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毕业设计（论文）北京交通大学
北京交通大学
毕业设计（论文）
题目：牵引变电所变压器常见故障及防范措施
姓名：冷雪冬专业：电气工程及自动化工作单位：吉林铁道职业技术学院
职务：学生
准考证号： 291714102891 联系电话： 138********
设计（论文）指导教师：陈洪军
发题日期：2015年6月 10日
完成日期：2015年6月 30日
毕业设计（论文）评议意见书
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目:牵引变电所变压器常见故障及防范措施一、毕业设计（论文）内容
本篇论文主要研究牵引变电所变压器工作原理及结构，变压器常见故障及防范措施。
二、基本要求
熟练掌握牵引变电所主接线，牵引变电所变压器工作原理及结构，变压器放电故障，变压器绝缘故障的原因及处理。
三、重点研究的问题
1.牵引变电所变压器故障类型
2.变压器故障产生的原因及解决方案
3.变压器常见故障的防范措施
四、主要技术指标
五、其他需要说明的问题
下达任务日期： 2015 年 06 月10 日
要求完成日期： 2015 年 06 月 30 日
指导教师：陈洪军
中文摘要
牵引变电所向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施。其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后，供电力机车和动车组使用。
类型与主要设施根据电力牵引采用电流制的不同，牵引变电所区分为直流、低频交流及工频交流三种类型。直流牵引变电所具有降压和整流两种功能，主要设备有降压变压器及整流装置。用于直流制电气化铁路、矿山与城市轨道交通电力牵引系统。低频交流牵引变电所具有降压和变频两种功能，主要设备有降压变压器、变频设备和升压变压器。电力系统的三相工频交流电，经降压并将工频变换成低频162/3Hz，供具有单相整流子牵引电机的机车使用。这种牵引变电所在西欧一些国家（德国、瑞士、瑞典等）得到采用。工频交流牵引变电所的主要功能是降压，主要设备是降压变压器，以及无功、谐波综合补偿装置等，随着工频交流电力牵引制的发展，这类牵引变电所在中国、欧洲等不少国家得到广泛应用。
关键字：牵引变电所变压器整流电力系统
目录
第1章绪论 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 牵引变配电所外部电源 (1)
1.3 牵引变配电所的主接线 (1)
1.3.1 开闭所 (2)
1.3.2 分区亭 (2)
1.3.3 AT所 (2)
1.3.4 变配电所变压器 (2)
第2章变压器工作原理及结构 (4)
2.1 变压器工作原理 (4)
2.2 变压器的结构 (4)
第3章短路电流引起的故障 (6)
3.1 短路电流引起的故障 (6)
3.2 短路电流的防范措施 (7)
第4章变压器放电故障及影响 (9)
4.1 放电故障对变压器的影响 (9)
4.2 变压器局部放电故障 (9)
4.3 变压器火花放电故障 (11)
4.4 变压器电弧放电故障 (12)
4.5 变压器放电故障防范措施 (12)
第5章变压器绝缘故障 (14)
5.1 固体纸绝缘故障 (14)
5.2 液体油绝缘故障 (17)
5.3 变压器油的性能 (17)
5.4 变压器油劣化的原因 (17)
5.5 变压器油劣化的过程 (18)
5.6 变压器油质分析、判断利维护处理 (19)
参考文献..................................... 错误！未定义书签。2
第一章绪论
1.1 概述
牵引变配电所的功能是将三相的110KV（或220 KV）高压交流电变换为两个单相的27.5KV的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网（额定电压为25KV）供电。牵引变电所为了完成接受电能，高压和分配电能的工作，其电气主接线可分为两部分，一次主接线和二次接线。本设计完成一次主接线设计，比较七种不同的基本接线形式和选定变压器结线方式，设计出以斯科特结线变压器为主变压器的双T接线AT供电系统牵引变电所。
1.2 牵引变配电所外部电源
牵引供电系统一般又由铁路以外的容量较大的电力系统供电。电力系统有许多种电等级网络和设备，其中110KV及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力，供电牵引用力。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路无一例外地为双回线。两条双回线互为备用，平时均处于带点状态，一旦一条回路发生供电故障，另一条会自动投入，从而保证不间断供电。
1.3 牵引变配电所的主接线
牵引变电所(包括分区亭、开闭所，AT所等)，为了完成接受电能，高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线(主接线)和二次接线。
主接线是指牵引变电所内一次主设备(即高压、强电流设备)的联接方式，也是变电所接受电能、变压和分配电能的通路。它反映了牵引变电所的基本结构和功能。
二次接线是指牵引变电所内二次设备(即低电压、弱电流的设备)的联接方式。其作用是对主接线中的设备工作状态进行控制，监察、测量以及实现继电保护与运动化等。二次接线对一次主设备的安全可靠运行起着重要作用。
