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油浸式电力变压器内部放电故障分析
&&通过对变压器内部放电故障进行分类:局部放电 火花放电和电弧放电 据此对它们产生放电故障的特征进行分析。
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变压器油常识讲.doc 17页
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变压器油常识讲
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变压器油常识讲座
一、变压器油基础知识
1．有机化合物概念
变压器油是有机化合物。“有机化合物”的“机”指的就是“碳”。
“碳”为什么叫“机”呢？没有什么道理，这是中国化学家给起的名字。英文名是organic compound，而organic即“有机”这个词的含义是“器官的、有机体的”，里面并没有单独表达“机”的含义，也没有说“有机就是有碳”。
除变压器油外，绝缘纸和纸板以及其他绝缘材料也是有机物。
2．氢、碳、氧、氮原子的结构
为什么要讲“原子结构”？因为原子结构决定了原子构成什么样的物质。
为什么要讲这几个原子的结构？因为有机物主要是由这几个原子构成的。
2.1 氢原子的结构
核内一个质子，核外一个电子。
2.2 碳原子的结构
碳原子的原子核中有6个正电荷，那么，原子核的外部就有6个电子。其排布方式是：
第一层：两个1S电子，各自的自旋方向相反。
第二层：4个电子，2S亚层2个，各自的自旋方向相反；2P亚层2个，没有配对，同向各自旋转。
2.3 氧原子的结构
核内8个正电荷，核外8个电子，即比碳原子多两个。
第一层：两个1S电子，各自的自旋方向相反。
第二层：6个电子，2S亚层2个，各自的自旋方向相反；2P亚层2个，配对，各自的自旋方向相反；第5个第6个，没有配对，同向各自旋转。
2.4 稳定结构
对于绝大多数原子而言，当最外层的电子为8个时，才最为稳定（惰性气体除氦外全是这样）。碳原子也不例外。它有再结合4个电子而成为8电子层的倾向。氧原子有再结合2个电子而成为8电子层的倾向。
3．有机化合物的形成
3.1 简单的有机化合物
甲烷。哪个原子最容易和碳原子结合呢？氢原子最容易，它的原子核外边只有一个电子。照这个规律，碳原子应该结合4个氢原子才达到8电子稳定结构，于是就得到甲烷：CH4。应该指出：刚才所讲2S亚层2个电子，各自的自旋方向相反；2P亚层2个电子，没有配对，同向各自旋转，在和氢原子结合的过程中，2S亚层的2个电子分离开来，和2P亚层上的2个电子完全一样了。（氧原子结合两个氢原子达到8电子稳定结构，即成为水H2O，但水不是有机物。）
乙烷。碳原子和碳原子也能结合，于是就形成其他化合物，乙烷就是最简单的碳原子和碳原子的结合物：CH3—CH3，可以理解为两个甲烷分子个失去一个氢原子后的结合。
以上两个属于烷烃。
乙烯：乙烯中只有4个氢原子，碳和碳再互相结合，也是形成了8电子稳定结构。那么，得到双键：CH2=CH2
乙炔：只有2个氢原子，形成三键。
为环烷烃。
为芳香烃。
3.2复杂的有机化合物
种类很多，可能已经超过100万种。
前述两个碳原子结合，叫“乙”，照此类推，就有丙、丁、戊、己、庚，等等，超过癸之后，就有十一、十二等等，分子式如：CH3-CH2-[CH2]n-CH3
而环烷烃和芳香烃也已有很复杂的结合形式。
其中R为烷烃去掉一个氢原子剩余的部分。
4．变压器油化学组成
4.1石油的成分
石油天然气
常温下是气体；
