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变压器故障检测系统毕业论文

变压器故障检测系统

摘要

大型电力变压器是电力系统中重要的和昂贵的设备之一，其运行状态直接影响系统的安全性。

目前，电力系统的检修体制正由定期检修向状态检修转变，而状态检修是以了解设备的运行状态为基础的。

要了解设备状态，就需要对设备信息进行分析诊断。

本文的工作就是在这一背景下开展的，其意义在于为电力变压器的检修提供技术支持。

本文是从变压器的故障原因、类型以及分析入手，介绍了现今国外主要研究的基于变压器油中气体的故障诊断方法。

在系统的硬件部分，本文以ATmega8单片机为核心，将采集来的电压、电流、温度和气体等模拟量信号经过A/D转换器转换为数字量信号后送入单片机系统中进行处理，通过处理的结果来判断变压器是否含有故障以及故障的类型等。

同时本系统也设置了电流保护、差动保护和气体保护等继电保护来防止因短路故障或不正常运行状态照成变压器的损坏，提高供电可靠性。

在系统的软件部分，本文运用C语言编写软件程序，使之能够识别并处理从传感器传来的电信号，然后通过人机交互界面显示出来，近而使人能够很轻易判断故障类型。

关键词：

变压器故障油气体分析单片机继电保护

Transformermalfunctiondetectionsystem

Abstract

Intheelectricalpowersystem,thelarge-scalepowertransformerisoneoftheimportantandexpensiveequipment,it’srunningstatusdirectinfluencesystemsecurity.Atpresent,theelectricalpowersystemoverhaulsystemistransformingbythepreventivemaintenancetotheconditionoverhaul,buttheconditionoverhaulistakeunderstandstheequipmenttherunningstatusasthefoundation.Mustunderstandtheequipmentcondition,needstocarryontheanalysisdiagnosistotheequipmentinformation.Thisarticleworkisdevelopsunderthisbackground,itssignificanceliesinforthepowertransformerconditionoverhaulprovidesthetechnicalsupport.Thisarticleisfromthetransformerbreakdownreason,thetypeandtheanalysisobtains,introducedthenowadaysdomesticandforeignmainresearchbasedonthetransformeroilinthegasbreakdowndiagnosismethod.

Arepartialinthesystemhardware,thisarticletaketheATmega8MCUasacore,usethegathersimulationsignallikesvoltage,electriccurrent,temperature,gasandsoon,totransformafterADCforthedigitalquantity,andthensignalsendsintheMCUsystemtoprocess,willjudgethetransformerthroughtheprocessingresultwhetherwillincludethebreakdownandthebreakdowntypeandsoon.Simultaneouslythissystemhasalsoestablishedtherelaypreventslikestheelectriccurrentprotection,thedifferentialmotionprotectionandthegasprotectionandsoon,toprotectforshort-circuitthebreakdownortheoffnormaloperationconditionaccordingtobecomesthetransformerthedamage,enhancesthepowersupplyreliability.Arepartialinsystemsoftware,thisarticleutilizestheClanguagecompilationsoftwareprocedure,enablesittodistinguishandtoprocesstheelectricalsignalwhichtransmitsfromthesensor,thendemonstratedthroughtheman-machineinteractivecontactsurface,nearlyenablesthepersontheveryeasilydiagnosistype.

Keywords：

transformerbreakdown；oilgasanalysis；MCU；relayprevents

第一章绪论1

第一节课题背景及意义1

第二节研究的现状与发展2

第三节论文主要工作3

第二章变压器故障类型及其分析4

第一节变压器故障原因4

第二节变压器故障类型5

第三节电力变压器的潜伏性故障分析6

第三章基于油中溶解气体分析的故障诊断9

第一节变压器油中气体的产生与溶解9

第二节正常运行变压器油中的溶解气体组分含量10

第三节特征气体法12

第四节改良三比值法14

第五节大卫三角形15

第四章变压器故障诊断系统的硬件设计17

第一节变压器故障诊断系统的结构和主电路的设计17

第二节单片机控制系统17

第三节数据采集20

第四节变压器的保护装置29

第五节人机交互接口32

第五章系统软件部分34

第一节软件介绍34

第二节软件设计38

第三节系统抗干扰措施43

第六章总结46

参考文献47

致49

第一章绪论

第一节课题背景及意义

变压器是整个电力系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一，其运行的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性，关系到变电企业、广大用户利益和人民群众的生活。

