油浸式電力變壓器部分參數檢測技術

一、檢測原理

1. 絕緣電阻與吸收比/極化指數檢測

   • 原理：基于歐姆定律，在絕緣介質兩端施加恒定的直流電壓，測量流過介質的泄漏電流，從而計算出絕緣電阻值。吸收比（K）為60秒與15秒絕緣電阻值的比值（R60s/R15s），極化指數（PI）為10分鐘與1分鐘絕緣電阻值的比值（R10min/R1min）。其科學依據在于絕緣介質在直流電壓下的吸收現象：良好絕緣介質的充電電流（電容電流、吸收電流、泄漏電流）隨時間衰減緩慢，表現為絕緣電阻值隨時間上升，吸收比和極化指數較大；絕緣受潮或劣化時，泄漏電流占比增大，吸收現象減弱，電阻值上升緩慢，比值趨近于1。

2. 介質損耗因數檢測

   • 原理：在交流電壓作用下，絕緣介質會因電導和極化過程產生能量損耗。介質損耗因數（tanδ）定義為流過絕緣介質的無功電流與有功電流的比值，或等效并聯回路中的損耗功率與無功功率之比。其值反映了絕緣介質在交變電場中的功率損耗程度。tanδ與絕緣的濕度、老化、雜質含量密切相關，對判斷絕緣整體劣化（如普遍受潮、老化）尤為靈敏，但對大型變壓器中局部缺陷的靈敏度相對較低。

3. 直流電阻檢測

   • 原理：基于歐姆定律，對變壓器繞組施加直流電流，測量其兩端的電壓降，從而計算出繞組的直流電阻。其目的在于檢查繞組內部導線連接、引線接頭、分接開關觸頭的接觸是否良好，以及繞組匝間、層間有無短路現象。電阻不平衡率是判斷繞組是否存在缺陷的關鍵指標。

4. 變比與聯結組別檢測

   • 原理：變比檢測通過比較高壓繞組與低壓繞組在同一磁通下感應的電壓值（K = V_H / V_L）來實現。聯結組別檢測則通過比較高低壓側對應端子的電壓相位關系來確定。其科學依據是電磁感應定律和變壓器矢量關系。準確的變比和正確的聯結組別是變壓器并聯運行和能量有效傳輸的前提。

5. 空載與負載損耗檢測

   • 空載損耗原理：在一次繞組施加額定頻率的正弦額定電壓，二次繞組開路時，變壓器消耗的功率。主要為鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗，與硅鋼片性能、鐵芯工藝及磁通密度有關。

   • 負載損耗原理：在一次繞組施加額定電流（二次繞組短路）時，變壓器消耗的功率。主要為繞組的直流電阻損耗（I²R）和附加損耗（如渦流損耗、雜散損耗）。負載損耗與繞組導體的材質、尺寸及結構有關。

6. 絕緣油色譜分析

   • 原理：利用氣相色譜技術分離并定量分析變壓器油中溶解的故障特征氣體（H?, CH?, C?H?, C?H?, C?H?, CO, CO?等）。其科學依據是：變壓器內部不同的故障類型（如放電、過熱）會導致絕緣油和固體絕緣材料分解，產生不同種類和濃度的特征氣體。通過分析氣體的組分和含量，可以診斷變壓器內部的潛伏性故障。

7. 局部放電檢測

   • 原理：檢測變壓器內部因電場集中、絕緣缺陷等引起的局部、非貫穿性放電現象。這種放電能量很小，但長期作用會逐漸侵蝕絕緣。檢測方法包括電氣法（脈沖電流法）、超聲波法、UHF法等。其依據是放電過程會產生瞬態(tài)電脈沖、電磁波和聲波。

8. 頻率響應分析

   • 原理：向變壓器繞組一端注入一系列不同頻率的正弦掃頻信號，測量繞組兩端電壓的幅值比和相位差，從而得到繞組的頻率響應特性（頻譜圖）。其科學依據是：變壓器繞組可等效為一個由電感、電容、電阻構成的線性無源網絡。其頻響特性是繞組機械結構的函數。當繞組發(fā)生徑向或軸向位移、匝間短路等機械變形時，其分布參數改變，導致頻響特性曲線（特別是諧振點頻率和幅值）發(fā)生顯著變化。

