一种变压器直流偏磁状态评估和诊断方法与流程

本发明涉及电力变压器技术领域，具体涉及一种变压器直流偏磁状态评估和诊断方法。

背景技术：

电力变压器是电力系统中非常重要的设备，其运行状态直接影响到电力系统的安全性。随着电力系统直流输电线路的投运，在单极大地运行时，直流换流站附近的电力变压器受到直流电流侵入，造成振动、噪声及损耗增加和过热问题，引起电力变压器磁饱和，导致损耗、温升增大，并可能引发局部过热，加剧震动，增加噪声，其产生的谐波还会引起系统电压波形畸变及继电保护误动作等，从而影响电力变压器的安全运行，这种直流电流侵入电力变压器的现象被称为直流偏磁。随着我国超高压直流输电线路的不断增加，电力变压器的直流偏磁现象变得越来越严重。

有电网公司的资料显示，在直流系统单极大地运行时，附近电力变压器在中性点直流侵入10a左右时，220kv电力变压器的噪声值达到84-90db(a)，比正常运行时增加10-20db(a)。同时，损耗、温升也相应地增加。这种损耗、温升和噪声增大现象会严重威胁到电力变压器的安全运行，因此在变压器遭受直流入侵后，对变压器直流偏磁状态进行评估和诊断势在必行。然而，现有技术中对变压器直流偏磁状态进行评估和诊断的方案比较单一，缺乏全面性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种全面、具体的变压器直流偏磁状态评估和诊断方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种变压器直流偏磁状态评估和诊断方法，其包括如下步骤：

在变压器发生直流入侵后，监测变压器铁心中的直流磁场强度、空载状态下变压器的空载电流比、绕组中性点的直流电流、变压器的振动和噪声、变压器的温升、变压器非电量保护动作情况、变压器高压侧电压波形和电流波形、变压器油色谱、以及变压器的器身外观，若上述任意一种监测结果不符合预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行，否则，变压器继续投运。

可选地，所述直流磁场强度为hdc＝ni相/l，其中，n为绕组的匝数；若变压器为三相变压器，则i相为单相直流电流值，若变压器为单相变压器，则i相为每一相直流电流值；l为以旁柱计算的磁回路长度。

可选地，对于变压器铁心中的直流磁场强度hdc的监测结果而言，若hdc超过200a/m，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

可选地，所述空载电流比包括空载基波电流比k1、空载二次谐波电流比k2、空载三次谐波电流比k3和空载五次谐波电流比k5，

k1＝i01d/i01

k2＝i02d/i02

k3＝i03d/i03

k5＝i05d/i05

其中，i01d为直流入侵后的空载基波电流值，i01为未入侵直流时的空载基波电流值；i02d为直流入侵后的空载二次谐波电流值，i02为未入侵直流时的空载二次谐波电流值；i03d为直流入侵后的空载三次谐波电流值，i03为未入侵直流时的空载三次谐波电流值；i05d为直流入侵后的空载五次谐波电流值；i05为未入侵直流时的空载五次谐波电流值。

可选地，对于空载状态下变压器的空载电流比的监测结果而言，若空载基波电流比k1、空载二次谐波电流比k2、空载三次谐波电流比k3和空载五次谐波电流比k5中的任意一个电流比大于7，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

可选地，对于绕组中性点的直流电流的监测结果而言，若绕组中性点的直流电流值超过12a，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

可选地，对于变压器的振动的监测结果而言，若变压器油箱壁振动增加量超过50μm，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载；对于变压器的噪声的监测结果而言，若变压器油箱壁或油箱内部铁心顶部的噪声声压级增加量超过10db(a)，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

可选地，对于变压器的温度的监测结果而言，若变压器油箱壁温升或顶层油温升的增加量超过10k，或者变压器顶层油温升超过75k，则该监测结果不符合预设条件，判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

可选地，还包括步骤：

复检变压器的电气性能，若变压器的电气性能不合格，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，否则，变压器继续投运。