馏程40~200℃；
馏程200~270℃；
馏程270~340℃；
馏程340~400℃以上。
4.2 变压器油的成分
变压器油就是由润滑油精制而成的。它的主要成分和石油一样有以下三类物质,也就是上面给出结构式的三大类物质（当然微量杂志是必然会有的）：
变压器油中的烷烃碳原子数大约在18~24之间。烷烃含量大约占25%~60%。
值得说明：上述像乙烯那样的双键化合物和像乙炔那样的三键化合物，也有含十几个碳的，但变压器油里不含长链烯烃和炔烃。
（2）环烷烃
当烷烃的分子链比较长时，会形成环烷烃。五、六元环是最为常见的，因为容易成环并且稳定。但是，仅仅有一个五、六元环，还够不上变压器油（例如环己烷就是一种溶剂）。而是在环上还有其他基团，比如—R基，“R”里可能有十几个碳原子。环烷烃含量大约占30%~60%。
（3）芳香烃
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对含有少量水分的变压器油进行火花放电试验时有什么要求？
提问时间： 14:29:16
对含有少量水分的变压器油进行火花放电试验时有什么要求？
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变压器油流静电？
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油在变压器中强迫流动时，由于固体绝缘表面形成的极性分离，油带走了大量带正电的氢离子，而固体绝缘上因留下过多的电子使其带负电。变压器运行中铁心和外壳接地，靠近这一部位的油中正电荷可从铁心和外壳泄漏到地;不断留在绕组绝缘上的负电荷，则可通过绕组导体泄漏。没有泄漏的正负电荷，部分在流动过程中被中和，有一部分可能形成积聚的空间电荷。由于电荷的产生速率和泄漏不同，有些变压器可能不易形成空间电荷，而有的变压器的空间电荷在不断地形成和消失。空间电荷的消失过程又分两种情况：一种是空间电荷使该处直流电位提高，促使泄漏电流增加，在动态下形成稍有波动的泄漏电流源;另一种是空间电荷电位迅速升高使该处局部场强超过介质的耐受强度，致使发生放电，形成脉冲电流。由此说明，绕组中性点和铁心对地泄漏电流静电电压可在一定程度上反映变压器油流带电情况。油流静电放电特性如前所述，如果产生的电荷与泄漏、中和的电荷达到基本平衡时，积聚的空间电荷产生的局部静电场叠加上交流电场分量还没有超过该处介质的耐受强度，就不会引起放电，正如大多数的强油循环变压器尚未出现油流带电引发的静电放电现象一样;反之，若局部场强超过该处介质的耐受强度，则会发生放电。变压器内因上述油流带电过程产生的静电放电且有不同一般交流电压下局部放电的特点。它有两种放电形式，一种是在变压器内某些空间电荷积聚处外施交流电压形民的交流电场很弱，此处放电因完全取决于空间电荷产生的静电电位和介质耐受强度，而且有直流电压下放电的特点。这种放电重复率低，从开始放电到引发事故的时间较长。一般可通过对变压器油中气体分析，发现乙炔等含量增加。另一种情况是，空间电荷积聚处工作场强较高，交直流电场的叠加作用，因直流分量降低了放电起始电压，使静电放电能引发工频电场下的连续放电，放电重复率高，且有交流放电的特点。该放电从起始到引发事故所需时间较短，往往是还未来得及从色谱分析发现明显的放电迹旬，很快就发生了甚为严重的事故。由此，可以看到上述两种放电对变压器构成的威胁是不同的。实际情况中，上述两种放电形式并不是绝对的，可能同时存在于同一台变压器中。尽管影响变压器油流带电及静电放电的因素是复杂的，作用方式也是多咱多样的，但油流带电基本过程以及静电放电形成原因都是相似的。