因此，研究和应用大型变压器的状态监测与故障诊断技术，保证变压器安全可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局部的经济问题，也是社会公共利益问题，必然成为学术界和产业界关注的重大课题。

长期以来，人们结合变压器的结构参数、运行工况和环境因素，研究了各种状态监测和故障诊断的方法和技术手段，以期对可能发生的故障进行预测，对已经发生的故障确定其故障的性质、类型和严重程度。

目前局部放电试验、油中溶解气体分析以及绝缘油的特性试验等在变压器状态监测和故障诊断中得到广泛的研究和应用。

这些方法和技术对于发现变压器的早期故障或故障趋势，防止事故发生起着很重要作用。

虽然变压器的状态检测与故障诊断技术已经取得了一定的进展，但还不能很好地满足实际送变电安全的需要，因此，利用现代科技发展的最新成果，进一步研究开发大型变压器的状态监测与故障诊断技术与系统，保证变压器以及电网的长期、安全、可靠、高效运行，具有重要的意义。

随着经济发展，我国对电能的需求不断提高，一些大型、特大型的变压器不断投入使用，相应地，要求与其配套的监测和故障诊断设备也应不断跟上去；另一方面，我国电网中运行的变压器尚有一批已接近或超过30年，绝缘寿命己进入晚期，对这类大型关键变压器，尤其需要能做到故障早期报警，以便有效及时地采取措施并进行检修维护，防止故障发生、发展和扩大，以避免恶性事故的发生。

在当前我国大力发展电力生产和已有设备日趋老化的具体情况下，大型变压器的状态监测与故障诊断系统具有相当广阔的市场前景。

运行中的变压器发生不同程度的故障时，会产生异常现象或信息。

故障诊断就是搜集变压器的异常现象或信息，根据这些现象或信息进行分析，从而判断故障的类型及严重程度和故障部位。

因此变压器绝缘状态监测与故障诊断的作用是：

1、准确判断运行设备当前是处于正常状态还是异常状态；

2、若有故障则判断故障的性质、类型和原因；

3、根据信息处理结果预测故障的可能发展，即对故障的严重程度、发展趋势做出诊断；

4、提出控制故障的措施，防止和消除故障，并提出设备维修的合理方法和相应的反事故措施；

5、对设备的设计、制造、装配等提出改进意见，为设备的全寿命现代化管理提供科学依据和建议。

第二节研究的现状与发展

状态监测与故障诊断技术的困难主要是：

干扰的抑制（主要征对放电试验方法）；正确确立故障判据（主要征对油中溶解气体分析方法简称DGA方法）。

状态监测与故障诊断技术除需对设备本身结构及失效机理有深入了解外，也需要应用传感器、微电子等高新技术，需要利用有效故障理论以期抽取故障特征，是具有交叉学科性质的一门新兴技术，有重大的学术意义和显著的经济价值。

绝缘是变压器的关键，包括绝缘油和固体绝缘材料。

当绝缘油受热时分解成碳氢化合物，如H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2气体；固体绝缘材料则分解成碳氧化合物，如CO，CO2；若绝缘材料是合成树脂材料（苯酚-甲酚树脂，phenol-formaldehydeResin），所分解的气体以C3（丙烷、丙烯）、C4（丁烯）气体为主。

通过选择不同的气体以及不同气体之间的组合方式，将某两种气体之间的比值进行编码，就形成各种不同的故障诊断判据。

电力变压器的故障原因相当复杂，存在大量不确定因素，某些故障现象、原因及机理的复杂性和模糊不确定性使得对变压器的故障模型难以用准确的数学模型加以描述，也难以完全依靠确定性的判据诊断故障，因此各种各样的诊断理论应用于电力变压器的故障诊断中。

第三节论文主要工作

首先，本文先介绍了变压器的故障原因和类型，然后在第三章介绍了基于变压器油中气体的故障诊断方法。

在这一章中，分别介绍了变压器油中气体的产生与溶解、正常运行变压器油中的溶解气体组分含量、变压器部故障类型与油中气体分析的关系以及基于油中溶解气体分析的故障诊断方法，包括特征气体法、改良三比值法和大卫三角形法。