可选地，所述变压器为三相五柱式电力变压器、单相四柱式电力变压器或单相三柱式电力变压器。

有益效果：

本发明所述变压器直流偏磁状态评估和诊断方法，针对开展了直流偏磁试验的变压器，以及正在运行中受到直流入侵的变压器，进行电气、机械状态的分析，以保证变压器产品在后续运行中的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的变压器直流偏磁状态评估和诊断方法的流程图；

图2a为本发明实施例提供的变压器在无直流入侵时典型振动测点处振动信号的时域波形和频谱分布图；

图2b为本发明实施例提供的变压器在发生直流(偏磁电流为2a)入侵后典型振动测点处振动信号的时域波形和频谱分布图；

图3a为本发明实施例提供的变压器在无直流入侵时典型噪声测点处噪声信号的时域波形和频谱分布图；

图3b为本发明实施例提供的变压器在发生直流(偏磁电流为2a)入侵后典型噪声测点处噪声信号的时域波形和频谱分布图；

图4a为本发明实施例提供的变压器在空载电压为1.0un、偏磁电流为0a的情况下电流和电压波形图；

图4b为本发明实施例提供的变压器在空载电压为1.0un、偏磁电流为2a的情况下电流和电压波形图；

图4c为本发明实施例提供的变压器在负载电压为1.0un、偏磁电流为2a的情况下电流和电压波形图；

图5为本发明实施例提供的变压器的直流偏磁状态评估和诊断表示例图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

发明人根据前期产品试验，研究了交流变压器在直流偏磁状态下的空载电流变化特点，中性点直流电流与变压器噪声振动增加量的关系，振动噪声在直流偏磁状态下的频谱特点，以及空载损耗变化规律，为处于直流偏磁状态下的变压器运行时的性能变化做出有效分析和判断，并积累了实践经验，从而提出了本发明所述变压器直流偏磁状态评估和诊断方法，为变压器安全运行提供参考。

本发明所述变压器直流偏磁状态评估和诊断方法是在变压器发生直流入侵后进行的，具体可以为，在变压器直流偏磁耐受能力试验后进行，同时需按照变压器直流偏磁试验方法技术规范来获取相关数据；也可以为，在运行的变压器受到直流入侵时或直流入侵后进行，同时需获取相关数据。

上述相关数据包括需监测的数据和变压器结构参数，其中，需监测的数据包括：中性点入侵直流电流、高压侧电压波形、空载电流波形、空载损耗、负载损耗、变压器温升、机械振动、噪声和油色谱等；变压器结构参数包括：变压器型号、容量、电压等级、接线方式(星形接线)、铁心型式、结构参数(磁回路长度)、截面尺寸、绕组匝数等。需要说明的是，只有在星形接法中性点接地时，才有大地直流通过中性点接地线进入变压器，而其他接法(如三角形接法)没有直流入侵通路，因此本发明中的变压器采用的接线方式为星形接线，下文不再赘述。

而且，本实施例适用于三相五柱式电力变压器、单相四柱式电力变压器或单相三柱式电力变压器，但不适用于三相三柱式电力变压器。这是因为，三相三柱式电力变压器在直流偏磁试验中，由于三相直流磁通同相位，不能在铁心中闭合并形成回路，需在铁心外空间闭合，不存在铁心饱和问题，所以试验测量到的损耗、噪声、振动及频谱规律为，噪声略有增加，损耗、励磁电流变化不明显，完全不同于上述其它结构电力变压器的铁心，因此本发明根据电气、机械量的变化所进行的分析和诊断，不适用于三相三柱式电力变压器。

下面结合图1详细描述本发明所述变压器直流偏磁状态评估和诊断方法，具体包括如下步骤s101-s112。

步骤s101.监测变压器铁心中的直流磁场强度，若监测结果不符合第一预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

