變壓器故障在線監(jiān)測研究

樸金子　王惠寧　鄭煒亮　金玉

摘要：在電力系統(tǒng)中，變壓器是重要的設(shè)備之一，對電網(wǎng)的安全有直接的影響。對變壓器進(jìn)行故障分析和在線監(jiān)測，是監(jiān)測變壓器狀態(tài)的主要手段。根據(jù)在線監(jiān)測到的變壓器狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)、信號，對故障的位置及發(fā)展趨勢進(jìn)行判斷，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大化，能夠有效地提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。介紹變壓器常見的故障類型，變壓器在線檢測的優(yōu)勢、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容及檢測方法，以期供有關(guān)研究參考。

關(guān)鍵詞：變壓器；故障診斷；分析；在線監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0043-03

變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其正常運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)作的安全性、可靠性、優(yōu)質(zhì)性及經(jīng)濟(jì)性。然而，在變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中，各種類型的故障和異常狀況經(jīng)常發(fā)生。這些故障和異常會(huì)給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。

1 常見變壓器的故障

1.1 常見的故障種類

按照故障發(fā)生的部位，變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。

1） 變壓器的內(nèi)部故障主要有以下6種：①繞阻故障，包括斷線、變形以及絕緣的擊穿；②鐵芯故障，包括接地、鐵芯疊片之間的絕緣被破壞、絕緣被擊穿；③內(nèi)部的裝配金具故障，包括部件的脫落及焊接不良等；④電壓分接開關(guān)故障，包括電弧及開關(guān)接觸不良等；⑤引線接地故障，包括斷裂、引接線的對地故障等；⑥絕緣油老化。

2） 變壓器的外部故障主要有以下3種：①油箱故障，包括密封線圈不好及焊接質(zhì)量欠佳等；②附件故障，包括各種繼電器的故障及絕緣套管等；③其他外部故障，如控制設(shè)備的故障等。

1.2 診斷方法

1） 油浸變壓器外觀檢查。該方法包括：①漏油致使油面低落，甚至于看不見油面；②郵箱顯著變形，一相沒有電壓或低壓側(cè)相電壓不平衡超過20 V以上；③防爆管噴油等；

2） 機(jī)械類的檢測裝置。①瓦斯氣體繼電器：第一對觸點(diǎn)用于故障報(bào)警，第二對觸點(diǎn)用于判斷故障的嚴(yán)重程度；②防爆裝置：內(nèi)部的壓力增高且達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其內(nèi)部壓力就會(huì)向外部釋放。

3） 電氣類檢測裝置。該裝置包括差動(dòng)繼電器和過電流繼電器2種。

4） 使用儀器儀表進(jìn)行故障檢測。

5） 根據(jù)變壓器中的氣體進(jìn)行識(shí)別。這些特征氣體的類型有氫氣、氮?dú)?、一氧化碳、乙烯及甲烷等?/p>

2 變電器在線監(jiān)測技術(shù)

2.1 在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢

電力系統(tǒng)關(guān)系到國計(jì)民生，一旦出現(xiàn)問題，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然會(huì)受到影響。在電力系統(tǒng)中，變壓器作為重要的設(shè)備之一，發(fā)揮著重要的作用。變壓器如果發(fā)生故障，對電網(wǎng)安全運(yùn)行具有嚴(yán)重影響。很長時(shí)間以來，對變壓器的絕緣檢測以定期預(yù)防性試驗(yàn)為主，預(yù)防性維修在變壓器安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。但其在檢修過程中需要停電，會(huì)對供電的可靠性產(chǎn)生影響；定期檢修過程中設(shè)備的更換，增加了檢修的成本；試驗(yàn)性的檢修條件和實(shí)際運(yùn)行條件存在很大不同，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與及時(shí)性也存在很大的缺陷；通常情況下，預(yù)防性檢修電壓比設(shè)備的額定電壓低，對部分缺陷反應(yīng)不靈敏。由此可見，常規(guī)檢測方法已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)收集變壓器信息的不足，對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，對故障隱患可及早發(fā)現(xiàn)，保證了供電的可靠性和持續(xù)性。

