111电气设备绝缘试验方法研究111(3)

10kV以下，随着系统电压的提高，这个电压与设备运行之间的差距越来越大。由于试验电压低，一些一般性的缺陷不易被发现，而且试验中现场的各类干扰的影响也相应加大，影响到试验结果的准确性。在现场曾多次发生预防性试验合格后不久，设备就发生事故的情况。

基于以上原因，显然单靠传统的预防性试验已不能满足电力系统飞速发展的要求，为了确保电力系统的安全运行，最大限度的降低事故率，迫切需要寻求新的更有效的试验监测方法。近年来的实际经验表明，采用在线监测技术能较好地解决以上的问题，满足电力系统的下述要求[3,5,6]：

(l) 采用在线监测技术可以及时发现发展中的事故隐患，防范于未然； (2) 逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时间，节省试验费用； (3) 对老旧设备或己知有缺陷，怀疑有缺陷的设备，用在线监测来随时监视其运行状况，一旦发现问题能及时退出，最大限度的利用这些设备的剩余寿命。

1.2.2 变压器在线监测的方法

近年来，随着对电力系统稳定性要求的提高，状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。主要有以下几方面的原因：①由于电力设备的故障, 不仅会造成供电系统意外停电而导致电力公司经济效益减少，且可能造成用户的重大经济损失和抱怨, 因此迫切需要做到有计划的维护和停电；②电力部门希望尽量延长电力设备的维护间隔、缩短维护时间, 从而缩短停电时间，减少因停电维护而造成的影响, 增加经济效益；③尽可能延长电力设备的使用寿命，以增加经济效益。这些因素促使电力系统采用状态监测技术。可以肯定地说，广泛采用状态监测技术是电力系统发展的必然趋势。

电力变压器主要的在线状态监测方法有油中气体分析法、局部放电检测法、绝缘恢复电压法等等。

油中气体分析法是含油设备（如变压器）绝缘监测最常用的方法之一，他能够在无需停电的情况下进行，而且不受电磁场干扰，检测结果具有重复性和再现性，更重要的是国内外已经积累了丰富的故障判断经验。由于设备内部不同的故障会产生不同的气体, 如电弧会产生乙炔气, 而过热的纤维将产生碳氧化物, 因此, 通过分析油中气体的成分、含量和相对百分比，就可达到对设备绝缘诊断的目的。几种典型的油中气体如H2 、CO、CH4、C2H6、C2H4和C2H2，常被用作分析的特征气体。在检测出各气体成分及含量后, 常采用特征气体法和或罗杰斯比值法来对变压器的内部故障进行判别, 如局部放电、火花放电、过热等。已有的DGA技术能够确定气体的类型、浓度、趋势及气体的产生速率。油中溶解气体的变化速率在决定故障发展严重性方面很有价值。

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局部放电(Partial Discharge PD)，既是设备绝缘系统老化的征兆, 也是造成绝缘老化的一个重要机理。油中气体分析法可以从一个方面反映局部放电, 而专门对局部放电进行测量也是设备状态监测的一个重要方面。常用的局部放电检测方法有声学检测、光学检测、化学检测、电气测量等方法。一种常用的局部放电检测法是声学检测法, 该方法是将一个高频声学传感器阵列附在变压器箱的外部。这些传感器对局部放电或电弧放电产生的暂态声音信号非常敏感，而对振动和一般噪声不敏感。这种方法采用时间间隔定位法来确定具体的放电位置。

恢复电压法是一种根据总的绝缘系统状态来评估绝缘设备寿命的监测方法, 也就是广为采用的、大家熟知的界面极化法(interfacial polarisation)。这种方法是利用一个直流电压对绝缘器或绝缘系统(如变压器)进行充电, 到一个预定的充电时间后将电路短路, 进行部分放电。短路时间为充电时间的一半。然后再开路, 这时在电极两端会建立起一个恢复电压。该恢复电压的最大值正比于绝缘材料的极化能力, 而初始斜率则正比于极化的传导率，即材料用的时间越长、退化越严重, 则响应的初始斜率越大。

1.2.3 在线监测的发展阶段

总结国内外发展状况，变电站电气设备在线监测技术的发展，主要经历了以下三个阶段[7、8]：

(1) 带电测试阶段。这一阶段起始于20世纪70年代左右，当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些绝缘参数(主要是泄漏电流)进行直接的测量。其结构简单，测试项目极少，而且要求被试设备对地绝缘，测试的灵敏度较差，应用范围少，未能得到普及和推广；

(2) 20世纪80年代开始，出现了各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术开始从传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接入测量回路，而代之以利用传感器将被测量转换成数字一起可以直接测量的电气信号；

(3) 从20世纪90年代开始，出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统，利用先进的传感器技术、计算机技术、数字波形采集和处理等高新技术，综合以专家系统、模糊诊断、神经网络等各种智能技术，实现监测系统的全自动化、智能化、实时化、网络化。

