變壓器狀態(tài)與參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)的研究

1、變壓器狀態(tài)與參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)的研宄沈亮（國網(wǎng)浙江安吉縣供電公司浙江安吉313300）隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)正向超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自 動(dòng)化方向發(fā)展，這就要求電力系統(tǒng)做到k:時(shí)間可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。電力系統(tǒng)中最重 要的電氣設(shè)備之一變壓器的安全工作是影響整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的 關(guān)鍵。而由于一些外界或人為因素影響，變壓器時(shí)常會(huì)發(fā)生各種類型的故障和事 故，因此對變壓器狀態(tài)與參數(shù)在線監(jiān)測的研究有著重要意義。變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的未來的發(fā)展將以加強(qiáng)干擾信號處理、識別與診斷故障、 人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，綜合性、遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)和電力設(shè)備虛擬醫(yī)院的 研發(fā)以及以可靠性為中心的維修策略的研

2、究及推廣為重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：變壓器，在線監(jiān)測，局部放電,油色譜1課題背景變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，一旦發(fā)生故障或事故，則所需 的修復(fù)時(shí)間長，造成的損失和影響也十分嚴(yán)重。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，變壓 器的電壓等級和容量也越來越高，因此變壓器故障帶來的損失也會(huì)越來越大2。 近年來，電力變壓器雖然由于材料的改進(jìn)、設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)的提高，運(yùn)行可 靠性有所提高，但是由于一些無法預(yù)計(jì)的外界原因或者使用方法、運(yùn)行維護(hù)方面 出現(xiàn)的問題，仍會(huì)發(fā)生各種類型的故障或事故。由此可見，加強(qiáng)對變壓器絕緣狀 態(tài)的監(jiān)視與預(yù)測以防事故于未然，以及在事故發(fā)生后盡快確定其性質(zhì)及發(fā)生部位 具有十分重要意義。因此，如能在電

3、力變壓器運(yùn)行過程中通過某些方法或手段對變壓器的未來運(yùn) 行狀況進(jìn)行及時(shí)而有效的預(yù)測，預(yù)先發(fā)現(xiàn)早期潛伏性故障，及時(shí)采取搶修措施， 從而可以大大減少事故的發(fā)生，這將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要的意義。2.變壓器局部放電的危害在變壓器的絕緣系統(tǒng)中，各部位的電場強(qiáng)度往往不是相等的，當(dāng)局部區(qū)域的 電場強(qiáng)度達(dá)到該區(qū)域介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)吋，該區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)放電，但這種放電并沒 有貫穿施加電壓的兩導(dǎo)體之間，即整個(gè)絕緣系統(tǒng)并沒冇擊穿，仍然保持絕緣性能, 這種現(xiàn)象稱之為局部放電13。造成電場不均勻的因素有很多。主要有以下幾點(diǎn)：(1) 變壓器的電極系統(tǒng)不對稱，如針對板、圓柱體等，如變壓器的高壓引 出線端的電場比較集中，

4、不采取特殊的措施，就容易在這些部位首先發(fā)生局部放 電；(2) 介質(zhì)不均勻，如各種復(fù)合介質(zhì)：氣體一固體組合、液體一固體組合、 不同的固體組合等。在電場的作用下，介質(zhì)的電場強(qiáng)度是反比于介電常數(shù)的，因 此介電常數(shù)小的介質(zhì)中的電場強(qiáng)度就高于介電常數(shù)大的；(3) 絕緣體中含冇氣泡或其它雜質(zhì)。氣體的相對介電常數(shù)接近于1，各種固體、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)都要比 它大一倍以上，而固體、液體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)一般要比氣體介質(zhì)大幾倍到幾十倍， 因此絕緣體中有氣泡存在是產(chǎn)生局部放電最普遍的原因。絕緣體中的氣泡可能是 產(chǎn)品制造過程留下的，也可能是在產(chǎn)品運(yùn)行中由于熱脹冷縮在不冋的材料的界面 上出現(xiàn)了裂縫，或者因絕緣材料老化

5、而分解出氣體。此外，在高場強(qiáng)中若有電位 懸浮的金屬體存在，也會(huì)在其邊緣感應(yīng)出很高的場強(qiáng)；在變壓器的各連接處，如 果接觸不好，也會(huì)在距離很微小的兩個(gè)接點(diǎn)間產(chǎn)生高場強(qiáng)，這些都可能造成局部 放電。雖然局部放電的放電能量很小，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響變壓器的絕緣強(qiáng)度，但 長吋間的局部放電會(huì)逐漸腐蝕，損壞絕緣材料，使放電區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致 整個(gè)絕緣體的擊穿14。因此，必須把局部放電限制在一定的水平之下。變壓器 都把局部放電的測量列為檢査產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，產(chǎn)品不但出廠使要做局部放 電試驗(yàn)，而il在投入運(yùn)行之后還要經(jīng)常進(jìn)行測量。3變壓器局部放電在線監(jiān)測的抗干擾技術(shù)變壓器局部放電在線檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何排

