變壓器故障在線監(jiān)測(cè)的一種方法

林偉哲 周偉波

摘 ?要： 變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是以油中溶解氣體為監(jiān)測(cè)對(duì)象，應(yīng)用該技術(shù)可及時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)和跟蹤存在的潛伏性故障。配合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行診斷，可以避免部分災(zāi)難性事故，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修、降低維護(hù)成本、提高自動(dòng)化程度，提高變電站運(yùn)行管理水平。使用開源軟件開發(fā)了在線監(jiān)測(cè)軟件，該軟件具有模塊化及安全、靈活的數(shù)據(jù)庫(kù)操作和跨平臺(tái)特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 變壓器; 故障; 在線; 監(jiān)測(cè); 傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2015）01-35-03

A method of online monitoring of transformer fault

Lin Weizhe 1， Zhou Weibo2

（1. National 12th Hydro-Power Engineering Bureau， Electricity Install Branch， Lishui， Zhejiang 323000， China; 2. Lishui Tiandi Environment Company）

Abstract： The monitoring technology of gas in oil in the transformer takes the dissolved gases in oil as the monitoring object. The operating condition of the transformer can be monitored timely to discover and track the presence of latent failures. Some catastrophic accident can be prevented with the computer system fault diagnosis， realizing condition-based maintenance， reducing maintenance costs and increasing the degree of automation and improving operational management of the substation. Online monitoring softwareis developed using the open source software， which is modular， has secure， flexible database operations and cross-platform features.The experiment showed that it can satisfy the design goal.

Key words： transformer; fault; online; monitoring; sensor

0 引言

電力系統(tǒng)中最為重要的裝置是變壓器，變壓器在轉(zhuǎn)換電壓等級(jí)方面發(fā)揮了重要作用。變壓器中固體和液體絕緣材料被廣泛使用，以絕緣紙形式為特點(diǎn)的固體絕緣用來(lái)包裹變壓器的線圈。在以高電場(chǎng)為特征的電力變壓器操作過(guò)程中，電弧可能會(huì)降低變壓器油以及固體絕緣材料的絕緣性，并可能提高變壓器油中溶解的氣體量。變壓器油中溶解氣體的分析成為檢測(cè)變壓器狀態(tài)的一個(gè)重要方法[1]。本文探討實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下對(duì)變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測(cè)，因?yàn)楣饫w是高絕緣的，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)能避免電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)光纖技術(shù)，用光纖傳感器監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解的氣體，達(dá)到監(jiān)測(cè)變壓器狀態(tài)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用油氣分離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫氣，油中脫出的氣體在相關(guān)控制電路作用下自動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)入特制色譜柱進(jìn)行分離，對(duì)于分離出的氣體使用特定監(jiān)測(cè)器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。監(jiān)測(cè)單元配有通信協(xié)議供二次開發(fā)[3]。監(jiān)測(cè)單元的主機(jī)都可以采用RS-485總線、ModBus通信協(xié)議，使用LabVIEW進(jìn)行編程，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)智能化控制。通過(guò)Transfix在線油中溶解氣體分析儀利用動(dòng)態(tài)頂空平衡法脫氣，使用光聲光譜法技術(shù)作氣樣監(jiān)測(cè)，在變壓器內(nèi)部自動(dòng)采樣，得到油中氣體及溶解水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息[4]。

1.1 Transfix技術(shù)的應(yīng)用

英國(guó)Kelman公司的Transfix在線油中溶解氣體分析儀利用動(dòng)態(tài)頂空平衡法脫氣，使用光聲光譜法（Photoacoustic Spectroscopy， PAS）技術(shù)作氣樣監(jiān)測(cè)，克服了環(huán)境變化、儀器恒溫、信號(hào)干擾、機(jī)械振動(dòng)等各種難題，成功地實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)變壓器油中的八種故障氣體及微水。可以直接安裝在變壓器現(xiàn)場(chǎng)，連續(xù)自動(dòng)采樣，自動(dòng)監(jiān)測(cè)油中氣體及微水。該分析儀可以通過(guò)有線或無(wú)線的方式與主控電腦通信，獲取油中氣體及溶解水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息[5]。

1.2 ModBus技術(shù)的應(yīng)用

ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，控制器之間以及控制器經(jīng)局域網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備通過(guò)此協(xié)議通信[6]。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，它描述了控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過(guò)程和如何回應(yīng)來(lái)自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。在ModBus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)?；貞?yīng)時(shí)控制器生成反饋信息并用ModBus協(xié)議發(fā)出。通信使用主從技術(shù)，主設(shè)備初始化傳輸（查詢），從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備提供的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)。包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、要返回的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量[7]。錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法[8]。從設(shè)備正常的回應(yīng)是查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

