电力电网中变压器的作用-变压器故障对电网的影响

发表时间:2019-04-11 11:08:36

电力系统的电气设备中, 电力变压器极为重要, 电力变压器稳定运行决定着安全、可靠的供电。目前, 由于国内的电力行业发展迅猛, 电网容量不断增加, 对超高压和特高压电力系统的需求量逐渐提高。由于建立了容量大、区域大的互联和西点东送等复杂系统, 因此对我国电力系统的稳定、安全、可靠运行提出了更高的标准。


1 电力电网中变压器的作用

1.1 变压器功能

1.1.1 使用变压器控制输出电压

电器设备正常工作时的电压是电器的额定电压值, 也是电器允许的最大电压。因为设备或者设备的型号不同, 所以具有不同的额定电压值, 为了保证设备正常运行, 往往需要使用变压器控制输出电压, 其主要通过变压器内部原副线圈的匝数比实现。

1.1.2 利用变压器原理设计互感器

众所周知, 电流电压表在测量交流电压或者电流时均具有一定的测量范围, 不允许直接接触大电压或者强电流, 为了便于测量, 往往采用变压器调整高电压或者强电流, 使其达到测量范围内, 这种变压器就叫做互感器。举例来说, 就是将变压器的原线圈与被测电路串接, 将副线圈接入仪表内部进行测量。

1.1.3 运用变压器高压输电

发电厂在输送发电机的电能时, 一般采用高压输送的形式传输电能, 其主要利用变压器对发电机产生的电能进行先升压再传输的方式。采用这种方式原因是当输电功率相同时, 若传输电压较高, 则电流较小。采用这种方式可以最大程度减小电流, 进而减少电流热损耗和远距离传输成本。

1.2 变压器故障对电网的影响

一般可将变压器的故障按内外的形式进性划分, 变压器内部故障就是油箱内部, 主要为变压器的内部铁芯烧毁、匝间短路、线圈的层发生相间短路以及接地短路等。对变压器来说, 如果发生上述故障, 极易产生电弧, 导致绝缘物质气化, 进而引起爆炸。因此, 当发生内部故障时, 应及时进行切断处理。相对来说, 油箱外部即为外部故障, 主要为引出的线路与绝缘套管发生相间与接地短路, 极易造成绕组、铁芯等产生形变, 从而影响性能。

1.2.1 变压器的内部故障及危害

变压器内部发生的主要故障为匝间短路、相间短路和单相接地。其中:匝间短路指内部单项绕组的各匝之间产生短路现象;相间短路指发生在各相绕组之间的短路;单相接地发生在引出线与外壳或单相绕组之间。由于变压器产生内部故障时会出现较高的短路电流, 其具有较高温度的电弧, 能够分解变压器中的油与绝缘材料生成大量热气, 促使变压器外形产生形变。同时, 由于高温会导致内部绕组和铁芯等被烧毁, 甚至造成变压器产生爆炸。因此, 当发现故障时, 应及时进行切除处理。

1.2.2 变压器外部的故障及危害

变压器油箱以外为外部故障, 指引出线和绝缘套管发生的故障。变压器的外部故障一般为两种:一为相间短路, 指引出线之间产生的短路现象;二为单相接地短路, 指绝缘管网络被破坏而产生的故障。变压器外部故障会导致低高压绕组、铁芯、夹件等发生形变。

2 绕组变形检测研究现状

传统的变压器绕组变形检测中, 频率响应法是灵敏度较高的方法, 并且具有现场使用方便的特点, 具有广泛的应用价值, 是检测绕组变形的主要方式。目前, 研究频率响应方法主要通过参数模型、测试数据等方式实时、精准监测频响应, 已有文献指出, 可以通过在线的形式分析线性信号, 进而在线监测绕组的形变状态。