6、除現(xiàn)場電磁干擾、提取準(zhǔn)確的局部放電信號來識別變壓器絕緣狀況?，F(xiàn)場電磁干擾按k吋域特征可分為窄 帶干擾、脈沖干擾和白噪聲等。窄帶干擾是周期性的，包括系統(tǒng)高次諧波、高頻 保護(hù)、載波通信以及無線電通信等造成的干擾。脈沖干擾又可分為周期型和隨機(jī) 型兩種，白噪聲包括各種隨機(jī)噪聲，如繞組熱噪聲、地網(wǎng)噪聲等。本節(jié)介紹了當(dāng)今 變壓器局部放電在線檢測中處理不同類型干擾技術(shù)的狀況27。江蘇大學(xué)電氣工程學(xué)院采用了以下的分類方式，與清華大學(xué)的分類方法略冇 不同。以下采用江蘇大學(xué)的分類方式。(1) 窄帶周期型干擾的抑制窄帶周期型干擾的抑制方法主要有閾值判斷法、小波變換法等。閾值判斷法 基于快速傅立葉變換(fft)。曲線

7、法比硬限幅的閾值直線法更靈活，信噪比提高，信 號的畸變度改善。28將幅頻特性曲線上獲得的窄帶干擾信號與原始信號相減， 再傅立葉反變換返冋吋域即可獲得局放信號。(2) 固定相位脈沖干擾的抑制固定相位脈沖干擾可用自適應(yīng)數(shù)字濾波器剔除。變壓器局部放電在線檢測吋 現(xiàn)場冇大量周期型干擾，其頻率不可預(yù)知，難用固定系數(shù)的多通帶冇限沖擊響應(yīng) fir濾波器剔除。29自適應(yīng)數(shù)字濾波器由帶吋延的wn-多通帶濾波器與減法器 組成見圖2-5能利用周期型干擾和局放信號的各自相關(guān)性不冋區(qū)分兩者，這種濾 波器能隨輸入序列的變化，按照某種誤差遞減的規(guī)則自行調(diào)整濾波器系數(shù)，使其 對應(yīng)當(dāng)吋現(xiàn)場的干擾頻帶，從而消除干擾。(3) 白噪

8、聲的抑制局部放電信號為非平穩(wěn)隨機(jī)信號，與其混雜在一起的白噪聲為均值0的平穩(wěn) 隨機(jī)信號，屬寬帶干擾。吋域和頻域同吋具有良好局部性的小波變換，使其從白 噪聲中提取局部放電信號優(yōu)于fft濾波法。小波去噪一般采用shrinkage技術(shù)， 即設(shè)定一個(gè)門限值,小于該值的系數(shù)置為0,保留大于該值的，經(jīng)反變換后即為去 噪后的信號。此法實(shí)現(xiàn)簡單、運(yùn)算速度快、去噪效果好、波形失真小。由于小波 分解是最優(yōu)分解，能量比較集中，用shrinkage技術(shù)濾波吋，信噪比可進(jìn)一步提 高。小波去噪法得到的信號和原信號之間的最人誤差正比于原信號信噪比的平方 關(guān)系。該信噪比太小吋，shrinkage去噪法因誤差太大而無法使用，且現(xiàn)

9、場中周 期正弦干擾嚴(yán)重吋，去白噪聲干擾應(yīng)置于去除周期正弦干擾之后，以免局部放電 信號被誤為白噪聲給去掉30。(4) 局部放電信號的分層式干擾抑制由于現(xiàn)場實(shí)際存在多種不同類型的干擾,采用分層式干擾抑制方式可有效去 除各種干擾，并保證原冇的局部放電信號能量損失較小，這種干擾抑制方式分為若 干層，每層分別完成一個(gè)確定的任務(wù)。31】為使下一層處理效果更佳，每層去除干 擾后的信號失真要盡可能小。(5) 存在的問題與不足盡管0前研宄出很多的干擾抑制辦法，但是都沒有根本上解決干擾的問題, 而il行業(yè)上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)也比較閑難，很多只是單純的理論分析，具體 操作很困難。有待于科研人員進(jìn)一步的探索和開發(fā)，