1.3 本课题主要任务

分析国内外变压器在线监测的发展状况，设计一个变压器油中溶解气体在线状态监测系统，监测变压器的运行状态。该系统在线监测变压器的故障特征信息，在这些信息的基础上利用诊断算法对变压器的故障进行诊断，从而判断是否发生故障和故障的类型。本课题的章节具体安排如下：

阐述了本次课题的意义、背景，介绍了常用的变压器在线监测的方法，以及变压

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器油中溶解气体分析（DGA）在国内外的发展现状；分析变压器油的成份及气体产生机理，介绍了故障与特征气体的对应关系和油气分离的常用方法；讨论了基于油溶解气体分析的变压器故障诊断的方法和判断故障类型的各种主要方法；在前面的理论基础上，设计出一个基于油中溶解气体的变压器在线监测系统，包括硬件电路和软件流程。

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2 变压器油中溶解气体分析原理及方法

充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老化，产生某些可燃性气体。当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一个非常复杂的电气设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素存在耦合，特征气体形成涉及的机理十分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断方法对智能诊断方法有很好的借鉴意义。

2.1 变压器油的成份及气体的产生机理

2.1.1 油中气体的成份

变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。变压器油主要由碳氢化合物组化，包括烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃等。根据模拟试验的结果：发生故障时分解出的气体为：1.300~800℃，热分解产生的气体主要是低分子烷烃(甲烷CH4、乙烷C2H6)和低分子烯烃(乙烯C2H4、丙稀C3H6)，也含有氢气H2。2.当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是氢气玩和乙炔C2H2，并有一定量的CH4、C2H4。3.发生局部放电时，绝缘油分解的气体主要是H2和少量CH4。发生火花放电时，则还有较多的C2H2 [9，10]。

绝缘纸、绝缘板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄糖基借助1一4配键连接起来的大分子，其化学通式为(C6H10O2)n，具有很大的强度和弹性，机构性能良好。由于油和油浸纤维绝缘的过热或热解产生碳的氧化(CO，CO2)和一些氢气或甲烷(H2，CH4)。它们产生的比率取决于温度指数和在该温度下材料的体积。由于体积效应，中等温度下，一个较大体积的绝缘材料受热将会和一个较高温度下较小体积的绝缘材料受热产生同样数量的气体。

模拟试验结果表明，绝缘纸在120~150℃长期加热时，产生CO和CO2，且以CO2为主，在200~800℃下热分解时，除产生CO，还含有氢烃类气体(CH4、CO2外，C2H4等)，且CO和CO2的比值越高。

2.1.2 气体在油中的溶解

油、纸等绝缘材料所产生的气体能溶解于油中，也有释放到油面上，每种气体在一定的温度、压力下达到溶解和释放的动平衡，即最终将达到溶解的饱和或接近饱和状态。油中气体溶解度可用奥斯特瓦尔德系数Ki表示，当气、液两相达到平衡时，对某特定气体：

Coi?KiCgi (2.l)

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式中Coi：在平衡条件下，液相中组分i的浓度，ppm

Cgi：在平衡条件下，气相中组分i的溶度，ppm

Ki：组分i的奥斯特瓦尔德(OStwald)系数。

表2.1 各种气体在矿物绝缘油中的ki值 气体组分 20℃ 0.05 0.09 0.12 0.17 0.43 1.08 1.20 1.70 2.40 50℃ 0.05 0.09 0.12 0.17 0.40 1.00 0.90 1.40 1.80 H2 N2 CO O2 CH4 CO2 C2H2 C2H4 C2H6 各种气体在矿物绝缘油中的ki值见表2.1[11]，用于表示油中气体的溶解度，它和温度有关，溶解度低的气体如H2、CO、N2随温度上升而增加，CH4和溶解度高的

CO2、C2H2、C2H4、C2H6等则随温度上升而下降。式(2.1)也是亨利(Henry)定律

的表达式。

当其内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气体分子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和，就不会有自由气体释放出来。若故障存在时间较长，油中气体已达到饱和，即会释放出自由气体，进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部分溶于油中外，还会有一部分成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氢、氧置换出来。置换过程和气泡上升速度有关，故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时间长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中，进入气体继电器内的就几乎只有空气成分和溶解度低的气体如H2、CH4，而溶解度高的气体则在油中含量较高。

反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解和置换过程来不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中，使气体继电器中积存的故障特征气体反比油中含量高得多，还可能引起报警，这也是油中溶解气体分析对发现突发性故障不灵敏的原因。因此进行故障诊断时，不仅应分析油中气体，也应分析气体继电器中积存的气体。

顺便指出变压器中因故障产生的气体是通过扩散和对流而达到均匀溶解于油中的，对强迫油循环的变压器则对流速度更快，因此故障点周围只是在瞬间存在高浓度气体。

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