常，變壓器也正常時，油溫升高就是由超負荷引起的，要對變壓器加強監(jiān)視，并及時向上級調(diào)度部門匯報，可 轉(zhuǎn)移負荷或縮短負荷時間。 ⑵ 冷裝置發(fā)生故障，也會導(dǎo)致變壓器溫度升高；如冷卻裝置沒有投入運行，應(yīng)立即投入運行；冷卻裝置發(fā)生故障，要及時進行處理，排除故障。 ⑶ 絕緣油顏色發(fā)生顯著變化，絕緣油在運行中可能與空氣接觸，并吸收空氣中水分，導(dǎo)致絕緣性能下降；油常在高溫環(huán)境中運行，與氧接觸產(chǎn)生酸性氧化物，腐蝕金屬或絕緣，增加介質(zhì)損耗，降低絕緣，引發(fā)閃絡(luò)使外殼或繞組被擊穿。 ⑷ 指示發(fā)生誤報，在變壓器的運行中，遠裝置溫度指示異常，但現(xiàn)場 中溫度指示正常，且無其它故障。表明遠裝置測溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可安排時間進行檢查 [10]。 變壓器油枕故障 油枕油位已注滿時，呼吸器出現(xiàn)變壓器油向外噴流，但是其它裝置表現(xiàn)均為正常，停止變壓器的運行，對變壓器進行電氣試驗，試驗結(jié)果正常。拆開視察窗進行檢查，未看到油，這表明油枕出現(xiàn)故障。 鐵芯多點接地故障 變壓器鐵芯出現(xiàn)兩點以上的接地，稱為多點接地；導(dǎo)致產(chǎn)生渦流，鐵芯過熱，絕緣油劣化變質(zhì)，嚴重時還會將鐵芯燒毀，接地線燒斷。 發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地后，要立即停電，檢查及處理吊芯。如果系統(tǒng)暫時不能停電， 可采用臨時串聯(lián)電阻的方法，為外引鐵芯接地回路上串聯(lián)電阻，對環(huán)流的增 10 加進行限制，防止故障再發(fā)生惡化。在串聯(lián)電阻前，要對鐵芯接地回路的環(huán)流及開路電壓分別進行測量，計算對應(yīng)串電阻的阻值。 為保障變壓器正常運行，應(yīng)避免鐵芯多點接地，實踐中將鐵芯與外殼進行可靠地連接，以保證鐵芯與外殼的等電位。 絕緣老化 絕緣老化導(dǎo)致大部分的變壓器都嚴重的縮短了服役時間。 變壓器正常運行中，絕緣材料也在不斷的損耗，當(dāng)使用達到一定的年限時，絕緣材料就會嚴重老化，出現(xiàn)發(fā)黑、枯焦等情況；而在超負荷運行等條件下，其絕緣將加速老化， 只要繞組稍受震蕩或略受摩擦，絕緣即可完全變形甚至損壞，導(dǎo)致匝間或?qū)娱g短路。絕緣老化后絕緣性能也明顯降低，容易擊穿。 制定一定的保障制度，降低老化的速度可以增加變壓器的使用年限 [11]。 放電故障 根據(jù)放電的能量密度的大小，變壓器的放電故障常分為局部放電、火花放電和高能量放電三種類型。 放電對絕緣有兩種破壞作用：一種是由于放電質(zhì)點直接轟擊絕緣，使局部絕緣受到破壞，并使絕緣擊穿；另一種是放電產(chǎn)生的熱、臭氧、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用，使局部絕緣受到腐蝕，介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致熱擊穿。 分接開關(guān) 故障 ⑴ 無載分接開關(guān)故障 變壓器漏油時，分接開關(guān)會在空氣中裸露，從而會引發(fā)分接開關(guān)的絕緣受潮，容易導(dǎo)致放電短路的發(fā)生，引起變壓器的損壞。 ⑵ 有載分接開關(guān)故障 有載分接開關(guān)在頻繁的切換操作過程中，會產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致油中產(chǎn)生乙炔等可燃性氣體，此時切換開關(guān)將會造成油內(nèi)滲進入變壓器主體油中，造成主體油箱內(nèi)可燃性氣體含量的異常增加，威脅變壓器的可靠運行。 分接頭接觸不良會導(dǎo)致局部溫度過高、防爆器失效、氣體繼電器誤動作、閃絡(luò)或放電等 [12]。 