10、理論有待于進(jìn)-步完善。4變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)0前，國內(nèi)外對變壓器的監(jiān)測主要有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1) 對變壓器局部放電的監(jiān)測(2) 對變壓器有載分接開關(guān)的監(jiān)測(3) 對變壓器的套管的監(jiān)測(4) 對變壓器油的氣相色譜監(jiān)測(5) 對變壓器上層油溫的監(jiān)測本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測系統(tǒng)只對變壓器套管、汕中氫氣濃度、鐵心接地電流、 變壓器局部放電在線監(jiān)測4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，對變壓器的套管、油中氫氣、鐵 心接地電流、上層油溫及氣象條件進(jìn)行在線監(jiān)測。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 “看門狗”。由于 在線監(jiān)測系統(tǒng)是在無人看管的條件下運(yùn)行的，變電站又常常出現(xiàn)一些偶發(fā)干擾， 這些干擾在某些條件下導(dǎo)

11、致計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行混亂、硬件故障或死機(jī)等問題。為了 解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了硬件復(fù)位電路一即“看門狗”。在正常情況下，程序不斷地將硬件復(fù)位電路的計(jì)數(shù)器清零，硬件復(fù)位電路不會(huì)動(dòng)作，計(jì)算機(jī)正常工作。一 旦計(jì)算機(jī)在異常情況下發(fā)生死機(jī)，程序無法清除“看門狗”，在大約15分鐘吋間 里，“看門狗”不被清零，硬件復(fù)位電路將動(dòng)作，觸發(fā)計(jì)算機(jī)的硬復(fù)位端口使系 統(tǒng)重新啟動(dòng)。采用這種措施可大大提高監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。如圖4-1所示。變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖4.2監(jiān)測內(nèi)容及測量原理4.2.1變壓器套管4.2.1.1監(jiān)測內(nèi)容變壓器套管為電容型設(shè)備，監(jiān)測內(nèi)容如下：介質(zhì)損耗因數(shù)（）泄露電流10電容量變化率/c4.2.1.2測量原

12、理（1）介質(zhì)損耗因數(shù)（）的測量原理介質(zhì)損耗測量系統(tǒng)對設(shè)備絕緣劣化的故障右較高的靈敏度，在絕緣預(yù)防性試 驗(yàn)中介質(zhì)損耗測量是必不可少的測量項(xiàng)0。冋吋高壓設(shè)備的介質(zhì)損耗一般都很小， 所以對測量的精度要求很高，而i在現(xiàn)場測量時(shí)易受各種形式的干擾，因此要精 確而穩(wěn)定地在線監(jiān)測設(shè)備的介質(zhì)損耗難度較大。系統(tǒng)使用穿芯電流傳感器（ct），結(jié)合軟、硬件方法對套管進(jìn)行介損測量，即使用一個(gè)穿芯ct取流過被測設(shè)備的電流1c,參考電壓信號u取自該設(shè)備所在 母線上的pt,通過pt二次側(cè)回路接一組電容cpt將參考電壓信號轉(zhuǎn)為參考電流 信號，用另一穿芯ct側(cè)該電流ipt,其中1c和ipt的角度為，如圖4-2所示介質(zhì)測量原理圖通

13、過濾波、鎖相等硬件信號調(diào)理電路，結(jié)合傅里葉變換（fft）算法，計(jì)算出，則介損圖中5-2中ct1和ct2為特制的有源ct.(2) 泄露電流通過測量圖4-2中ct2的輸出電壓uc,可得泄露電流：io=ic=uc4.2.13運(yùn)行結(jié)果從運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果可以總結(jié)出以下兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：(1) 介質(zhì)的監(jiān)測受pt參考信號的影響，同相各設(shè)備受影響的程度相同，可 以運(yùn)用數(shù)據(jù)處理的方法消除影響。(2) 在線監(jiān)測介質(zhì)的判斷方法應(yīng)從其變化趨勢來分析。該經(jīng)驗(yàn)同樣適用于 對變壓器套管。4.2.2汕中氫氣的監(jiān)測分析變壓器類等充油設(shè)備油中溶解氫氣等可燃性氣體，可以預(yù)報(bào)設(shè)備內(nèi)部存 在的故障隱患，以便及早采取必要的措施，防事故于未然。高壓