1.3 LabVIEW技術(shù)的應(yīng)用

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，按照儀器的需求組織數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了虛擬儀器及函數(shù)的執(zhí)行順序[9]。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。對(duì)應(yīng)的控件與DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）的內(nèi)容完全相同，用戶界面使用圖標(biāo)和連線，通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。

2 硬件安裝和故障分析

2.1 硬件安裝

把半導(dǎo)晶體光纖傳感器預(yù)埋在變壓器內(nèi)部需要監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)位置，通過(guò)法蘭盤引到變壓器外部。在線圈中安裝傳感器需要解決安裝時(shí)機(jī)、探頭安裝位置、如何固定、線圈中如何布線等問題。變壓器有低壓、中壓、高壓、調(diào)壓四個(gè)線圈，傳感器要安裝在高壓和中壓線圈上，所以傳感器要在線圈套裝時(shí)安裝。光纖半導(dǎo)體探頭位于光纖線纜末端，為監(jiān)測(cè)線圈溫度，探頭應(yīng)安全地與線圈熱點(diǎn)相鄰，線圈電流突變時(shí)不至于被擠壓。綜合變壓器熱點(diǎn)位置分析和安裝工藝性得出中壓繞組的安裝位置為高壓側(cè)第一十八和第一十九餅之間，高壓繞組的安裝位置為高壓側(cè)第一十四和第一十五餅之間的絕緣墊片上。將絕緣墊塊做成帶有豁口的成型墊塊，把傳感器探頭和丹尼松紙用絕緣電工膠固定在一起，然后再把它們用膠粘在成型墊塊的開口處。當(dāng)光纖引出到線圈表面后，用丹尼松紙帶把光纖固定在線餅表面，留有一定的松弛裕度。穿過(guò)線圈壓板為其預(yù)留的圓孔后，順著壓板表面引到油箱上的法蘭盤，通過(guò)法蘭盤與外部光纖連接。

色譜分析單元硬件安裝：變壓器油中氣體分析單元利用動(dòng)態(tài)頂空平衡法進(jìn)行油樣的脫氣，然后采用光聲光譜技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)特征氣體和微水的含量。色譜分析單元是一種外部安裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備，制造變壓器時(shí)需在箱體上預(yù)留兩個(gè)閥門，在現(xiàn)場(chǎng)安裝變壓器時(shí)再安裝油中氣體分析單元。

2.2 特征氣體故障分析

⑴ 三比值

本系統(tǒng)采用三比值法判斷充油電氣設(shè)備故障類型，當(dāng)根據(jù)各種氣體含量的閾值或氣體增長(zhǎng)率的閾值有理由判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，對(duì)氣體比值計(jì)算。如果氣體比值發(fā)生變化，有可能新故障與老故障或正常老化重疊。為了得到僅僅相應(yīng)于新故障的氣體比值，要從上一次的分析結(jié)果中減去上一次的分析數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算比值。一定要在相同的負(fù)荷和溫度等情況下在相同的位置取樣。由于溶解氣體本身存在的實(shí)驗(yàn)誤差，導(dǎo)致氣體比值也存在某些不確定性。對(duì)氣體濃度大于10μL/L的氣體，兩次的測(cè)試誤差不應(yīng)大于平均值的10%，而在計(jì)算氣體比值時(shí)，誤差提高到20%。當(dāng)氣體濃度低于10μL/L時(shí)，誤差會(huì)更大，使比值的精確度迅速降低。因此在使用比值法判斷設(shè)備故障性質(zhì)時(shí)，應(yīng)注意各種可能降低精度的因素。

