电力变压器维护、诊断与监测专家指南——延长使用寿命
电力变压器维护——变压器诊断与监测
引言
变压器属静止设备，无运动转动部件，可靠性极高，妥善维护可运行40 年以上。它们不会因过应力而跳闸或熔断（极端条件除外），因此常在超负荷下运行远超额定容量。
但电气装置的使用与老化同其他装置一样，会导致电气设备正常劣化，并可被恶劣环境、过载、严重工况循环加速。
其他劣化原因包括负荷变更/增加、电路变更、保护装置设定/选型不当、电压条件变化。
然而，建立检查与预防性维护程序可使设备故障并非不可避免。
建立定期预防性维护程序可最小化设备故障风险及由此引发的问题、发现潜在故障，也是故障排查的第一步。
电力变压器目视检查
对电力变压器最常见的关注是目视检查，主要涉及检查变压器整体外观状况和冷却系统。
电力变压器须定期检查，以便尽早发现问题并在需大修前纠正。
检查按常规进行，通常每周一次，但频率因公司和变压器而异。如有理由怀疑问题正在发展，可增加检查频次。
表 1 列出控制整体外观和冷却系统所需的目视检查类型。
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表 1 – 变压器目视检查
变压器诊断与监测
变压器监测指在线测量技术，重点在于收集反映变压器完整性的相关数据，而非数据解读。
监测技术随传感器类型、测量参数、测量技术而异。因监测设备通常永久安装在变压器上，故也须可靠且廉价。
绕组和有载分接开关（OLTC）故障占主导；因此大多数监测技术聚焦收集可评估绕组和分接开关状况的参数数据。
油中溶解气体和局部放电（PD）是监测绕组和绝缘状况的常用参数。
温度和振动监测常用于评估OLTC 状况。
图 1 显示油浸式变压器故障统计分布。
图 1 – 油浸式变压器故障统计分布
监测绕组和绝缘状态常用参数为 PD 和 油中溶解气体；监测 OLTC 常用 温度和振动。
变压器诊断主要监测单元：
- 油温监测单元
- 油位监测传感器
- 油中气体监测单元
- OLTC 操作监测传感器
- 过载监测单元
监测传感器和单元数据转为数字和模拟信号，与人机界面和数据记录建立实时通讯。
油中溶解气体分析（DGA）是判断变压器运行问题的有效诊断工具。
但此分析通常在现场外进行，用精密（通常昂贵）设备测定气体含量。
为降低因采样间隔长而遗漏初期故障的风险，正开发监测技术针对变压器内气体种类和浓度变化提供预警。常规油中溶解气体分析在预警发出后进行。表 2 列出变压器主要气体及对应来源。
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表 2 – 变压器气体与来源
从主变压器绝缘油中萃取溶解气体，测量六种气体组分在低浓度下的含量，可根据分析仪数据检测装置内局部过热或局部放电，在事故发生前预防。
变压器预防性维护动作与检查计划
维护频率应结合设备可靠性要求和制造商手册建议确定。
维护活动可按装置不同分段在不同时期计划，但大型工业通常每年一次或两次全厂停电检修。
NETA[1] 标准 MTS-2007 附录 B给出基于时间的维护计划和矩阵，见表 3。矩阵应用公认为仅作指南。
须结合具体状况、关键性和可靠性正确应用矩阵。应用矩阵结合历史试验数据趋势，可提供高质量电气预防性维护程序。
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表 3 – 维护频率矩阵
变压器最低频率维护试验在同一标准中定义，见表 4。
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表 4 – 变压器维护试验频率（月）
维护活动（目视和机械检查、电气试验、试验数值）在 NETA 标准 ATS-2009 定义，变压器相关内容汇总见表 5。
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表 5 – 变压器维护动作试验与检查频率
预防性维护动作可综合为：
- 例行巡检
- 取样
- 试验
- 修复
- 小修
- 中修
- 大修与大修[2]
- 文档与数据记录
表 6 列出各类维护动作的常规活动。
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表 6 – 各类维护动作常规活动
除专用试验设备外，变压器维护常用便携试验设备：
- 万用表
- 钳形表
- 电压测试仪
- 互感器试验设备
- 继电器与仪表试验设备
- 绝缘测试仪（MEGGER[3]）
- 接地测试设备
- 红外热像仪[4]（见红外热成像）
延伸阅读：如何求单相/三相变压器额定容量（kVA）
油样分析与取样
检修期或大修后，需采集油样按 IEC[5] 60296 标准做FAT试验。
试验项目：
- 界面张力（IFT）
- 酸度
- 粘度
- 密度
- 闪点
- 燃点
- 凝点
- 水分
- 介电强度
- 介质损耗因数（tan δ）
- 颜色
取样须注意防止样品污染。
- 1 – 用辅助取样阀，勿用排油阀侧小取样口（图 2）。
图 2 – 辅助取样阀
- 2 – 冲洗排油阀
图 3 – 冲洗排油阀
- 3 – 冲洗管路和注射器，勿回拉注射器芯杆—施加轻微阻力让流体压力充注注射器（图 4）。
图 4 – 冲洗管路和注射器
