電力變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

摘 要：文章主要闡述油浸式的電壓絕緣器中檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及今后的發(fā)展趨勢(shì)，而且對(duì)油中溶解氣體以及局部放電在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)以及原理進(jìn)行具體分析。提出一項(xiàng)電力變壓器絕緣故障診斷以及絕緣監(jiān)測(cè)的思路。以在線油色譜的分析儀為基礎(chǔ)，分別檢測(cè)六種故障產(chǎn)生氣體的含量以及產(chǎn)氣效率，從而更好的實(shí)現(xiàn)故障的局部定位。這樣可以有效提高變壓器故障診斷的正確性以及在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；局部放電；在線監(jiān)測(cè)；色譜分析；故障診斷

1 前言

在電力系統(tǒng)中，變壓器非常重要，也是非常昂貴的設(shè)備。其主要實(shí)現(xiàn)電能的分配、電壓的轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)移的作用。電力系統(tǒng)安全與否、供電性能是否可靠、運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)與變壓器有著直接的關(guān)系。所以，變壓器的正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)而言非常重要。但是因?yàn)樽儔浩鞒Ｌ幱诓煌Ｐぷ鞯臓顟B(tài)，所以無(wú)法避免故障的產(chǎn)生。導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)事故的原因很多，其中包括變壓器在安裝、維護(hù)、檢修時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格按照相關(guān)要求，導(dǎo)致變壓器存在一定的缺陷，存在嚴(yán)重的故障隱患；自然災(zāi)害也是導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障及事故的重要原因；因?yàn)樽儔浩鏖L(zhǎng)期處于運(yùn)行的狀態(tài)，所以其組成材質(zhì)逐漸劣化，為事故的發(fā)生埋下隱患，已經(jīng)成為導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)故障的主要原因。因?yàn)闊o(wú)法避免變壓器故障的出現(xiàn)，對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)測(cè)以及準(zhǔn)確的診斷非常重要，也具有較強(qiáng)的實(shí)用性。所以，在線監(jiān)測(cè)變壓器、及時(shí)了解變壓器的設(shè)備以及運(yùn)行狀態(tài)是電力工作人員追求的工作目標(biāo)。目前，按照油中氣體溶解的情況，采用氣相色譜分析的方法以及預(yù)防性試驗(yàn)的產(chǎn)生結(jié)果來(lái)判斷變壓器的運(yùn)行情況，有效的防止了變壓器出現(xiàn)事故的幾率。但是此類方法也有一定的缺陷，因例行試驗(yàn)需要定期執(zhí)行，沒(méi)有考慮到相關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，極有可能產(chǎn)生不必要停機(jī)以及維修過(guò)多的情況，發(fā)現(xiàn)缺陷的時(shí)間也不及時(shí)。如果在電壓運(yùn)行的狀態(tài)下，試驗(yàn)及校驗(yàn)高壓設(shè)備的各種情況，可以有效提高實(shí)驗(yàn)的靈敏性、及時(shí)性以及真實(shí)性，此為在線監(jiān)測(cè)特有的優(yōu)勢(shì)。油化驗(yàn)或者預(yù)防性實(shí)驗(yàn)與在線監(jiān)測(cè)相比，前者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，而后者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較多，因此，可以很好的統(tǒng)計(jì)各種數(shù)據(jù)，減少因數(shù)據(jù)較少而產(chǎn)生的誤差，提高判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障的準(zhǔn)確性。如果在預(yù)防性的試驗(yàn)中加入在線監(jiān)測(cè)，將會(huì)在眾多方面優(yōu)化預(yù)防性的不足之處。將兩者相互結(jié)合，有效減少變壓器故障發(fā)生的可能，促使電網(wǎng)的高效、可靠的運(yùn)行。所以，在線監(jiān)測(cè)的方法使用到變壓器的檢測(cè)中十分必要，可以有效的避免各項(xiàng)事故的產(chǎn)生。

變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示

目前國(guó)內(nèi)外使用或研究中的變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)方法有如下幾種：（1）變壓器局部放電的在線監(jiān)測(cè)；（2）變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)；（3）變壓器鐵芯多點(diǎn)接地的在線監(jiān)測(cè)；（4）變壓器過(guò)電壓的在線監(jiān)測(cè)；（5）變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測(cè)；（6）變壓器內(nèi)部溫度的在線監(jiān)測(cè)；（7）變壓器絕緣老化程度的在線監(jiān)測(cè)。