14、電氣設(shè)備的潛伏性故障可分為過熱性和放電性故障兩大類。過熱性故障 是指鐵心多點(diǎn)接地和局部短路、接點(diǎn)焊接不良等故障形式；放電性故障是指電弧 放電、火花放電和局部放電等故障形式。無論是過熱性故障還是放電故障，最終 都導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)裂解，產(chǎn)生各種特征氣體。由于碳?xì)滏I之間的鍵能低， 生成熱小，在絕緣材料的分解過程中，總是先生成氫氣，因此氫氣是各種故障特 征氣體的主要組成成分之一。b前，電力系統(tǒng)中采用色相色譜法分析油中溶解氣 體含量，這對正確判斷設(shè)備早期故障起了很大的作用。但色相色譜法由于受到實(shí) 施周期的限制，冇可能錯(cuò)過檢測到迅速發(fā)展的故障的短期預(yù)兆；另外氣相色譜法 在實(shí)施過程中氣體難免從汕中逸出，

15、尤其是對極易擴(kuò)散的氫氣更為嚴(yán)重。因此在 色相色譜法的分析結(jié)果中，氫氣的含量往往出現(xiàn)較大的分散性，也就不容易引起 人們的重視。本系統(tǒng)的測氫探頭采用高分子膜滲透汕中氫氣，直接從汕中分離出氫氣進(jìn)行 在線監(jiān)測，彌補(bǔ)了色相色譜法周期性限制和誤差大的缺陷，并根據(jù)氫氣含量的變 化情況，預(yù)知設(shè)備的早期故障，是目前較為理想的手段。汕中氫氣含量的測量采用活化的鉑敏元件。當(dāng)氫氣在加熱到恒定高溫的鉑絲 上燃燒吋，引起鉑絲電阻值的變化，這種變化在一定范圍內(nèi)與氫氣濃度成函數(shù)關(guān) 系。對氫敏元件獲得的信號進(jìn)行采集處理，即可得到氫氣濃度。冇穩(wěn)定可靠及壽 命長的優(yōu)點(diǎn)，是國外采用燃料電池作為氫敏元件所不能匹及的。4.2.2.1測量

16、原理測氫探頭采用高分子膜滲透油中氫氣，直接從油中分離氫氣，采用活化的鉑 絲作為氫敏元件，通過氫氣在鉑絲上燃燒，引起鉑絲電阻值的變化，來測量氫氣 含量。4.2.2.2油氣分離汕氣分離由透氫率高的高分子膜完成。高分子膜固定在特殊設(shè)計(jì)的氣室里， $室的底座通過法蘭與變壓器連接。4.2.23試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果本系統(tǒng)最小檢測濃度可達(dá)。運(yùn)行穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，抗干擾性強(qiáng)，安裝方便， 基本不用維護(hù)。4.2.3上層油溫的監(jiān)測4.2.3.1監(jiān)測原理變壓器上層汕溫的異常變化，可以反映出變壓器的過熱性故障。本系統(tǒng)用 ptloo溫度傳感器對變壓器上層油溫進(jìn)行監(jiān)測。測量的原理框圖如圖4-3所示變壓器上層汕溫測量的原理框圖4.2

17、3.2監(jiān)測結(jié)果正常運(yùn)行的變壓器，上層汕溫與負(fù)荷、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。4.2.33測量方式測量方式采用整點(diǎn)監(jiān)測方法。對變壓器套管和變壓器油中氫氣含量的監(jiān)測則 每天檢測一次，鐵心接地電流、汕溫及氣象條件每小吋檢測一次。5總結(jié)與展望變壓器在線監(jiān)測可以提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部可能存在的缺陷或性能劣化，安裝在 線監(jiān)測系統(tǒng)的必要性己漸漸成為電力行業(yè)的共識，電力變壓器的工作效率代表了 電力部門的財(cái)政收益，變壓器的在線監(jiān)測提高了運(yùn)行的可靠性，延緩了維護(hù)費(fèi)用 的投入，延長了檢修周期和變壓器壽命，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的。電 力設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)是今后的發(fā)展方向，具有廣闊的前景。因此，變壓器的在 線監(jiān)測具有十分廣闊

18、的發(fā)展前景。其發(fā)展方向主要有：(1) 由對單臺的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測向整個(gè)系統(tǒng)的在線監(jiān)測延伸，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè) 備的運(yùn)行情況，進(jìn)行最優(yōu)化的運(yùn)行計(jì)劃。(2) 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(3) 監(jiān)測系統(tǒng)和其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可操作性。參考文獻(xiàn)1】高興耀.21世紀(jì)初我國電力變壓器技術(shù)發(fā)展展望.變壓器，2000,37(1):4-82】黃文虎，夏松波.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)與應(yīng)用m.北京:科學(xué)出版社，20073】林正旺.變壓器潛伏性故障的檢測與分析.電力自動(dòng)化設(shè)備， 2000,20(3):60-624】史棟，龐靜.高效的絕緣監(jiān)測技術(shù)研究.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 23(1):100-1025】unsworth j, 1