主接线是根据变电所的容量规模、性能要求、电源条件及配电出线的要求确定的，其基本主接线型式有：单母线分段接线、劳旁路母线的单母线分段接线、双母线接线、桥式接线、双T式(即分支式)接线等。
1.3.1 开闭所
所谓开闭所，是指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所，一般有两条进线，然后多路馈出向枢纽战场接触各分段供电。进线和出线均经过断路器，以实现接触网各分段停、供电灵活运行的目的。又由于断路器对接触网短路故障进行保护，从而可以缩小事故停电范围。
1.3.2 分区亭
分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂)实现并联或单独工作。
如果分区厅两侧的某一区段接触网发生短路故障，可由供电的牵引变电所馈电线断路器及分区亭断路器，在继电保护的作用下自动跳闸，将故障段接触网切除，而非故障段的接触网仍照常工作，从而使事故范围缩小一半。
1.3.3 AT所
牵引网采用AT供电方式时，在铁路沿线每隔10km左右设置一台自耦变压器AT，该设置处所称做AT所。
1.3.4 变配电所变压器
牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器(牵引变压器)、动力变压器、自耦变压器(AT)、所用变压器几种；根据接线方式不同，又有单
相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。尽管变压器的类型、容量、电压等级千差万别，但其基本原理都是一样的，其作用都是变换电压，传输电能，以供给不同的电负荷。适合电力机车使用的27.5KV的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多，因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压器的特点。动力变压器一般是给本所以外的非牵引负荷供电，电压等级一般为27.5/10KV，容量从几百至几千KVA不等。自耦变压器(AT)是AT供电的专用变压器，自身阻抗很小，一般沿牵引网每10～20km设一台，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰用干扰。所用变压器(又称自用电变压器)是给本所的二次设备、检修设备以及日常生活、照明负荷供电的设备，电压一般为27.5/0.4KV或27.5/0.23KV，容量从几十至几百KVA不等。
第二章 变压器工作原理及结构
2.1 变压器工作原理
当变压器一次侧施加交流电压Ｕ１,流过一次绕组的电流Ｉ１,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两的绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，变压器启动到变换电压的目的。
当变压器二次侧接入负载后，在电动势E 2的作用下，将有二次电流通过，该电流产生的电动势，也将作用在同一铁芯上，起到反向去磁作用，但因主磁通取决于电源电压，而U 1基本保持不变，故一次绕组电流必将自动增加一个分量产生磁动势F 1,以抵消二次绕组电流所产生的磁动势F 2，在一二次绕组电流L 1、L 2作用下，作用在铁芯上的总磁动势（不计空载电流I 0）,021=+F F ,由式可知，I 1和I 2相同，所以K N N I I /1//1221==
由式可知，一二次电流比与一二次电压比互为倒数，变压器一二次绕组功率基本不变，（因变压器自身损耗较其传输功率相对较小），二次绕组电流I 2的大小取决于负载的需要，所以一次绕组电流I 1的大小也取决于负载的需要，变压器起到了功率传递的作用。
2.2 变压器的结构
铁心是变压器中主要的磁路部分。通常是由含硅量较高，厚度为 0.35 或 0.5 mm ，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭起到闭合磁路之用。铁心结构的基本形式有心式和壳式两种
绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。变压器的基本原理是电磁感应原理，以单相双绕组变压器为例说明，当一次侧绕组加上电压U1时，流过电流I1，在铁芯中就产生交变磁通?1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势E1，E2，感应电势公式为：E=4.44fN?m式中：
E--感应电势有效值 f--频率 N--匝数?m--主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降低后，电压U1和U2大小也就不同。
当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（I0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流I2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流I0，一部分为用来平衡I2，所以这部分电流随着I2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。