2.2 在線監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的核心是微處理器，通過程序軟件將數(shù)據(jù)收集硬件、傳感器、分析功能裝置及通信系統(tǒng)結(jié)合在一起，對常規(guī)檢測方法是一種彌補(bǔ)。通過對早期故障的先兆信息進(jìn)行及時(shí)捕捉，降低故障的發(fā)生率。變壓器故障在線監(jiān)測可分為分布式和集中式2種：分布式采用專門的測試設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場測量；集中式對被測設(shè)備進(jìn)行定期的自動(dòng)監(jiān)測。目前變壓器在線監(jiān)測技術(shù)還處于發(fā)展階段，其發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)高壓設(shè)備的數(shù)字化，進(jìn)而進(jìn)入低壓設(shè)備的數(shù)字化形式，使其能夠統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的采集和處理，即數(shù)字一體化。

2.3 變壓器在線監(jiān)測的內(nèi)容

通常情況下，變壓器故障主要是內(nèi)部絕緣老化引起的，所以按照變壓器的各種電氣和機(jī)械特點(diǎn)，通過局部放電、振動(dòng)分析、油中氣體分析、恢復(fù)電壓、極化波譜等方法，對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。盡管變壓器在線監(jiān)測的目標(biāo)與內(nèi)容不相同，但是其原理是一致的。通過在變壓器上安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、信號進(jìn)行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，及時(shí)作出應(yīng)對。變壓器在線監(jiān)測主要是根據(jù)參數(shù)隨著時(shí)間的變化趨勢進(jìn)行判斷，然后進(jìn)行預(yù)測，其步驟通常包含：數(shù)據(jù)收集及存儲(chǔ)→狀態(tài)分析→故障分類→專家系統(tǒng)分析→判斷故障位置→提出解決方案。

2.4 變壓器在線監(jiān)測方法

1） 脈沖電流法。該方法是國際上目前唯一標(biāo)準(zhǔn)的局部放電測量方法，頻率極限1 MHz，按照橢圓示波圖對放電的特性進(jìn)行分析，包含電量大小、放電相位等。在放電高壓回路中，對局部放電信號進(jìn)行檢測，測量到基本量，能夠顯示出局部放電脈沖的相位、大小及個(gè)數(shù)，測試的靈敏度非常高。但是該方法對頻帶窄、頻率低、信息量少、抗干擾能力差的變壓器進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，具有一定的局限性。因此，這種方法在高壓、超高壓的強(qiáng)電磁環(huán)境下效果不是很好。由于變電站屬于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，現(xiàn)場存在多種開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的電暈放電、局部放電等，對在線監(jiān)測產(chǎn)生較大干擾。如果這些干擾信號進(jìn)入測量系統(tǒng)，就會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致測量無效，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該加強(qiáng)非電測法的使用。

2） 聲測法。變壓器在強(qiáng)電場下發(fā)生局部放電的同時(shí)，必然有一系列的現(xiàn)象。對超聲波的監(jiān)測一般采用超聲傳感器，靈敏的傳感器技術(shù)能夠有效的定位局部放電的部位，并能判斷放電的強(qiáng)弱。此種方法受其他因素影響較小，定位的準(zhǔn)確性很高，該方法的研究也很深入。不過相對而言，變壓器本身的元件構(gòu)成復(fù)雜，絕緣材質(zhì)多樣化，聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不一樣，嚴(yán)重影響了超聲傳感器的準(zhǔn)確度。此外，變壓器內(nèi)部強(qiáng)電磁場也在一定程度上對傳感器造成干擾，消弱了其靈敏度，使監(jiān)測難度上大大增加。不過，隨著聲電元件技術(shù)的發(fā)展，該種方法日趨完善，對于局部放電的監(jiān)測還是一種有效的手段。