二、檢測項目

1. 例行試驗項目：出廠、交接及大修后常規(guī)進行的檢測。

   • 繞組直流電阻測量

   • 絕緣電阻、吸收比及極化指數測量

   • 介質損耗因數（tanδ）及電容量測量

   • 變壓器變比及聯結組別測量

   • 空載損耗及空載電流測量

   • 負載損耗及短路阻抗測量

   • 絕緣油試驗（擊穿電壓、介質損耗因數、含水量、色譜分析等）

   • 密封性試驗

   • 耐壓試驗（外施耐壓、感應耐壓）

2. 診斷性試驗項目：為評估狀態(tài)、診斷故障而進行的檢測。

   • 絕緣油中溶解氣體色譜分析（DGA）

   • 局部放電檢測（在線/離線）

   • 繞組頻率響應分析（FRA）

   • 絕緣紙（板）聚合度測定

   • 鐵芯絕緣電阻及接地電流測量

3. 特殊試驗項目：為特定目的進行的檢測。

   • 聲級測定

   • 零序阻抗測量

   • 溫升試驗

   • 突發(fā)短路承受能力試驗

三、檢測范圍

油浸式電力變壓器的檢測覆蓋其全生命周期及所有應用領域：

• 制造階段：原材料檢驗、生產過程檢驗、出廠試驗。

• 安裝調試階段：交接驗收試驗，確保運輸安裝后性能完好。

• 運行維護階段：周期性預防性試驗、在線監(jiān)測、故障后的診斷試驗。

• 大修后評估：檢修效果驗證，恢復投運前的狀態(tài)評估。

• 應用行業(yè)：

  • 電力系統(tǒng)：發(fā)電廠升壓站、變電站、換流站，是電網安全的核心。

  • 工業(yè)領域：冶金、化工、鐵路牽引、數據中心等，要求高可靠性與抗沖擊能力。

  • 新能源：風電場、光伏電站，需適應惡劣環(huán)境與負荷波動。

  • 建筑與市政：商業(yè)樓宇、醫(yī)院、機場等，對防火安全與供電連續(xù)性要求高。

四、檢測標準

1. 標準：

   • IEC 60076系列：電力變壓器的通用標準，涵蓋了試驗方法、溫升、短路能力等。

   • IEC 60599：《礦物油浸電氣設備 溶解氣體和游離氣體分析的解釋導則》，是DGA診斷的指南。

   • IEEE Std C57.系列：尤其在美國及北美地區(qū)廣泛采用，內容詳盡，包括C57.12.00（通用要求）、C57.152（DGA導則）等。

2. 中國標準：

   • GB 1094.系列：等效或修改采用IEC 60076系列，是中國電力變壓器的基礎標準。

   • GB/T 50150：《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》，是交接試驗的強制性依據。

   • DL/T 596：《電力設備預防性試驗規(guī)程》，是電力行業(yè)進行預防性試驗的主要指導文件。

   • GB/T 7252：《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》，等效于IEC 60599，指導DGA故障診斷。

3. 對比分析：

   • 一致性：IEC與GB標準在核心原理、方法和限值上高度一致，均致力于保證變壓器的安全可靠運行。

   • 差異性：IEEE標準在某些細節(jié)上更為具體，例如對DGA故障診斷的編碼和判據有獨特體系。中國標準（如DL/T 596）更結合國內電網運行經驗，對試驗周期、判斷標準的規(guī)定更具操作性。在具體限值上，不同標準對同一參數（如繞組電阻不平衡率、tanδ值）的要求可能存在細微差別，執(zhí)行時需依據合同或當地法規(guī)選定標準。

五、檢測方法

1. 絕緣電阻：使用絕緣電阻測試儀。操作要點：測試前繞組充分放電并接地；根據繞組電壓等級選擇合適測試電壓（如500V, 1000V, 2500V, 5000V）；讀取穩(wěn)定值并記錄環(huán)境溫度濕度。

2. 介質損耗因數：通常采用西林電橋原理或矢量運算法（自動介損測試儀）。操作要點：采用正接法（被試品低壓測量）或反接法（被試品高壓測量）；注意電場干擾和磁場干擾的屏蔽與補償；測試線應懸空，避免與地接觸。

3. 直流電阻：使用直流電阻快速測試儀（常采用恒流源法，并帶有消磁和助磁功能）。操作要點：測量時繞組連接線應牢固；為減小電感充電時間，可選擇較大的穩(wěn)定電流；換線時注意放電；所有分接位置都應測量。

4. 變比：使用變壓器變比測試儀（有雙電壓表法、電橋法等多種原理）。操作要點：確保輸入電壓穩(wěn)定；正確連接高低壓側測試線；對于三相變壓器，需逐相測量。

5. 空載/負載損耗：使用功率分析儀、標準互感器（CT/PT）等搭建測試系統(tǒng)。操作要點：空載試驗通常在低壓側施加額定電壓；負載試驗通常在高壓側施加電流至額定值，低壓側短路；需進行波形校正（特別是空載試驗）。