上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
第三章短路电流引起的故障
3.1 短路电流引起的故障
如果变压器内部发生短路，其短路电流的大小很难通过计算得到，因为短路位置的不同，将决定变压器内部实际起作用的阻抗的大小。实际上越靠近高电压引线变压器的阻抗就越小，短路电流越大。例：如果在低压引线发生短路，则变压器线圈的阻抗基本上都起限流作用，这时短路电流较小。
如果是高压引线发生故障，则线圈没有限流作用，在限制短路电流的基本上只有系统阻抗了。短路电动力引起绕组变形故障。
变压器绕组变形频率响应测试仪，根据对变压器内部绕组特征参数的测量，目前世界发达国家正在开发完善的内部故障频率响应分析（FRA）方法，能对变压器内部故障作用准确判断。
变压器设计制造完成后，其线圈和内部结构就确定下来，因此对一台多绕组的变压器线圈而言，如果电压等级相同、绕制方法相同，则每个线
圈对应参数（C
i 、L
i
）就应该确定。因此每个线圈的频域特征响应也随之确
定，对应的三相线圈之间其频率图谱具有一定可比性。
变压器在实验过程中发生匝间、相间短路，或在运输过程中发生冲撞，造成线圈相位移动，以及运行过程中在短路和故障状态下因电磁拉力造成线圈变形，就会使变压器绕组的分布参数发生变化。进而影响并改变变压器原有的频域特征，即频率响应发生幅度变化和谐振频点偏移等。并根据响应分析研制开发的HX021变压器绕组频率响应测试仪，就是这样一种新颖的变压器内部故障无损检测设备，它适用于63KV~500KV电力变压器的内部结构故障检测。
变压器绕组变形频率响应测试仪是将变压器内部绕组参数在不同领域
的响应变化经量化处理后，根据其变化量值的大小、频响变化的幅度、区域和频响变化的趋势，来确定变压器内部绕组的变化程度，进而可以根据测量结果判断变压器是否已经受到严重破坏、是否需要进行大修。
对于运行中的变压器而言，无论过去是否保存频域特征图，通过比较故障变压器线圈间特征图谱的差异，也可以对故障程度进行判断。当然，如果保存有一套变压器原有的绕组特征图，更易对变压器的运行状况、事故后分析和维护检修提供更为精确有力的依据。
3.2 短路电流的防范措施
1、做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。
2、正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断一保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。
3、在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。
4、保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。
5、带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。
6、加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。
7、及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。
8、在电缆埋设处设置标记，有人在四周挖掘施工，要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防电缆被破坏引发短路。
9、电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维
护人员工作完毕，应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。
第四章变压器放电故障及影响
4.1 放电故障对变压器的影响
放电对绝缘有两种破坏作用：一种是由于放电介质点直接轰击绝缘，使局部绝缘受到破坏并逐步扩大，使绝缘击穿。另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，介质损耗增大，最后导致热击穿。
1、绝缘材料电老化是放电故障的主要形式。
（1）局部放电引起绝缘材料中化学键的分离、裂解和分子结构的破坏。
（2）放电点热效应引起绝缘的裂解或促进氧化裂解，增大了介质的电导和损耗产生恶性循环，加速老化过程。
（3）放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化学反应腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。
（4）放电过程的高能辐射，使绝缘材料变脆。
（5）放电时产生的高压气体引起绝缘体开裂，并形成新的放电点。
2、固体绝缘的电老化。固体绝缘的电老化是形成和发展是树枝状，电场集中处产生放电，引起树枝状放电痕迹，并逐步发展导致绝缘击穿。
3、液体浸渍绝缘的电老化。如局部放电一般先发生在固体或油内的小气泡中，而放电过程又使油分解产生气体并被油部分吸收，如产生速率高，气泡将扩大、增多，使放电增强，同时放电产生的X—蜡沉积在固体绝缘上使散热困难、放电增强、出现过热，促使固体绝缘损坏。
4.2 变压器局部放电故障
在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、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。