3） 光測法。在出現(xiàn)局部放電的時(shí)候，會(huì)存在發(fā)光現(xiàn)象，通過對光波的監(jiān)測、分析研究從而定位局部放電的位置和強(qiáng)弱是有效手段之一。理論上，局放產(chǎn)生的光波波長是不同的，并且在一定范圍之內(nèi)。研究證實(shí)，波長一般在500～700 mm之間。把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號加以識(shí)別便可以挖掘局部放電的發(fā)生特性。不過，光測量法需要的裝置復(fù)雜成本高，況且靈敏度方面還不夠好，在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用還很少。

4） 化學(xué)監(jiān)測法。根據(jù)變壓器在放電過程中產(chǎn)生的不同生成物，如通過各種油中溶氣、絕緣損壞情況及設(shè)備發(fā)熱情況的監(jiān)測，對變壓器的故障類型與特點(diǎn)進(jìn)行判斷。

5） 超高頻監(jiān)測法。該方法是目前國內(nèi)運(yùn)行狀況相對比較好的變壓器在線監(jiān)測方法。近些年，在局部放電監(jiān)測中，超高頻監(jiān)測方法取得了成功應(yīng)用，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。在超高頻監(jiān)測法的應(yīng)用中，對局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波信號能夠有效地進(jìn)行監(jiān)測，且不受干擾信號的影響，其工作原理如圖1所示。

3 結(jié)語

在電力系統(tǒng)中，變壓器是重要的設(shè)備之一。變壓器狀態(tài)是否良好，對電網(wǎng)安全有直接的影響。無論在日常預(yù)防性試驗(yàn)中還是故障后的檢查試驗(yàn)中，都要綜合各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大化，從而有效地提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉恒，劉光輝，張璇.電廠變壓器常見故障診斷及在線監(jiān)測技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（15）：159.

[2] 吳慶全，馬德瑞，何新文.電廠變壓器常見故障診斷及在線監(jiān)測技術(shù)[J].華東科技，2012（6）：29.

[3] 金宏義，張琳，林風(fēng)云.關(guān)于變壓器故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的分析[J].中小企業(yè)管理與科技，2011（3）：282.

[4] 何建寧，楊吉仁.變壓器在線監(jiān)測及其分析[J].西北電力技術(shù)，2011（3）：80-81.

[5] 陳灝，林華.220 kV變壓器故障的查找和分析[J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013（2）：32-33.

[6] 路光輝，姬波，李赫.變壓器故障診斷的可視化模型[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013（5）：1 841-1 845.

Abstract： In the power system， transformer is one of the important equipments. Transformer condition hasa direct influence on the safety of the grid. Fault analysis and online monitoring of the transformer is the main means for monitoring transformer conditions. According to the online monitoring of transformer and related parameters， signal analysis， we can identify fault locations and the development trend of the problem， take timely measures for treatment， prevent the further expansion of the fault， and effectively improve the security of grid operation. This paper describes the common fault types of transformer， the advantages， research status， research content and methods of transformer online detection in order to provide reference for relevant personnel.

Key words： transformer； fault diagnosis； analysis； online monitoring technology

3） 光測法。在出現(xiàn)局部放電的時(shí)候，會(huì)存在發(fā)光現(xiàn)象，通過對光波的監(jiān)測、分析研究從而定位局部放電的位置和強(qiáng)弱是有效手段之一。理論上，局放產(chǎn)生的光波波長是不同的，并且在一定范圍之內(nèi)。研究證實(shí)，波長一般在500～700 mm之間。把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號加以識(shí)別便可以挖掘局部放電的發(fā)生特性。不過，光測量法需要的裝置復(fù)雜成本高，況且靈敏度方面還不夠好，在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用還很少。