在線監(jiān)測(cè)油浸電力變壓器的方法主要有兩種，分別是在線監(jiān)測(cè)局部放電以及油中溶解的氣體。下面，本文將詳細(xì)介紹這兩種監(jiān)測(cè)方法。

2 局部放電的在線監(jiān)測(cè)

固體絕緣中，經(jīng)常出現(xiàn)兩種故障，分別是局部損傷與氣隙故障。這兩種缺陷產(chǎn)生的主要原因是在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，因自然環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力等方面的影響，絕緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、破壞、分解以及老化等問(wèn)題。除此之外，還有一些缺陷是在制造的過(guò)程中，存在未除凈的問(wèn)題。這一系列的缺陷都是導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)局部放電的因素。主要原因是當(dāng)某些部位存在缺陷，那么其電場(chǎng)分布比較集中，當(dāng)外部施加的電壓達(dá)到一定程度以后，而電場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到足夠的要求，大于該物質(zhì)的游離電場(chǎng)強(qiáng)度，那么游離放電就會(huì)在此處產(chǎn)生，這就是局部放電。

2.1 局部放電對(duì)變壓器絕緣的危害

在變壓器的運(yùn)行中，如果出現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象，那么將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。產(chǎn)生破壞作用的主要因素有四方面。分別是帶電微粒轟擊、熱力的作用、輻射線以及沖擊波的作用、局部放電伴隨化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生等。

如果變壓器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象，那么放電的位置將會(huì)出現(xiàn)高溫，很容易導(dǎo)致固體出現(xiàn)絕緣化的現(xiàn)象，影響著絕緣材料以及有機(jī)物的使用壽命，還可能導(dǎo)致絕緣油出現(xiàn)劣化的現(xiàn)象。放電處因化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生各種氣體，腐蝕著絕緣材料，破壞結(jié)緣結(jié)構(gòu)，造成絕緣材料受到損傷。因此，變壓器采用在線監(jiān)測(cè)局部放電的故障，可以將絕緣材料的發(fā)展趨勢(shì)以及絕緣情況清晰的反應(yīng)出來(lái)。

2.2 變壓器局部放電的測(cè)量方法

變壓器局部放電的測(cè)量主要是按照生產(chǎn)需要而開始執(zhí)行的。分析變壓器被擊穿的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，很多原因都與局部放電有關(guān)，所以變壓器在出廠之前，要對(duì)其局部放電進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量變壓器的局部電壓主要有電測(cè)法以及非電測(cè)法兩種類型。

非電測(cè)法是利用局部放電產(chǎn)生的各種非電信息來(lái)測(cè)定局部放電的方法，主要有：（1）超聲波法；（2）測(cè)光法；（3）測(cè)分解或生成物法。

電測(cè)法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的各種信息來(lái)測(cè)量的方法，主要有：（1）脈沖電流法；（2）無(wú)線電干擾法；（3）放電能量法。

由上述發(fā)現(xiàn)，變壓器在線監(jiān)測(cè)局部放電的方法有超聲波法與脈沖電流法兩種。超聲波法具有較強(qiáng)的抗電磁性，而靈敏度能力較弱，而且鐵芯電磁振動(dòng)以及機(jī)構(gòu)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。脈沖電流法具有較高的靈敏度，但是其在抗干擾的能力方面存在欠缺。

3 變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)

當(dāng)前，判斷變壓器等設(shè)備安全隱患的方法通常采用氣相色譜法。但是這種方法人工操作性較差，作業(yè)程序較為復(fù)雜，而且很難發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)間的缺陷。就測(cè)量局部放電而言，采用色譜分析的方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。所以，當(dāng)前全球?qū)W者對(duì)變壓器油中的診斷以及在線分析非常重視。

3.1 變壓器油在線監(jiān)測(cè)的原理

變壓器潛伏性的故障共有兩類，分別是電性故障與熱性故障。電性故障主要指的是局部放電以及電弧放電，熱性故障指的是局部短路、鐵芯與多點(diǎn)接觸而導(dǎo)致局部過(guò)熱。不論是何種故障方式，或者是絕緣介質(zhì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，都將會(huì)造成絕緣介質(zhì)出現(xiàn)劣解，并伴隨多種氣體產(chǎn)生。采用油氣相色譜分析法，可以準(zhǔn)確的定量檢測(cè)劣解出來(lái)的氣體，還可以反應(yīng)出變壓器絕緣介質(zhì)的老化情況以及故障。分析溶解氣體可以反應(yīng)出變壓器內(nèi)部所潛伏的障礙，而且故障的能量與油中溶解氣體有著直接的關(guān)系。