接着，本文以ATmega8单片机为硬件核心，通过处理采集来的电压、电流、温度和气体等的信号来判断变压器是否含有故障以及故障的类型等。

同时本系统也设置了电流保护、差动保护和气体保护等继电保护来防止因短路故障或不正常运行状态照成变压器的损坏，提高供电可靠性。

本文运用C语言编写软件程序，使之能够识别并处理从传感器传来的电信号，然后通过人机交互界面显示出来，近而使人能够很轻易判断故障类型。

本篇论文由于知识的局限性，只是在个人能力围做了一个小小的系统，以实现检测的目的，有待更高的完善。

第二章变压器故障类型及其分析

油浸电力变压器的故障部位多，故障原因、过程、现象复杂，同时还有制造、试验、运行以及维护中的因素干扰，所以对变压器故障做出高准确的区分和故障定位是不容易的。

要对变压器进行故障分析，首先需要分析变压器的故障种类、原因和机理。

变压器故障可分为部故障和外部故障两种[1]。

1、外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，不是本文分析的重点。

2、部故障为变压器油箱发生的各种故障，主要类型有：

各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线圈之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。

变压器故障若从回路来说，主要有电路故障、磁路故障和油路故障；若从主体结构来说，可以分为绕组故障、铁芯故障、油质故障和附件故障。

习惯上，对变压器故障的类型一般是根据常见的故障易发部位划分的，如绝缘故障、铁芯故障、分接开关故障等。

而对变压器本身影响严重、目前发生机率最高的是变压器出口短路故障，同时还存在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动作故障等。

所有这些不同类型的故障，有的可能反映的是过热故障，有的可能反映的是放电故障，有的可能既反映过热故障同时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可能不存在热或电故障的特征。