- 4 – 注射器内无气泡，后期可能产生—勿排出这些气泡。
延伸阅读：变压器选择题及解析
油中溶解气体分析（DGA）
DGA是最有价值的诊断工具之一，通过分析冷却/绝缘介质中溶解气体评估油浸变压器状况。
这是成熟技术，性价比高，基于油取样的简单无损测试提供关键信息。
分析通常在实验室进行，也有在线装置可用。
结果揭示油及其作为绝缘介质的性能健康状况：当前状况、正在发生的变化、过载/老化降解影响、初期故障萌发、重大故障最可能原因。
注意：严重故障也可能产生自由气体收集在瓦斯继电器中。
变压器维护与诊断试验
表 7 展示变压器整体状况评估方法，关联例行维护与诊断。
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表 7 – 变压器维护与诊断目的应进行的试验
套管试验
带电容测试头的套管，测量套管顶端至底部测试头电容（通常称C1）和测试头至地电容（通常称C2）。
为确定套管损耗，也做功率因数试验。C2 电容远大于 C1 电容。
无测试头套管通常从顶端导体对地测试。
结果与出厂试验/历史试验对比判断劣化。
约90%套管故障归因于受潮，表现为功率因数上升。
扫频响应分析试验（SFRA）
频率响应分析（SFRA）[6]测量变压器绕组阻抗在宽频带内的响应，并与参考基准组比较。
差异可能指示变压器损坏，可用其他技术或内部检查进一步核实。扫频法需网络分析仪产生信号、测量并处理结果。
超声波与声波故障检测
当氢气在DGA中显著上升时适用。
高氢生成指示变压器内部发生局部放电。甲烷、乙烷、乙烯也可能上升。若有电弧，乙炔也可能出现并上升。
振动分析
振动分析本身不能预测变压器许多故障，但它是判断变压器状况的又一有用工具。
振动可能源于铁心松动、绕组松动、屏蔽问题、零件松动、油冷却泵或风扇轴承故障。评估振动源须极度谨慎。许多时候，松动面板盖、门、控制柜内螺栓/螺丝、外部松动件被误诊为内部故障。
铁心绝缘电阻
此试验须断开人为接地。
操作可能困难，需放部分油。部分变压器铁心接地引出经绝缘套管，易于接触。
预期绝缘电阻值：
- 新变压器：> 1000 MΩ
- 运行老化变压器：> 100 MΩ
10~100 MΩ提示铁心与地间绝缘可能受损；低于 10 MΩ可导致破坏性循环电流，须进一步调查。
红外热成像
红外热成像（IR）是非接触无损检测电气系统问题的方法。
所有电气机械设备以电磁辐射形式散热。红外相机对热辐射敏感，可检测测量表面温差。
异常或意外热型式可指示设备问题，可能导致故障、失效或火灾。
IR 分析通常每 2 或 3 年一次，设备带电满载运行时进行（如可能），特殊功能和环境条件可能要求每年一次。
IR 分析也应在维护或试验后进行，检查断开的连接是否妥善恢复。若在出厂热运行时做IR，结果可作后续比较基准。
变压器以下部件通常接受IR分析：
- 油箱
- 散热器与冷却系统
- 套管
- OLTC
延伸阅读：变压器铭牌（通用要求）
油箱
油箱异常高温或异常热型式指示内部问题：油位低、杂散循环电流、冷却堵塞、屏蔽松动、分接开关问题等。
异常高温会损坏绝缘、缩短寿命。IR巡检可发现过热或错误热型式。IR扫描分析需受过培训的经验丰富人员。
散热器与冷却系统
用IR 相机检查散热器并相互比较。
冷散热器或段指示阀门关闭或散热器/段堵塞。
目视检查显示阀门打开时，该散热器/段须隔离、排油、拆除并清除堵塞。
冷却减少运行的变压器使用寿命大幅缩短（运行温度仅升8~10°C即减半寿命）。
套管与绝缘子
a) 油位
IR扫描套管可显示油位低，需立即停运更换。
原因通常是套管底部密封失效，漏油入变压器。顶部密封大概率也失效，允许空气和水分进入顶部。
油位过高通常因套管底部密封失效，储油柱油头或氮压将变压器油推上套管。
另一高油位原因是顶部密封漏水，水迁移至套管底部排挤油上升。
90% 以上套管故障源于顶部密封进水。
套管常灾难性失效，多次毁坏主变压器和邻近设备并危及人员。须将同一套管历次IR扫描与当前扫描对比。
b) 套管连接
套管有两内部连接，一在头部，另一深得多连接变压器线圈。
两者外部均可见，头部连接在套管上部，线圈连接在套管根部。
某些绝缘子发现裂纹影响电气和机械强度。
表面有水分时，微小泄漏电流流过表面使温度升 1~2 度。绝缘子裂纹时，放电电流顺裂纹而下而非表面，绝缘子显示略低温。
裂纹发展足够严重时，温升可能变得明显。
OLTC（有载分接开关）
OLTC 盖板温度应与变压器本体温度相同。
热源在 OLTC 外壳内部，比指示温度高得多。
外置 OLTC室温度不应高于变压器本体。若更高，指示内部分接触头可能过热。
分接检查困难在于检查时并非所有分接都接通，结果可能不具决定性。
[1]NETA：国际电气测试协会（美国）。
[2]在严重内部故障后或每8-10 年连续运行后执行，即变压器经历严重过载循环或外部短路时。须由专业人员实施。
[3]MEGGER为商标，但该设备常以此名称称呼。
[4] 见第 7 章即红外热成像。
[5] IEC：国际电工委员会。
[6] 仅当FAT—出厂验收试验中已做此试验。
作者简介：Manuel Bolotinha
- 电气工程学士—能源与电力系统（1974—里斯本大学高等技术学院）
— 电气与计算机工程硕士（2017—新里斯本大学科学技术学院）
— 变电站与电力系统高级顾问；专业讲师
工业技术