3.2 變壓器油在線監(jiān)測(cè)的氣體檢測(cè)方法

當(dāng)從油中分離出氣體后，有兩大類方法對(duì)分離出的氣體進(jìn)行定量檢測(cè)。

一類是利用色譜柱把不同的氣體進(jìn)行分離，然后用傳感器檢測(cè)，運(yùn)用此方法可檢測(cè)的氣體有CO、CH4、C2H4等氣體。一方面，此方法具有非常復(fù)雜的監(jiān)測(cè)原理，還要定期跟換檢測(cè)中的氣體分離柱，后期維護(hù)工作很繁雜。另一方面，氣體分離柱具有吸附氣體的性質(zhì)，這將會(huì)影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，在檢測(cè)時(shí)，對(duì)氣體傳感器的要求很高，尤其是檢測(cè)C2H2所用的傳感器。

另一類不需要利用色譜柱，僅需要對(duì)某種氣體敏感的傳感器進(jìn)行檢測(cè)（一般情況下為半導(dǎo)體的氣敏元件），然后根據(jù)氣體傳感器的使用情況對(duì)其進(jìn)行分析。運(yùn)用此方法可檢測(cè)的氣體有：H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6。雖然這類裝置對(duì)傳感器的要求較高，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而且后期的維護(hù)工作也較少（也需要對(duì)裝置進(jìn)行定期校正和調(diào)整）。

總而言之，全球都加大了對(duì)油浸電力設(shè)備采取氣體色譜分析診斷的設(shè)備以及自定檢測(cè)的方法的研究力度。某些研究產(chǎn)品已經(jīng)投入到實(shí)際使用中。研究此類問(wèn)題的關(guān)鍵是如果在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)中簡(jiǎn)便的脫出油中的氣體以及采取何種方法測(cè)量氣體的數(shù)量。

3.3 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的基本功能

當(dāng)前的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備都是建立在計(jì)算機(jī)與通訊的基礎(chǔ)上，需要得到計(jì)算機(jī)與通訊的科學(xué)技術(shù)。因此在線的檢測(cè)系統(tǒng)都擁有先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理功能、及時(shí)的報(bào)警功能及信息數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸功能。在變壓油體系中，氣體進(jìn)行溶解時(shí)，系統(tǒng)都可以顯示出被測(cè)氣體濃度的變化及進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。同時(shí)，氣體的密度達(dá)到一定界限時(shí)，能夠及時(shí)的給予預(yù)警提示，向相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)的傳送，還能與專家系統(tǒng)進(jìn)行合作斬?cái)嘞到y(tǒng)問(wèn)題。

3.4 變壓器中氣體的勘查設(shè)備

在整個(gè)體系中，變壓器是依據(jù)油循環(huán)進(jìn)行勘查。一般從油箱中進(jìn)行油樣品的選擇，然后實(shí)施脫氣處理，將油樣品重新傳遞到變壓器設(shè)備中。由此可以看出取油流程、回油準(zhǔn)確性的重要性。在系統(tǒng)運(yùn)行中，從變壓器的中間位置進(jìn)行油樣的提取，可以保障油樣品的質(zhì)量。圖2為常用變壓器取油閥和回油閥示意圖。

圖2 主變油色譜安裝位置示意圖

圖3、4為油閥的兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，油閥球閥和油閥蝶閥：

圖3 注油球閥尺寸 圖4 注油蝶閥

圖5為油中溶解氣體的安裝示意圖：

圖3-4 油色譜安裝示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，檢測(cè)變壓器運(yùn)行狀況的兩種主要方法是在線監(jiān)測(cè)局部放電及在線分析油內(nèi)溶解的氣體兩種方法。對(duì)于分析油中氣體而言，部分學(xué)者認(rèn)為只需要對(duì)2進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)異常，接著采取色譜分析。也有部分學(xué)者認(rèn)為連續(xù)檢測(cè)油中的各種氣體。以上兩種方法支出的成本以及產(chǎn)生的效益只有通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析才能得出最終的結(jié)論。目前，在線分析儀在監(jiān)測(cè)多種氣體成分方面有很大的進(jìn)步。主要追求的目標(biāo)是在運(yùn)行中以最簡(jiǎn)便的方式將氣體從油中脫出，采取最精確的方法檢測(cè)其中氣體的含量。

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作者簡(jiǎn)介：趙悅冰（1985，12-），男，河南周口人，工程師，碩士，從事供電系統(tǒng)一次設(shè)備的檢修與試驗(yàn)工作。