损坏修复时间长，影响严重。

通常的定期性预防性试验虽能排除一些事故隐患，但对一些潜伏性故障不能及时发现。

对于潜伏性故障只有通过在线监测手段来检测，随时了解设备状态。

对于突发故障，由于发生时间较短，在线监测难以发挥作用，只有通过继电保护等来保护变压器。

第一节变压器故障原因

众所周知，变压器是由一次绕组、二次绕组和铁芯等三个部件组成的。

造成变压器故障的原因很多，但是不管是什么原因造成的故障，最终还是与其结构分不开的。

总的来说可以归结为以下这些原因：

一、设计制造方面

设计上的缺陷：

为了节省成本，制造时采用了低质量的材料（如低质量纸板，硅钢片等）制造工艺不过关，致使线圈受潮、铁芯损耗大等；质量把关不严等。

二、运行维护方面

安装不良和保护设备选用不当：

检修致使变压器受潮；过负荷；与外部导体连接松动、发热；对各种附件、继电器等维护、检修不当等。

三、正常老化及突发事故

绝缘材料正常老化；异常过电压影响；外部短路引起故障[2]；自然灾害及外界因素影响等。

第二节变压器故障类型

一、按故障发生部位分类：

（1）变压器外部故障

油箱：

焊接质量不好，密封填圈不好；电压分接开关传动装置：

机械操动部分，控制部分等问题；冷却装置：

风扇，输油泵、控制设备等问题；附件：

绝缘套管、温度计、油位计、各种继电器等问题。

（2）变压器部故障

绕组：

绝缘击穿，断线，变形；铁芯：

铁芯叠片之间绝缘不好，接地不好，铁芯两点或多点接地及铁芯螺栓绝缘击穿；部的装配金具问题：

电压分节开关控制不到位，引线绝缘薄弱；绝缘油老化。

二、按故障发生过程分类

（1）突发性故障

由异常电压下（操作过电压，雷电过电压及谐波过电压）引起的绝缘击穿，外部短路事故引起的绕组变形，层间短路；自然灾害；辅机的电源停电。

（2）由潜伏性故障发展而形成的故障

铁芯绝缘不良，铁芯叠片之间绝缘不良，铁芯穿心螺栓的绝缘不良，由外界反复短路引起的绕组变形；过负荷引起的绝缘老化；由于受潮游离放电引起绝缘材料、绝缘油老化。

三、按故障性质分类

电力变压器的部故障主要有：

过热性故障、放电性故障及兼有过热和放电的故障。

第三节电力变压器的潜伏性故障分析

电力变压器故障从发展过程上可分为两大类：

即突发性故障和潜伏性故障。

突发性故障发展过程很快，瞬间就会造成严重后果。

如雷击、误操作、负荷突变等。

突发性故障具有偶然性，且没有一个供运行人员进行监测分析和维护的过程，只能通过避雷器、继电保护、高频保护等手段，使突发性故障被限制在最小的围之。

电力变压器的潜伏性故障一般有三种：

即变压器部的局部放电、局部过热和变压器绝缘的老化。

一、变压器部局部放电分析及其检测

（1）局部放电分析

在电压的作用下，绝缘结构部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象，称为局部放电。

产生局部放电的环节，一般是在电场分布梯度较大而绝缘又相对薄弱的部位。

影响局部放电的因素很多，综合起来主要有三点：

1、绝缘材料的材质；

2、产品设计的绝缘结构；

3、生产加工制造工艺。

局部放电对绝缘的影响：

一是放电质点对绝缘的直接轰击造成局部绝缘破坏，逐步发展使绝缘击穿；二是放电产生的热及臭氧等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，电导增加，最后导致热击穿。

通常，电气绝缘的破坏或局部老化，多是从局部放电开始的，所以，局部放电的危害性是使绝缘寿命降低，影响变压器的安全运行。

（2）检测方法

1、甚高频电脉冲法

由于在局部放电发生时会伴有声光电及对放电空间介质的化学作用，对应这些物理化学反应，可以找到相应的测量方法。

电力变压器油中的局部放电一般为流注型放电。

在放电形成的过程中，导电通道以极快的速度构成，而由于导电粒子很快聚集所产生的反电动势使得导电通道很快被中断，在极短的时间进行的电荷转移，形成了具有丰富高频分量的放电电流脉冲，虽然放电的能量很小，但放电脉冲所含谐波的频率极高，可达400MHz，这样高频率的脉冲可在一个极小接地电阻的寄生电感上形成一个可测的电压信号。

甚高频电脉冲法测量变压器油中的局部放电，就是通过测量变压器输出端部绝缘套管接地电阻上的高额电压信号，来分析变压器油中局部放电的频度。

2、局部放电量检测法

电力变压器局部放电量是反映局部放电的重要指标，目前已有的局部放电监测系统采用窄带或宽带（可达1.2MHz）测量，利用电流传感器从高压套管及末屏接地线、中性点接地线、铁芯接地线等耦合放电信号，借助超声波时延等判断放电的有无，通过差动、数字滤波等措施抑制干扰，靠采集电路，最终给出放电量、放电谱图等分析结果。

二、变压器部局部过热及其检测

（1）局部过热的危害

过热性故障占变压器故障的比例较大，危害性严重。

存在于固体绝缘的热点绝缘劣化与热解对绝缘危害较大。

热点常会从低温逐步发展为高温，甚至会迅速发展为电弧性热点而造成设备损坏事故。

一些裸金属热点也常会烧坏铁芯、螺栓等部件，严重时会造成设备永久性损坏。

（2）局部过热分析

局部过热和变压器正常运行下的发热有所区别。

正常运行时，温度的热源来自绕组和铁芯，即所谓铜损和铁损。

局部过热故障包括接点接触不良、磁路故障、导体故障等。

变压器油和固体绝缘材料在电或热的作用下分解产生一些特征气体。

在不同的运行状态下，外界对变压器油的理化作用不同，产生的气体的成分和含量也不相同。

正常运行中，变压器部绝缘油与固体绝缘材料会产生一些非气态的劣化产物外，还产生少量的氢、低分子烃类气体和碳的氧化物等。

其中碳的氧化物（CO和CO2）成分最多，其次是氢和烃类气体。

当发生过热性故障时，热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的裸金属过热性故障。

油中溶解气体以CH4和C2H2为特征气体，二者之和常占总烃的80%以上。

故障点温度较低时，甲烷占的比例大。

随着热点温度的升高（500℃以上），乙烯、氢组分急剧增加，比例增大。

当严重过热（800℃）时，也会产生少量乙炔，但其含量不超过乙烯量的10%。

涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述的低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。