人们提出了针对油流静电的试验方法。当变压器内的油流带电过程尚未发展为静电放电时，为了了解变压器内静电积聚程度以及评估由此造成的潜在危险，一般在变压器不充电情况下开启油泵，测量绕组中性点和铁心对地的泄漏电流或静电电压作为油流静电试验中的测量参数之一。试验中究竟是采用只测泄漏电流或静电电压还是二者同时都测的方法更且有代表性，还需积累经验。此外，由于绝缘上静电荷的积聚是逐步建立起来的，观测其积聚程度的最终稳定状态需要一定时间。所以为提高测量结果的可靠性，试验中泄漏电流的监测时间应在4小时以上。如果当变压器油流带电过程已发展成静电放电，或相继出现静电放电过程时，由于放电过程使正负空间电荷中和，减少了静电荷聚集量，反而降低了泄漏电流值或静电电压值。此时单凭泄漏电流值或静电电压值就不能真实了解变压器的带电情况。因此，在油流静电试验中，还应进行局部放电测量。通常测量交流电压作用下的局部放电，因大多数故障情况下，局部放电总在电压较高处发生，所以变压器试验标准规定，一律用端子上的校准值作为视在放电量，即把所有不同部位放电的作用都折合为端子上的电荷变化量。而测量变压器内油流带电引起的静电放电则与此不同，正如前面所分析的，静电放电的形式，部位，形成原因等都且有一定随机性，虽可采用通常的局部放电测试回路作测量，但无法对放电量进行校准。直流静电放电为单个放电脉冲，放电能量较大，因此使用目前的局部放电测量仪，其灵敏度是足够的，可以通过观测放电脉冲幅值和次数对静电放电作定性判断。测试时，一般以电气和超声测量配合使用。为区分干扰，超声信号也可由套管末屏抽取的电信号触发。但设想发生静电放电部位台在远离绕组处，则电信号可能很弱，若触发门坎过高，放电信号就不能测到，总之，静电放电的且体测试方法还有待研究和改进。例1：日，对邹县电厂500kV联变C相进行油色谱分析，乙炔为1.2&l/l，跟踪至9月10日增至15.9&l/l，增长速度比较快，用改良三比值法判断为火花放电。进行了超声探测，在变压器有载发接开关侧收到了比较强烈的局部放电超声信号，并且在测试中听到变压器内部有放电声。放油进人检查，没有发现放电的痕迹，内部比较干净。该变压器投运后，乙炔有缓慢上升的趋势，乙含量达22&l/l。现场工作人员巡视时听到变压器内产生放电声，大约每分钟一次。在开两台油泵的情况下，经过1.5小时后，500kV线端直流静电达到13&.5kV，35kV线端达到2kV&.变压器内部有放电声，并且随着试验时间的延长，静电电压有继续升高的趋势。但当停一台油泵后，油流静电电压很快下降。放油进人检查，在变压器220kV及35kV套管下部的引线绝缘支架，磁屏蔽及围屏上发现放电点。上述部位上附着有大量的发黑的棉絮状物质，油箱底部的残油中也含有一些这样的物质和油漆片，经观察分析认为，这些棉絮状物质是绝缘纸板碎片在油中长期浸泡形成的。为了对比，对联变B相也进行了油流带电试验。在开两台油泵的情况下，经过一个半小时，500kV线端直流静电电压达到2050V，35kV线端达300V。变压器内部无放电声，并且随&着试验时间的延长，静电电压稳定，无增长趋势。例2：日，工作人员在巡视时听到临沂局相公站1号主变内部有放电声音。当即取油样进行色谱分析，发现油中乙炔含量高，但总烃含量不高。8月6日对变压器内部放电原因进行了检查分析发现，在带负荷或不带负荷的情况下，开任意两台油泵运行，变压器内部放电消失;开任意3台或4台油泵，变压器内部有放电声，确认变压器内部的放电属油流静电带电。为确定放电部位，我们对该变压器进行了超声测试，当时变压器只开了两台泵，持续近一小时。既听不到放电声，仪器也未收到任何信号。