2.1 频响法检测研究

若系统在较高的电压频率状态下, 可将变压器的绕组比作具有分布线性的电阻、电感、电容等构成的双口无源线性网络。当绕组发生任何物理变化时, 电感和电压的特性会产生波动, 引起内部网络中电感和电容的分布参数发生变化, 使传递函数原本的极点和零点偏离, 导致频率响应特性产生变化[4]。事实上, 离线短路电抗法远低于离线频率响应法, 频率响应法更加可靠、准确、灵敏。由于现有设备均使用离线短路的方法, 因此无法直接继承频率响应法的优点。研究发现, 变压器的绕组具有工程特性, 可继承离线算法的成果。因此, 有必要充分吸纳绕组发生变行状态的在线资源, 有效解决实际工程难题, 为理论问题的攻克提供依据。

变压器绕组的故障可以通过参数的形式体现出来, 将绕组类比于由电感、电阻、电容构成的无源网络, 等效的无源分布参数网络在此不做展现;将每匝和每一个线圈比作一个单位建立的n级分布参数网络;将各级电路比作电感、纵向电容 (匝间电感或匝间电容) 、对地电容。为了确保模型数据更加可靠, 上下边缘的参数与其他参数不同, 且不均匀分布。Ri表示绕组每匝所具有的电阻数值, Li为绕组每匝电感或每饼电感, Ki为纵向电容, Cgi为绕组对地电容。如图1所示, 按上述模型可设绕组的轴线长度为L, 其他参数可用绕组投运前和检修后的数据作为参考。

系统的函数中, x轴作为绕组轴线, 将零点作为绕组轴线的中心位置。当距离轴线的中心位置为a L h (a<1/2, 设为调节系数) 时, 用Lc、Kc、Cgc表示绕组单元;当相反时, 使用如下函数进行表示:

由式 (1) 可知, 函数中i为绕组单元的序号, 可通过调整a的数值与函数, 将模型与绕组测量端的电压与电流进行对应, 但模型的各个参数应相等或小于实际电感电容值。

2.2 振动带电检测法

振动分析法指从机械动力学原理的角度出发, 分析绕组的振动信号, 有效监测、确定绕组状态, 这种方式最早由俄罗斯的研究者在变压器现场使用, 之后逐渐引起国内外研究者进行探究。现今数据表明, 相比于频率响应方法、短路电抗法来说, 使用振动分析法可以更加便捷、快速发现绕组松动或变形的故障, 具有很好的应用价值, 但对实际工程来说, 这项技术的推广价值较小。

大多数绕组发生振动现象是由于漏感和线圈中相互作用的电流力造成, 一般可以将绕组发生的漏磁分为纵向和横向两种形式。由图2可知, 横向张力Fr为绕组中轴向漏磁, 同理轴向压为Fb;Fr使绕组受到力相互作用, 使外部的绕组受力向外, 内部的绕组受力向内;Fb使内外绕组受力作用于中心。当绕组的形状发生改变时, 负载电流不变, 但形变位置的漏磁发生变化, 此时产生的振动信息发生变化, 因此振动检测可以发现绕组的形变状态。变压器的铁芯、绕组、冷却系统的振动信息会通过不同的方式传递给油箱壁。

一般情况下, 绕组产生振动是通过内部的油传递给油箱, 进而引起变压器振动。三相结构的变压器在负载的运行状态下, 油箱壁接收到的振动信号是每一个绕组通过介质油传递, 衰减后作用在箱壁叠加的结果, 绕组的振动也会有一部分经过紧固器件传递信号, 但这部分的信号大多数反映在油箱底部。上述说明变压器各部分信号的传播途径各不相同, 但均会引起变压器本身发生振动。通常情况下, 风扇、油泵、冷却系统的振动频谱在100 Hz左右, 与绕组的振动大不相同。

随着国内电压等级的不断提升, 对变压器运行的安全性和稳定性提出了更高的要求, 本文基于频响法和振动带电检测法两种方法阐述了其技术应用现状。总体来说, 带电检测法可在不停电的情况下使用, 可以耐受多次短路冲击, 反映出变压器抗短路能力的变化, 是一种保持变压器运行稳定性, 维护电网安全的有效检测方法。


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