6. 絕緣油色譜分析：使用氣相色譜儀。操作要點：取樣具有代表性，使用專用密封注射器或采樣瓶，避免油中氣體逸散或空氣混入；脫氣過程需完全、準確。

7. 局部放電：

   • 脈沖電流法（IEC 60270）：操作要點：需在屏蔽室內或采取強抗干擾措施；校準整個測量回路；識別并排除外部干擾脈沖。

   • 超聲波法：操作要點：在變壓器箱壁多點布置傳感器，通過聲電轉換定位放電源，常與電測法結合使用。

   • UHF法：操作要點：通過內置或外置UHF傳感器接收GHz頻段的電磁波信號，抗干擾能力強，靈敏度高。

8. 頻率響應分析：使用專用FRA分析儀。操作要點：采用可靠的參考測量（通常以出廠或上次未受影響的頻譜為基準）；測試接線方式（端對端、電容式）需固定一致；確保測試引線及接地穩(wěn)定。

六、檢測儀器

1. 絕緣電阻測試儀：輸出高壓直流，量程寬廣（可達數TΩ），具備自動計算吸收比、極化指數功能。

2. 自動介質損耗測試儀：全自動測量，抗干擾能力強，具備多種測試模式（正/反接、CVT測量等），內置高壓電源。

3. 變壓器直流電阻測試儀：輸出恒流大電流（高可達100A以上），內置快速鐵芯消磁電路，測量速度快，數據穩(wěn)定。

4. 全自動變壓器變比組別測試儀：可自動測量變比、誤差及聯結組別，具備盲測功能（未知組別時亦可測量）。

5. 功率分析儀/損耗測量系統(tǒng)：高精度電壓、電流、功率測量，寬頻帶，支持多通道同步測量，具備諧波分析功能。

6. 氣相色譜儀：配備熱導檢測器（TCD）和氫火焰離子化檢測器（FID），可實現變壓器油中7種（或9種）特征氣體的全分析，自動化程度高。

7. 局部放電檢測系統(tǒng)：

   • 電氣法：包含耦合電容器、檢測阻抗和局放儀，測量頻帶可選，靈敏度高。

   • 超聲波檢測系統(tǒng)：由超聲傳感器、前置放大器及分析主機組成，用于定位。

   • UHF檢測系統(tǒng)：由UHF傳感器、高速數據采集卡及分析軟件組成，適用于在線監(jiān)測。

8. 頻率響應分析儀：寬頻掃頻信號源（通常1kHz - 2MHz），高精度幅相檢測模塊，專用分析軟件用于頻譜比對與診斷。

七、結果分析

1. 絕緣電阻：與出廠值、歷次試驗值及相同條件下其他相的值比較。吸收比（K>1.3）和極化指數（PI>1.5）是判斷絕緣是否受潮的重要指標。若顯著下降，提示絕緣受潮或表面污穢。

2. 介質損耗因數（tanδ）：與初始值比較，要求無明顯增大。溫度升高時tanδ值會上升，需進行溫度換算。tanδ值超標或顯著增長，表明絕緣整體劣化、受潮或油質惡化。

3. 直流電阻：各相繞組電阻相互差別（不平衡率）不應大于2%（1600kVA及以下）或1%（1600kVA以上）。線間差別不應大于1%。若不平衡率超標，可能為分接開關接觸不良、引線焊接不良或匝間短路。

4. 變比：在所有分接下，變比與銘牌值比較不應有顯著偏差，且在標準允許誤差范圍內（通常為±0.5%）。誤差過大可能為匝間短路或連接錯誤。

5. 空載/負載損耗：與設計值或出廠值比較，偏差應在標準允許范圍內?？蛰d損耗增大可能源于鐵芯故障；負載損耗增大可能源于繞組導體或結構件異常。

6. 絕緣油色譜分析：

   • 特征氣體法：關注H?、C?H?、總烴（CH?+C?H?+C?H?+C?H?）含量及產氣速率。

   • 三比值法（IEC 60599/GB 7252）：利用CH?/H?, C?H?/CH?, C?H?/C?H?三對氣體的比值編碼，判斷故障類型（如低溫過熱、高溫過熱、局部放電、低能放電、高能放電）。

   • 大衛(wèi)三角形法：圖形化診斷方法。

   • C?H?是區(qū)分放電與過熱的關鍵氣體。CO和CO?含量顯著增長，可能涉及固體絕緣的熱分解。

7. 局部放電：判斷依據為視在放電量。根據標準（如IEC 60076-3），在規(guī)定試驗電壓下，變壓器的局部放電量不應超過指定限值（如500pC）。放電量超標或存在增長趨勢，表明內部存在絕緣缺陷。

8. 頻率響應分析：采用縱向（與歷史數據）和橫向（三相間）比較法。通過計算相關系數（如CCF）、頻譜偏差等量化指標，結合圖形在低頻段、中頻段、高頻段的變化形態(tài)，判斷繞組可能發(fā)生的變形類型（軸向位移、徑向變形、匝間短路等）。相關系數低于閾值（如0.9~1.0）時，需引起高度警惕。