再启动两台泵，不到1分钟，就听到变压器内部有清晰的放电声，仪器也收到了明显的超声信号。放电部位经过测量计算定在高压侧B相套管下部分接引线附近。8月20日，我们再次进行了测试，开3台，4台直至5台泵，这次是既听不到声音，又测不到信号。上次测试时变压器油温在40度以上，而这次由于天下着小雨，油温只有30度。在其它条件未变的情况下，温度降低破坏了油流带电的成因。第二天，经现场吊罩检查，未发现明显的放电痕迹，但发现有大量的红色漆皮附在绕组等处。取该变压器的油进行介质损耗试验，发现严重超标。将变压器油经过滤处理合格后注入变压器，投运后运行正常。由此认为：1)变压器油温和油的流速是影响油流带电很重要的因素。2)变压器内壁油漆为兰色，大量的红色漆皮是散热器内部脱落下来的。这些杂质污染了油，一方面使油介质损耗因数升高，另一方面油质变化使油带电度增加。局部流速过高的部位静电产生的速度大于泄放的速度，最终发生放电。由于影响油流带电的因素很多，多种因素综合作用达到一定状态将导致油流带电的产生。一旦一个或几个因素改变以后，将破坏其成因。
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& 变压器常见故障的排查
变压器常见故障的排查
是利用电磁感应原理将某一交流电压变换成频率相同的另一种交流电压的电器,可以用来变换电流、阻抗、相位,进行隔离。很多,不同类型的变压器,故障类型也不同,但主要故障是绕组断线、短路故障、不能变压故障、响声异常故障等。变压器出现故障后,不要急于从工作地点卸下和拆开,应先认真检查,有可能更换个别零部件就可恢复工作。　　2变压器温升过高　　变压器在运行中有损耗,损耗包括铁心的磁滞及涡流损耗、绕组的损耗等。这些损耗所产生的热量一方面通过、散热管、外壳等的传导、辐射、对流方式传到周围环境中去,使变压器温度升高。经过一定时间,变压器即可达到稳定的温升。如果温升过高或者温升速度过快,或与同种产品相比,温升明显偏高,就应视为故障表现。温升过高是造成变压器寿命降低的重要原因,也是的主要表现。温升过高的主要原因有以下几个方面。　　2.1铁心故障　　(1)铁心片间绝缘损坏。铁心是由互相绝缘的硅钢片叠成的,由于外部损伤或绝缘老化等原因,使硅钢片绝缘漆损坏,造成铁心短路,涡流损耗增加,使铁心过热。判断铁心是否短路,可观察变压器空载电流是否升高,还可以测量空载损耗是否较正常值偏大。吊出铁心后,可观察铁心外部是否有烧伤的痕迹,之后可在片间加入6V左右的直流电压,测量其电流,然后求出片间的电阻值,正常时应大于0.8。　　(2)穿心螺杆绝缘及铁心多点接地。穿心螺杆是压紧铁心用的,它对铁心是绝缘的,如果绝缘损坏或装配不合理,就会通过穿心螺杆造成铁心的短路,使铁心严重发热。其次,由于穿心螺杆接地,使得变压器铁心构成了两点以上的接地,由于这些接地点处在绕组磁场的不同位置,电位不等,就会通过接地点形成很大的环流,导致变压器局部过热。因此,变压器铁心的多点接地是不允许的。　　(3)铁心接地片断裂。变压器的铁心必须接地(接至油箱),因为铁心及其构件等金属件都处在绕组电流产生的电磁场内,由于距离绕组磁场中心不等,感应电动势的电位是不等的,通过铁心的接地(由于铁心片的电阻很小,铁心的一点接地可视为铁心全部接地)使全部金属件处于同一电位。当接地片断裂后,铁心及其金属件的电位差不等。当达到其间放电电压时,就会产生放电现象,使变压器发热,放电火花可能使铁心及绕组烧毁。放电现象有如下特征:放电是断续的,这是由于铁心对地存在分布,充电需要一定的时间;铁心放电能量不大,在给油箱充油时,放电声比较清脆;无油时,放电声是“嘶D嘶”声。　　2.2绕组的故障　　(1)绕组间短路。