4） 化學(xué)監(jiān)測法。根據(jù)變壓器在放電過程中產(chǎn)生的不同生成物，如通過各種油中溶氣、絕緣損壞情況及設(shè)備發(fā)熱情況的監(jiān)測，對變壓器的故障類型與特點(diǎn)進(jìn)行判斷。

5） 超高頻監(jiān)測法。該方法是目前國內(nèi)運(yùn)行狀況相對比較好的變壓器在線監(jiān)測方法。近些年，在局部放電監(jiān)測中，超高頻監(jiān)測方法取得了成功應(yīng)用，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。在超高頻監(jiān)測法的應(yīng)用中，對局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波信號能夠有效地進(jìn)行監(jiān)測，且不受干擾信號的影響，其工作原理如圖1所示。

3 結(jié)語

在電力系統(tǒng)中，變壓器是重要的設(shè)備之一。變壓器狀態(tài)是否良好，對電網(wǎng)安全有直接的影響。無論在日常預(yù)防性試驗(yàn)中還是故障后的檢查試驗(yàn)中，都要綜合各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大化，從而有效地提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

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Abstract： In the power system， transformer is one of the important equipments. Transformer condition hasa direct influence on the safety of the grid. Fault analysis and online monitoring of the transformer is the main means for monitoring transformer conditions. According to the online monitoring of transformer and related parameters， signal analysis， we can identify fault locations and the development trend of the problem， take timely measures for treatment， prevent the further expansion of the fault， and effectively improve the security of grid operation. This paper describes the common fault types of transformer， the advantages， research status， research content and methods of transformer online detection in order to provide reference for relevant personnel.

Key words： transformer； fault diagnosis； analysis； online monitoring technology

3） 光測法。在出現(xiàn)局部放電的時(shí)候，會(huì)存在發(fā)光現(xiàn)象，通過對光波的監(jiān)測、分析研究從而定位局部放電的位置和強(qiáng)弱是有效手段之一。理論上，局放產(chǎn)生的光波波長是不同的，并且在一定范圍之內(nèi)。研究證實(shí)，波長一般在500～700 mm之間。把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號加以識(shí)別便可以挖掘局部放電的發(fā)生特性。不過，光測量法需要的裝置復(fù)雜成本高，況且靈敏度方面還不夠好，在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用還很少。

4） 化學(xué)監(jiān)測法。根據(jù)變壓器在放電過程中產(chǎn)生的不同生成物，如通過各種油中溶氣、絕緣損壞情況及設(shè)備發(fā)熱情況的監(jiān)測，對變壓器的故障類型與特點(diǎn)進(jìn)行判斷。

5） 超高頻監(jiān)測法。該方法是目前國內(nèi)運(yùn)行狀況相對比較好的變壓器在線監(jiān)測方法。近些年，在局部放電監(jiān)測中，超高頻監(jiān)測方法取得了成功應(yīng)用，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。在超高頻監(jiān)測法的應(yīng)用中，對局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波信號能夠有效地進(jìn)行監(jiān)測，且不受干擾信號的影響，其工作原理如圖1所示。

3 結(jié)語

在電力系統(tǒng)中，變壓器是重要的設(shè)備之一。變壓器狀態(tài)是否良好，對電網(wǎng)安全有直接的影響。無論在日常預(yù)防性試驗(yàn)中還是故障后的檢查試驗(yàn)中，都要綜合各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大化，從而有效地提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

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Abstract： In the power system， transformer is one of the important equipments. Transformer condition hasa direct influence on the safety of the grid. Fault analysis and online monitoring of the transformer is the main means for monitoring transformer conditions. According to the online monitoring of transformer and related parameters， signal analysis， we can identify fault locations and the development trend of the problem， take timely measures for treatment， prevent the further expansion of the fault， and effectively improve the security of grid operation. This paper describes the common fault types of transformer， the advantages， research status， research content and methods of transformer online detection in order to provide reference for relevant personnel.

Key words： transformer； fault diagnosis； analysis； online monitoring technology