随着温度的升高，CO、CO2比值逐渐增大。

因此，根据《电力系统预防性试验规程》及导则，通过分析油中溶解气体的成分、特征气体含量、变化趋势、IEC三比值法来判断变压器是否存在部潜伏性故障及故障的性质。

（3）局部过热的测量

对过热的测量，最常用的方法就是直接测量过热点的温度。

但对于运行中的电力变压器而言，目前还不具有可测性，因而只能采用间接的方法进行监测。

当变压器部发生局部过热时，除过热点温度升高外，同时会使变压器油分解，生成氢气和烃类气体。

在过热较严重的情况下，氢气含量会很高。

因此，在局部放电较弱时，如果H2含量较高，可以判定为变压器油中有过热故障，系统中利用对变压器油中含H2的PPM值进行监测并结合局部放电监测来间接反映变压器油中局部过热情况，采用MQ51C型氢敏钯栅场效应管作为H2气敏元件，用聚四氟乙烯薄膜透气不渗油的特点进行油气隔离，形成气室将气敏元件置于气室中进行测量。

需要注意的是：

由于油中溶解气体产生有时与运行和检修情况有油补焊，油流断电器接点火花，注入油本身未脱净气等，因此当油中气体分析认为可能存在有部故障时，还应结合电气、化学试验结果和运行检修情况以及外部检查等进行综合判断，这样不仅有助于准确判断故障类型及对故障部位做出正确估计，同时可防止设备的遗漏或盲目停运造成浪费。

三、绝缘老化及其检测

目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种。

电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件。

变压器的使用寿命是由绝缘材料（即油纸或明树脂等）的寿命所决定的。

实践证明，大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。

电力变压器的绝缘基本上可以分为二种：

液体绝缘和固体绝缘。

由于长时间的运行受温度、局部放电、杂质等多种因素的影响，绝缘介质会发生老化，使绝缘性能下降，影响到变压器运行的可靠性。

绝缘介质老化往往反映在绝缘介质在交变电场的使用下，其极化过程发生了改变，非弹性极化增强，使极化过程中的有功损耗增加，使绝缘介质的介质损耗率增大。

可以采用测量电力变压器绝缘套管电压与套管末屏接地电流间相位差的方法，对绝缘套管介质损耗δ进行监测。

第三章基于油中溶解气体分析的故障诊断

油中溶解气体分析的目的是了解设备的现状，了解发生异常和故障的原因，进行预知维修。

因此，通过油中溶解气体分析来检测设备部潜伏性故障，了解故障发生原因，不断地掌握故障发展趋势，提供故障严重程度的信息，即时报警，作为编制合理维护措施的重要依据，是油中溶解气体分析的主要任务。

通过大量翻阅文献资料，发现目前主要采用的诊断依据主要有改良三比值法、大卫三角形法、特征气体法和趋势分析法等。

在故障诊断时，只有当产气率和产气含量超过注意值时才有理由判断设备可能存在故障，此时采用以上的方法诊断才是有效的。

对于含气量正常且无增长趋势的设备进行故障分析是无效的。

第一节变压器油中气体的产生与溶解

一、气体的产生

变压器部的绝缘介质主要是变压器油和固体绝缘（电缆纸、绝缘纸板等），正常运行时绝缘材料在热和电的作用下逐渐老化，使油的闪点降低并产生某些可燃性气体，引起早期故障。

变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物组成的混合物，由于电或热故障的原因，使化合物中的C-H键和C-C键断裂，形成氢气和低分子烃类气体。

C-H键断裂需要的能量较少（338KJ/mol）；C-C键断裂需要较高的温度和较多的能量，然后迅速以C-C键（607KJ/mol）、C=C键（720KJ/mol）、C≡C键（960KJ/mol）的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多的能量。

乙烯生成温度大约在500℃（高于甲烷和乙烷的温度），乙炔一般在800~1200℃温度下生成。

此外，油在起氧化反应时，伴随生成少量CO和CO2，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体。

固体绝缘材料的主要成分是纤维素。

纤维素裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和吠喃化合物，同时油被氧化。

CO和CO2的生成不仅随温度升高而加快，而且随油中氧的含量和纸的温度升高而增加。

据有关试验，纤维素热分解的气体组分主要是CO和CO2。

根据生成的气体组分浓度的相对比值，可用以判断部故障的类型，这是目前被广泛应用的比值法的依据。

二、气体的溶解

绝缘介质分解产生的气体有的溶解于油中，有的上浮至油面以上。

每种气体在一定的温度、压力下达到溶解和析出平衡，使该气体在油中最终达到饱和或接近饱和状态。

当变压器存在潜伏性故障时，如果产气率很慢，那么气体将