短路线匝间构成一个闭合的短路环路,环路内流着由交变磁通感应的短路电流,产生高热;另一方面,由于部分线匝不能工作,该相总匝数减少了,为了维持铁心中的磁通不变,完好线匝中的励磁电流势必增加,也使饶组发热。绕组匝间短路是造成变压器损坏的主要原因,约占总损坏的70～80。引起匝间短路的原因很多,如在制造、修理过程中,因敲打、弯曲、压紧等工艺,造成绝缘的机械损伤,或某些细小的铜刺、铁刺损伤了绝缘,留下了隐患;在运行中,局部高温使绝缘迅速老化、绝缘损伤,造成短路;运行时间长,绝缘自然老化,变的松脆而易剥落,导致匝间短路;外部线路短路、雷击、合闸时的冲击电流及巨大的电动力使某些绕组发生轴向和幅向移位,将绝缘磨损,造成短路;变压器油面下降,使绕组暴露于空气中,失去冷却,降低了绝缘;或者变压器油质量下降,浸蚀绕组,造成绕组绝缘损坏。　　长时间过载,绝缘迅速老化,在过电流、过电压作用下,发展到匝间短路。　　变压器铁心接地片断裂,放电火花烧伤了部分绝缘绕组;铁心短路造成局部高温,损伤了绝缘。不严重的匝间短路,往往较难发现,短时运行也是可以的。但较严重的匝间短路,变压器温升迅速,油面上升,侧电流增加,严重时,气体就会动作。　　(2)绕组绝缘水平降低。绕组绝缘受潮或损伤,或其它缺陷使绝缘水平降低,绕组之间、绕组与地之间的漏电流增加,将使绕组过热,严重时,造成电气击穿,使变压器损坏。绕组绝缘老化程度可按下列规律衡量。　　一级:绝缘良好。表现在绝缘弹性良好,色泽鲜艳均匀。　　二级:尚可使用。表现在绝缘稍硬,但手指按时无变形、不裂缝、不脱落色泽略暗。　　三级:绝缘不可靠。绝缘已发暗,色泽较暗,手指按时有轻微裂纹,但变形不大。　　四级:不能使用。绝缘已炭化发脆,手按时即脱落或裂开。　　应当指出的是,绝缘的老化并不意味着与吸收比的降低,因为绝缘电阻主要反映绝缘的受潮情况,所以衡量绝缘良好,应从多方面考虑。引起绝缘水平降低的原因很多,但对油浸式而论,绝缘油的质量是一个主要因素,因此,应定期对油进行化验、检查,保持良好状态。　　2.3分接接触不良　　分接开关接触不良,产生热量,特别是电弧产生热量,形成局部过热,可能导致变压器烧毁。分接开关接触不良的原因是:接触压力不够。开关接触处有油腻堆积,使触头间有一层油膜。接触面积太小,使接点熔伤。箱盖上的定位销与开关的实际位置不对应,使开关没有完全接触好。判断分接开关接触情况,在外部可通过直流电阻测量,在内部可用塞尺检查。　　2.4过负载发热　　变压器是静止电器,它比旋转、有更大的过负载能力。通常情况下,过载引起变压器发热量增加,长期过载,使变压器过热,对变压器有害。　　2.5漏磁发热　　导线通过电流后,在导线周围就产生磁场,处在磁场中的铁磁物质会因磁化和涡流造成损耗和发热。变压器引线穿过油箱顶盖,在磁套管周围钢板上由于漏磁通引起发热。当变压器输出电流很大时,这种磁通发热显得比较严重。大型变压器一般应减少漏磁通,对,这个问题不十分严重。　　3变压器输出电压偏低或偏高在正常情况下,变压器输出电压应维持在一定范围内,偏低或偏高可能是一种电气故障。查找这种故障可以从以下几个方面进行。　　3.1电源电压　　电源电压偏低或偏高,使输出电压必然偏低或偏高。对于这种情况,只要测量电源电压即可。如果电源电压为高,可通过电压互感器进行测量比较。3.2分接开关档位不正确对于高压电力变压器,分接开关是用来调压的。10kV配电变压器分接开关有3档。档位1、2、3的高压档分别为10.5kV、10kV、9.5kV,低压档均为400V。如果电源电压低,而分接开关置于1,则输出电压必然低,反之则输出电压偏高。　　