具体地，变压器铁心中的直流磁场强度可由如下公式计算得出：∮hdcl＝ni相，则hdc＝ni相/l，

其中，hdc为铁心中的直流磁场强度(a/m)；n为绕组的匝数；若变压器为三相变压器，则i相为单相直流电流值(a)，若变压器为单相变压器，则i相为每一相直流电流值(a)；l为以旁柱计算的磁回路长度(m)。

本步骤中，若hdc超过200a/m，则认为对hdc的监测结果不符合第一预设条件。此时，入侵直流造成的直流磁场强度较大，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

步骤s102.监测空载状态下变压器的空载电流比，若监测结果不符合第二预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

具体地，所述空载电流比包括空载基波电流比k1、空载二次谐波电流比k2、空载三次谐波电流比k3和空载五次谐波电流比k5，而

k1＝i01d/i01

k2＝i02d/i02

k3＝i03d/i03

k5＝i05d/i05

其中，i01d为直流入侵后的空载基波电流值，i01为未入侵直流时的空载基波电流值；i02d为直流入侵后的空载二次谐波电流值，i02为未入侵直流时的空载二次谐波电流值；i03d为直流入侵后的空载三次谐波电流值，i03为未入侵直流时的空载三次谐波电流值；i05d为直流入侵后的空载五次谐波电流值；i05为未入侵直流时的空载五次谐波电流值。上述电流值是通过监测空载电流波形得出的。

本步骤中，若空载基波电流比k1、空载二次谐波电流比k2、空载三次谐波电流比k3和空载五次谐波电流比k5中的任意一个电流比大于7，则认为对变压器的空载电流比的监测结果不符合第二预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

步骤s103.监测绕组中性点的直流电流，若监测结果不符合第三预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若绕组中性点的直流电流值超过12a，则认为对绕组中性点的直流电流的监测结果不符合第三预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

步骤s104.监测变压器的振动，若监测结果不符合第四预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，根据变压器的振动频谱变化确定变压器的直流偏磁状态，若变压器油箱壁振动增加量超过50μm，则认为对变压器的振动的监测结果不符合第四预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测噪声水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

需在油箱壁上的适当位置处选择典型振动测点，变压器在无直流入侵时和变压器在发生直流(偏磁电流为2a)入侵后典型振动测点处振动信号的时域波形和频谱分布图分别如图2a和图2b所示。

步骤s105.监测变压器的噪声，若监测结果不符合第五预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，根据变压器的噪声声压级确定变压器的直流偏磁状态，若变压器油箱壁或油箱内部铁心顶部的噪声声压级增加量超过10db(a)，则认为对变压器的噪声的监测结果不符合第五预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

其中，声压级以符号spl表示，其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数，再乘以20，即：spl＝20log10[p(e)/p(ref)]，其单位是分贝(db)。声压是大气压受到声波扰动后产生的变化，即为大气压强的余压，它相当于在大气压强上的叠加一个声波扰动引起的压强变化。声级近似于人耳对声音各频率成分感觉程度综合成的总声压级数值。对声级的测量应根据“gb1094.10电力变压器第10部分：声级测定”进行。

此外，还可根据空载状态下的变压器的噪声频谱变化确定变压器的直流偏磁状态。具体为，在变压器处于空载状态时，采集典型噪声测点处的噪声信号，得到该噪声信号对应的频谱，当噪声频谱中出现奇次谐波，且含量超过预设含量(可由本领域技术人员根据实际情况进行设定)时，证明谐波含量较多，直流偏磁引起的直流磁场强度较高，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

需在油箱壁或油箱内部铁心顶部选择典型噪声测点，变压器在无直流入侵时和变压器在发生直流(偏磁电流为2a)入侵后典型噪声测点处噪声信号的时域波形和频谱分布图分别如图3a和图3b所示。

步骤s106.监测变压器的温升，若监测结果不符合第六预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若变压器油箱壁温升或顶层油温升的增加量超过10k，或者变压器顶层油温升超过75k，则认为对变压器的温升的监测结果不符合第六预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油色谱等。

其中，采用红外热成像的方法测量油箱壁的温度。对变压器的温升的测量应根据“gb1094.2电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升”进行。