⑵ 區(qū)分一氧化碳和二氧化碳

當(dāng)故障涉及到固體絕緣時(shí)，會(huì)引起一氧化碳和二氧化碳含量明顯增長(zhǎng)。固體絕緣的正常老化過(guò)程與故障情況下的劣化分解，表現(xiàn)在油中一氧化碳和二氧化碳的含量上，沒有嚴(yán)格的界限。這主要是由于從空氣中吸收的二氧化碳固體絕緣老化及油的長(zhǎng)期氧化形成一氧化碳和二氧化碳的基值過(guò)高造成的。開放式變壓器溶解空氣的飽和量為10%，設(shè)備里可以含有來(lái)自空氣中的300μL/L的二氧化碳在密封設(shè)備里，空氣也可能經(jīng)泄漏而進(jìn)入設(shè)備油中，油中的二氧化碳濃度將以空氣的比率存在。設(shè)備固體絕緣材料老化時(shí)，二氧化碳除以一氧化碳的比率，該比率大于7。當(dāng)懷疑故障涉及到固體絕緣材料時(shí)，該比率小于3，還應(yīng)該從最后一次的測(cè)試結(jié)果中減去上一次的測(cè)試數(shù)據(jù)，重新計(jì)算比值，以確定故障是否涉及到了固體絕緣。當(dāng)懷疑紙或紙板過(guò)度老化時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)販y(cè)試油中糠醛含量，并同時(shí)測(cè)試紙樣的聚合度。

⑶ 氣體增長(zhǎng)率

由于故障的不確定性，數(shù)據(jù)分析結(jié)果不應(yīng)該作為對(duì)故障做出正確判斷的惟一依據(jù)。故障常常有個(gè)過(guò)程，如以低能量的潛伏性故障開始，若不及時(shí)采取相應(yīng)的措施，可能會(huì)發(fā)展成較嚴(yán)重的高能量故障。必須考慮故障的發(fā)展趨勢(shì)，即故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率。產(chǎn)氣速率與故障消耗能量大小、故障部位、故障點(diǎn)的溫度等情況有直接關(guān)系。

3 軟件開發(fā)

3.1 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)

MySQL是一個(gè)小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用在中小型數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于MySQL體積小、速度快、成本低，許多中小型網(wǎng)站為了降低網(wǎng)站總體擁有成本而選擇了其作為數(shù)據(jù)庫(kù)。MySQL既能夠作為一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序應(yīng)用在客戶端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，也能夠作為一個(gè)庫(kù)而嵌入到其他的軟件中提供多語(yǔ)言支持，常見的編碼如中文簡(jiǎn)體的GB2312、繁體的BIG5、日文的Shift_JIS等都可以用作數(shù)據(jù)表名和數(shù)據(jù)列名。MySQL管理可以使用命令行工具管理MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以從MySQL的網(wǎng)站下載圖形管理工具M(jìn)ySQL Administrator。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立代表用戶注冊(cè)、權(quán)限、溫度、比值、氣體、故障六個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表。

通過(guò)ModBus通信協(xié)議接收的數(shù)據(jù)解除捆綁后數(shù)據(jù)換成一維數(shù)組，每個(gè)數(shù)據(jù)的高低位分別是一維數(shù)組中一個(gè)元素。然后把這個(gè)數(shù)據(jù)的高低位交織成一維數(shù)組，再把它轉(zhuǎn)換為簇，這樣就可以把數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為單精度32位實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)。曲線描繪溫度監(jiān)測(cè)單元為每個(gè)傳感器繪制一條曲線。波形圖表所接收的數(shù)據(jù)類型和結(jié)果圖表之間的處理，接收的數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)，所以不能直接連接到圖表，只能把每個(gè)通道的數(shù)據(jù)看成一個(gè)信號(hào)，然后把每個(gè)信號(hào)合并再連接到圖表，這樣在圖表中就可以將每個(gè)通道以曲線的形式顯示。

3.2 程序的設(shè)計(jì)

PHP是一種服務(wù)器端、跨平臺(tái)、被廣泛應(yīng)用的開源式多用途語(yǔ)言，它是瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，屬于三層結(jié)構(gòu)。服務(wù)器啟動(dòng)后，用戶可以不使用相應(yīng)的客戶端軟件，只使用瀏覽器即可訪問，既保持了圖形化的用戶界面，又大大減少了應(yīng)用維護(hù)量。

PHP是開源軟件，每個(gè)人都可以看到所有PHP的源代碼，程序代碼與Apache編譯在一起的方式也可以讓它具有靈活的安全設(shè)定。PHP具有公認(rèn)的安全性能。在流行的企業(yè)應(yīng)用LAMP平臺(tái)中，Linux、Apache、MySQL、PHP都是免費(fèi)軟件，這種開源免費(fèi)的框架結(jié)構(gòu)可以為經(jīng)營(yíng)者節(jié)省很大一筆開支。PHP實(shí)現(xiàn)程序邏輯與用戶界面分離。支持面向?qū)ο蠛瓦^(guò)程的兩種開發(fā)風(fēng)格.。