3.3绕组匝间短路　　变压器高压或低压绕组发生匝间短路,实际上改变了高低压绕组的匝数比,即改变了电压比。若高压绕组发生匝间短路,一次侧匝数减小,变压器变比减小,输出电压升高;若低压绕组发生匝间短路,二次侧匝数减小,变压器变比增加,输出电压降低。匝间短路故障可通过测量绕组直流电阻或变电压比,进一步查找。　　3.4铁心和绕组缺陷　　当带上负载后,如果较空载时电压降低很多,说明变压器内部电压降低太多,这是由于铁心和绕组存在某些缺陷,使漏磁阻抗增加,负载电流流过这一阻抗时,电压降低很多。　　4输出电压三相不平衡　　通常情况下,人们总是希望变压器输出端电压尽量平衡,一般的要求是不超过10。造成电压不平衡的原因,是由于变压器内部存在故障,如某些相存在匝间短路等等。不过,如电压出现较大的不平衡,已属于严重故障,应及时处理。造成电压不平衡的主要原因在变压器的外部。　　4.1三相负载不对称　　配电变压器供给照明、电焊机类单相负载较多,这些负载不是三相对称的,三相电流不对称,从而引起变压器内三相阻抗压降不等,使之三相输出电压不平衡。三相负载不对称,严重的情况是只有一相带有额定负载,其余两相空载。这时,带有负载的相电压明显降低,空载的另外两相电压明显升高,严重时,相电压可升高3倍。正是这种情况,经常见到某相电焊机工作时,其它两相上的灯泡明显发亮,甚至烧毁,而有电焊机工作的那一相,灯泡明显便暗,其原因就在这里。　　为了限制负载的不对称程度,有关规程规定,变压器零线上的电流不得超过相线额定电流的25。　　4.2高压侧一相缺电　　高压侧一相缺电,将引起低压侧输出电压严重不平衡。　　5响声异常　　变压器接上电源后,就发出“嗡嗡”的响声,这种响声在正常情况下是从铁心发出的。因为铁心是由硅钢片叠成的,中间存在着空气隙。铁心中的磁通是交变的,各片受力也不是均匀的。这就使得铁心片因振动而发出响声。如果响声异常,就属于故障现象,应当找出具体原因。经常碰到的变压器异常响声有以下几种情况。　　过电压(如中性点不接地系统中单相接地,不接地相对地电压升高3倍)、过电流(如过负载,大型电动机起动,内部、外部短路等)使铁心磁通增加,绕组对铁心的作用力增加,因而使得变压器响声加大,但仍是“嗡嗡”声,无杂音,且均匀。这种声音与指示仪表(电压表、电流表)指针的摆动是对应的,比较容易判别。　　夹紧铁心的穿心螺杆松动,铁心片气隙增加,常引起非常惊人的“锤击”和“刮大风”的声音,有如“叮叮当当”、“呼呼”的声音,但指示仪表正常,油色正常,油温、油位无明显变化。对于这种异常情况,还可以继续运行,但应在适当时机,吊心后拧紧穿心螺杆。铁心接地片断裂或没有接好,会产生铁心对外壳放电的“必剥”声,虽然这种声音不大,却比前述现象危害要大的多,严重时,可能引起铁心“着火”,油色会发生变化,油温、油位在一定时间内会明显升高。应当及时采取措施。　　气候变化的影响。在大雾天、雪天时,容易使套管处发生电晕放电,或辉光放电,发出“嘶嘶”、“嗤嗤”的声音,夜间还可见到蓝色火花。对于这种情况,如不特别严重,还可继续运行,停电检修时再做处理。　　变压器绕组的匝间短路,分接开关接触不好,产生的局部极高温,使油箱内的油剧烈对流,外部感觉好像水开了锅似的“咕噜咕噜”的声音,这是特别严重的。通常气体继电器会迅速动作。这是必须迅速切断电源,保护变压器。　　变压器内部铁心的振动,引起其它部件的振动,如安装控制线的金属软管与外壳碰撞,发出“沙沙”的响声,这时,只要找出声源作适当处理即可。　　综上所述,我们查出变压器的常见故障,找出故障原因,并判断出故障所在。然后,再正确的排除故障。
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