步骤s107.监测变压器非电量保护动作情况，若监测结果不符合第七预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若变压器非电量保护动作的情况为已动作，则认为监测结果不符合第七预设条件。此时，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

其中，非电量保护指的是由非电气量反映的故障动作或发信的保护，一般是指保护的判据不是电量，而是非电量。本实施例中，非电量保护动作可以为压力释放阀、气体继电器的报警动作。当然，非电量保护不应误动作。

步骤s108.监测变压器高压侧电压波形和电流波形，若监测结果不符合第八预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若与未发生直流偏磁时相比，处于空载、负载状态下的变压器高压侧电压波形或电流波形出现畸变，且畸变程度超过预设程度(可由本领域技术人员根据实际情况进行设定)，则认为对变压器高压侧电压波形或电流波形的监测结果不符合第八预设条件，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动水平、油箱表面和油顶层温升、油色谱等。

变压器在空载电压为1.0un、偏磁电流为0a的情况下、空载电压为1.0un、偏磁电流为2a的情况下、以及负载电压为1.0un、偏磁电流为2a的情况下的电流和电压波形图分别如图4a、图4b和图4c所示。

步骤s109.监测变压器油色谱，若监测结果不符合第九预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若与未发生直流偏磁时相比，变压器油色谱出现异常，则认为对变压器油色谱的监测结果不符合第九预设条件，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升等。对油色谱的测量应根据“gb7252变压器油中溶解气体分析和判断导则”进行。

其中，变压器油色谱出现异常指的是，变压器油样中的气体组分含量超过预设标准(可由本领域技术人员根据实际情况进行设定)。所述气体组分包括h2、co、co2、ch4、c2h6、c2h4、c3h8、c2h2、c3h6、c1+c2。

步骤s110.监测变压器的器身外观，若监测结果不符合第十预设条件，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载或退出运行。

本步骤中，若变压器的铁心、线圈和引线之一出现异常，则认为对变压器器身外观的监测结果不符合第十预设条件，变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，必要时可退出运行；同时，需密切关注变压器整体运行状态，如监测振动和噪声水平、油箱表面和油顶层温升等。

由于直流偏磁会引起铁心振动增加，需对器身定位固定结构件进行相应的检查，若铁心出现异常，例如，铁心出现松动，应对其进行大修加固处理，又例如，铁心转角窗内侧表面有缺陷，应进行修补或替换。若线圈出现异常，例如，线圈出现松动，应对线圈采取压紧措施。若引线出现异常，例如，引线出现松动，应对引线及其夹持架构采用必要的紧固措施。

步骤s111.若步骤s101-s110中的监测结果均符合预设条件，则变压器状态良好，可继续投运。

步骤s112.复检变压器的电气性能，若变压器的电气性能不合格，则判定变压器的直流入侵程度已经影响到变压器的正常运行，应减小负载，否则，变压器继续投运。其中，变压器的电气性能是否合格可由本领域技术人员根据检测值与出厂值的对比情况结合实际情况来判断。

本步骤中，若直流入侵的时间较长和/或入侵的直流电流较大，需要复检变压器的电气性能。需要重新进行的电气性能试验包括：绝缘试验、低电压试验、空载损耗试验和空载励磁电流试验。其中，绝缘试验包括可以在现场开展的绝缘电阻、绕组直流电阻、绕组频响曲线、低电压短路阻抗试验、绝缘油试验和局部放电试验。若复检试验前后空载损耗增加量的百分比超过4％，则认为空载损耗试验不合格。若复检试验前后空载励磁电流增加量的百分比超过30％，则认为空载励磁电流试验不合格。

经过上述步骤s101-s112对变压器的直流偏磁状态进行评估和诊断的情况示例如图5所示。

综上所述，本实施例所述变压器直流偏磁状态评估和诊断方法，针对开展了直流偏磁试验的变压器，以及正在运行中受到直流入侵的变压器，进行电气、机械状态的分析，以保证变压器产品在后续运行中的安全性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。