局部放电刚开始时是一种低能的放电，变压器内部出现这种放电时，
情况比较复杂，根据绝缘介质的不同，可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部放电；根据绝缘部位来分，有固体绝缘中空穴、电极尖端、油角间隙、油与绝缘纸板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等处的局部放电
1、局部放电的原因
（1）当油中存在气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔，由于气体的介电常数小，在交流电压下所承受的场强高，但其耐压强度却低于油和纸绝缘材料，在气隙中容易首先引起放电。
（2）外界环境条件的影响。如油处理不彻底或下降使油中析出气泡等，都会引起放电。
（3）由于制造质量不良。如某些部位有尖角高而出现放电。带进气泡、杂物和水分，或因外界气温漆瘤等，它们承受的电场强度较高。
（4）金属部件或导电体之间接触不良而引起的放电。局部放电的能量密度虽不大，若进一步发展将会形成放电的恶性循环，最终导致设备的击穿损坏，而引起严重的事故。
2、放电产生气体的特征。放电产生的气体，由于放电能量不同而有所不同。如放电能量密度在9
10 ℃以下时，一般总烃不高，主要成分是氢气，
其次是甲烷。氢气占氢烃总量的80%～90%；当放电能量密度为8?10～7?10℃时，则氢气相应降低，而出现乙炔，但乙炔这时在总烃中所占的比例不到2%，这是局部放电区别于其他放电现象的主要标志。
随着变压器故障诊断技术的发展，人们越来越认识到，局部放电是变压器诸多有机绝缘材料故障和事故的根源，因而该技术得到了迅速发展，出现了多种测量方法和实验装置，亦有离线测量的。
3、测量局部放电的方法。
（1）测量法。利用示波器、局部放电仪或无线电干扰仪，查找放电的波形或无线电干扰程度。电测法的灵敏度较高，测到的视在放电量，分辨
率可达几皮库。
（2）超声测法。利用检测放电中出现的超声波，并将声波变换为电信号，录在磁带上进行分析。超声测法的灵敏度较低，大约几千皮库，它的优点是抗干扰性好，且可“定位”。有的利用电信号和声信号的传递时间差异，可以估计探测点到放电点的距离。
（3）化学测法。检测溶解油内各种气体的含量及增减变化规律。此法在运行监测上十分适用，简称“色谱分析”。化学测法对局部过热或电弧放电很灵敏，但对局部放电灵敏不高。而且重要的是观察其趋势，例如几天测一次，就可发现油中含气的组成、比例以及数量的变化，从而判定有无局部放电或局部过热。
4.3 变压器火花放电故障
10 的数量级。
发生火花放电时放电能量密度大于C6
1、悬浮电位引起火花放电。高压电力设备中某金属部件，由于结构上原因，或运输过程和运行中造成接触不良而断开，处于高压与低压电极间并按其阻抗形成分压，而在这一金属部件上产生的对地电位称为悬浮电位。具有悬浮电位的物体附近的场强较集中，往往会逐渐烧坏周围固体介质或使之炭化，也会使绝缘油在悬浮电位作用下分解出大量特征气体，从而使绝缘油色谱分析结果超标。悬浮放电可能发生于变压器内处于高电位的金属部件，如调压绕组，当有载分接开关转换极性时的短暂电位悬浮；套管均压球和无载分接开关拨叉等电位悬浮。处于地电位的部件，如硅钢片磁屏蔽和各种紧固用金属螺栓等，与地的连接松动脱落，导致悬浮电位放电。变压器高压套管端部接触不良，也会形成悬浮电位而引起火花放电。
2、油中杂质引起火花放电。变压器发生火花放电故障的主要原因是油中杂质的影响。杂质由水分、纤维（主要是受潮的纤维）等构成。水的介电常数e约为变压器油的40倍，在电场中，杂质首先极化，被吸引向电场
强度最强的地方，即电极附近，并按电力线方向排列。
3、火花放电的影响。一般来说，火花放电不会很快引起绝缘击穿，主要反映在油色谱分析异常、局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易被发现和处理，但对其发展程度应引起足够的认识和注意。
4.4 变压器电弧放电故障
电弧放电是高能量放电，常以绕组匝间层间绝缘击穿为常见，其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。
电弧放电的影响。电弧放电故障由于放电能量密度大，产生急剧，常以电子崩形e冲击电介质，使绝缘纸击穿、烧焦或炭化，使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会造成I备烧损，甚至发生爆炸事故，这种事故一般事先难以预料，也无明显预兆，常以突发的形式暴露出来。
电弧放电的气体特征。出现电弧放电故障后，气体继电器中的氢和乙炔等成分常高达几千UL/L,变压器油亦炭化而变黑。油中特征气体的主要成分是氢气和乙炔，其次乙烷和甲烷。当放电故障涉及到固体绝缘时，除了上述气体外，还会产生一氧化碳和二氧化碳。
综上所述，三种放电的形式既有区别又有一定的联系，区别是指放电等级和产生气体的成分，联系是指局部放电是其他两种放电的前兆，而后者又是前者发展后的一种必然结果。由于变压器内部出现的故障，常处于逐步发展的状态，同时大多不是单一类型的故障，往往是一种类型伴随着另一种类型，或几种类型同时出现，因此，更需要认真分析，具体对待。
4.5 变压器放电故障防范措施
1、加强色谱跟踪
色谱分析是目前保障设备安全运行的一项重要手段。正是由于我们牢牢抓住了色谱分析这个重要环节，才避免了变压器烧损事故的发生。
2、加装在线监测装置，实现连续监测