短路引起 的故障 變壓器短路故障主要是變壓器出口短路，以及內(nèi)部引線或繞組間對地短路 及相與相之間發(fā)生的短路而導(dǎo)致的故障 。 11 當(dāng)變壓器發(fā)生二次側(cè)短路、接地等故障時，二次側(cè)將會產(chǎn)生高于額定電流 23倍的短路電流，在一次側(cè)必然要產(chǎn)生很大的電流來抵消二次側(cè)短路電流的消磁作用，如此大的電流作用于高電壓繞組上，線圈內(nèi)部將產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，致使線圈壓縮，其絕緣襯墊、墊板就會松動脫落，鐵芯夾板螺絲松弛，高壓線圈畸變或崩裂，導(dǎo)致變壓器在很短的時間內(nèi)燒毀， 嚴重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴重的后果和損失，因此應(yīng)引 起足夠重視。變壓器二 次側(cè)短路也是造成變壓器損壞最多的故障。 過電壓引起的故障 電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的電壓異常升高，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。變壓器的絕緣長期耐受工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運行。而當(dāng)電壓過高超過變壓器承受幅度，就會造成變壓器故障。 變壓器過載故障 隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，用電負荷在增多，發(fā)電廠、用電部門在不斷的持續(xù)緩慢提升負荷。直接導(dǎo)致越來越多的變壓器超負荷運行。 過載條件下，過高的溫度導(dǎo)致了變壓器的絕緣紙板過早 的老化，使得整個絕緣強度下降。此時若有一定的沖擊電流，變 壓器線圈溫度迅速增加，造成絕緣材料變脆弱，加速老化，形成大量裂紋甚至脫落，嚴重時使線體裸露，而造成匝間短路?；蛘哂捎谕獠抗收蠜_擊力導(dǎo)致絕緣破損進而發(fā)生故障。 確保負荷在變壓器的額定運行條件下，不要長時間的過負荷運行，否則得不償失。 絕緣油劣化 絕緣油在變壓器的正常運行中起著重要作用。它可以將繞組和鐵芯等產(chǎn)生出來的熱量傳遞至變壓器的冷卻裝置，因而是良好的散熱媒介，此外還可以在繞組之間、繞組與鐵芯和箱體之間起到絕緣介質(zhì)的作用。 在變壓器的運轉(zhuǎn) 過程中，絕緣油在較高溫度下運行，可能會溶解大量空氣，并與氧氣作用生成各種酸性氧化物，從而使得絕緣受到腐蝕，同時，還會增加絕緣油的介質(zhì)損耗，降低絕緣油的品質(zhì)，引發(fā)變壓器內(nèi)閃絡(luò)，導(dǎo)致?lián)舸┦鹿?。另一方面，絕緣油也可能因與空氣接觸而吸收空氣中所含的水分，因水在變壓器電場 12 的作用下容易電離分解，從而增加了絕緣油的導(dǎo)電性能，不利于變壓器的安全運行。 滲油及套管閃烙 滲油是變壓器最為常見的外表異?，F(xiàn)象。由于變壓器本體內(nèi)充滿了油，各連接部位處都有膠珠、膠墊防止油的滲漏。長時間的運行，會使變壓器中某些膠珠、膠墊老 化龜裂而引起滲油，導(dǎo)致絕緣受潮后性能下降，放電短路，燒毀變壓器。 套管閃絡(luò)放電也是變壓器常見的外表異常之一?？諝庵杏袑?dǎo)電性能的金屬塵埃附吸在套管表面上，在變壓器套管滲油情況下，會導(dǎo)致變壓器套管吸附塵埃，若遇上雨雪潮濕天氣，就可能會造成套管閃烙放電。在變壓器的檢查維護中，對變壓器套管滲油問題要得到及時的解決，否則造成事故的可能性極大。 變壓器雷擊故障 我們對于雷擊導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障的研究比較少，因為很多時候不是直接的雷擊事故就會把沖擊故障歸為“線路涌流”。 雷擊故障主要有兩種，一種是因為避雷器接 地電阻過高，當(dāng)雷電流流經(jīng)時引