⑴ 用戶界面和I/O功能

用戶分為系統(tǒng)管理員和普通用戶，用戶使用本系統(tǒng)需要登錄和密碼驗(yàn)證，系統(tǒng)提供歷史、當(dāng)前數(shù)據(jù)查詢的數(shù)據(jù)庫(kù)組合查詢，并構(gòu)造各指標(biāo)值走勢(shì)圖。數(shù)據(jù)可以選擇文本格式*.txt或Excel格式*.xls保存，可選擇屏幕顯示或輸出到打印機(jī)。

⑵ 使用EXPLAIN使SELECT查詢更加清晰

使用EXPLAIN關(guān)鍵字可以了解MySQL正在進(jìn)行什么樣的查詢操作，這可以發(fā)現(xiàn)瓶頸的所在，并顯示出查詢或表結(jié)構(gòu)在哪里出了問題。EXPLAIN查詢的結(jié)果，告訴哪些索引正在被引用，表是如何被掃描和排序的等等。實(shí)現(xiàn)一個(gè)SELECT查詢，在里面添加上關(guān)鍵詞解釋，在這里使用phpMyAdmin，會(huì)給出表中的結(jié)果。

⑶ 優(yōu)化MySQL查詢緩存

在MySQL服務(wù)器上進(jìn)行查詢，可以啟用高速查詢緩存。讓數(shù)據(jù)庫(kù)引擎在后臺(tái)悄悄地處理是提高性能的最有效方法之一。當(dāng)同一個(gè)查詢被執(zhí)行多次時(shí)，如果結(jié)果是從緩存中提取，速度將會(huì)相當(dāng)快。

⑷ 始終指定需要的列

完全避免SELECT *命令。從表中讀取越多的數(shù)據(jù)，查詢就會(huì)變得越慢，增加了磁盤需要操作的時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與Web服務(wù)器連用情況下，將會(huì)經(jīng)歷非常漫長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲，僅僅是因?yàn)閿?shù)據(jù)不必要地在服務(wù)器之間傳輸。

⑸ 保證連接的索引相同類型

在應(yīng)用程序中包含多個(gè)連接查詢，要確保鏈接的列在兩邊的表上都被索引。這將影響MySQL如何優(yōu)化內(nèi)部聯(lián)接操作，加入的列必須是同一類型。例如，當(dāng)在一個(gè)表中加入一個(gè)需要鏈接的Decimal列，而同時(shí)加入另一個(gè)表中的卻為int列，MySQL將無(wú)法使用其中至少一個(gè)指標(biāo)。

3.3 實(shí)驗(yàn)效果

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水利水電第十二工程局某變電站的變壓器上實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，我們將實(shí)驗(yàn)室分析與本系統(tǒng)在線溶解氣體測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比分析，除去實(shí)驗(yàn)室人為取樣造成測(cè)試值誤差外，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試值基本上相同，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一定程度上可為變壓器安全提供支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的變壓器故障監(jiān)測(cè)裝置具有安裝簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)靈敏、24小時(shí)在線、與變壓器無(wú)直接電氣連接以及安全可靠等特點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)裝置把采集的數(shù)據(jù)送到中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器端可以通過(guò)運(yùn)行專家系統(tǒng)軟件對(duì)所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，報(bào)告變壓器工作狀態(tài)、故障提示并決定維修、更換設(shè)備的最佳時(shí)間。該系統(tǒng)在變壓器上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試值基本上相同，可為變壓器提供一定程度上的安全支持。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分布式的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)較低成本的一對(duì)多監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.電力設(shè)備預(yù)防性規(guī)程（DL/T

596-2005）[S]，2005.

[2] 劉恒.電廠變壓器常見故障診斷及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)

品，2010.15：159

[3] 俞燮根.《電力設(shè)備預(yù)防性實(shí)驗(yàn)規(guī)程》修訂的內(nèi)容介紹[J].華東電力，

1995.23（11）：9-11

[4] 唐新文，李憲棟.TransFix變壓器油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在小浪底水電廠的

應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007.6：36

[5] 黃新波，程榮貴.變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].中國(guó)電力出版社，

2008.

[6] 王曼曼，祝龍記，胡旭東.基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與礦用傳感器

的通信[J].煤礦機(jī)械，2012.33（7）：224-226

[7] 劉國(guó)利.基于MODBUS的DCS與PLC吹灰程控的通訊實(shí)現(xiàn)[J].熱點(diǎn)

技術(shù)，2011.1：31-34

[8] 陳愛國(guó).變壓器常見故障及其在線檢測(cè)技術(shù)[J].鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào)，

2009.2：37-39

[9] 鄧焱，王磊.LabVIEW 7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，

2005.