電力變壓器故障在線監(jiān)測方法研究

楊斌 戴舒

摘要：電力變壓器是電力網(wǎng)中的重要元件之一。隨著我國智能電網(wǎng)的發(fā)展，對電力變壓器可靠性的要求越來越高。分析變壓器故障類型，歸納、總結(jié)變壓器故障在線監(jiān)測的方法，以期為實(shí)現(xiàn)變壓器故障智能檢測、保證變壓器安全可靠運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：變壓器；故障；在線監(jiān)測；方法

中圖分類號：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）06-0043-02

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電網(wǎng)行業(yè)的大力發(fā)展，電網(wǎng)在能夠輸送電能的基礎(chǔ)上，更要求節(jié)約化、智能化。變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其工作可靠性和智能化的高低，對整個系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要的影響。

1 電力變壓器故障類型

電力變壓器故障種類繁多，其劃分方式也較多。常見的變壓器故障類型如表1所示。

以遼寧省電力有限公司為例，在1999—2009年間共發(fā)生變壓器事故24次，這些事故主要為220 kV及以上的電壓等級。套管和調(diào)壓開關(guān)是變壓器最容易發(fā)生故障的部位，因?yàn)檫@兩個部位裸露在外，容易受外界應(yīng)力的作用而發(fā)生機(jī)械故障；變壓器油問題也是變壓器異常的主要原因，并且污染嚴(yán)重；鐵芯接地和繞組線圈的絕緣損傷也有發(fā)生。變壓器的故障復(fù)雜多樣，做好全面預(yù)防和診斷需要完善的檢測系統(tǒng)和體系。

2 智能變壓器在線監(jiān)測方法

2.1 變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測方法

油浸電力變壓器中主要絕緣材料是變壓器油和絕緣油紙，這兩種材料在放電和熱作用下，會分解產(chǎn)生多種氣體，而變壓器內(nèi)部故障都伴隨著局部過熱和局部放電現(xiàn)象，使油、紙或油和紙分解產(chǎn)生甲烷、乙烷、乙炔等氣體。當(dāng)故障不太嚴(yán)重且產(chǎn)氣量較少時，所產(chǎn)生的氣體大部分溶解于絕緣油中。由于發(fā)熱和放電的嚴(yán)重程度不同，所產(chǎn)生的氣體種類、油中溶解氣體的濃度、各種氣體的比例關(guān)系也不相同，因此，對油中溶解的氣體進(jìn)行氣相色譜分析便可發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的發(fā)熱和放電性故障。由于油中溶解氣體分析法可以在帶電情況下進(jìn)行，通常采用特征氣體法、IEC三比值法和大衛(wèi)三角法進(jìn)行故障診斷。

2.2 局部放電的監(jiān)測方法

局部放電是變壓器常見的影響絕緣故障之一。有效的局部放電監(jiān)測方法主要有以下幾種：

1） 超聲檢測法。變壓器在強(qiáng)電場下發(fā)生局部放電的同時，必然有一系列的現(xiàn)象，如聲、色、質(zhì)等。對超聲波的監(jiān)測一般采用超聲傳感器，通過靈敏的傳感器技術(shù)能夠有效地鎖定局部放電的部位，并能判斷放電的強(qiáng)弱。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于受其他因素影響較小，定位準(zhǔn)確性很高，研究也很深入。但是，變壓器本身元件構(gòu)成復(fù)雜，絕緣材質(zhì)多樣化，聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度也不一樣，這些因素會嚴(yán)重影響超聲傳感器的準(zhǔn)確度。

2） 光測法。局部放電是不均勻電場的發(fā)電形式，常常伴有光現(xiàn)象。對光波進(jìn)行監(jiān)測和分析，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，局部放電產(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)，波長一般為500～700 mm）。把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再對電信號加以識別，便可以挖掘局部放電的發(fā)生特性。不過該方法主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，原因在于光測量法需要的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高且靈敏度不夠好，在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用很少。

3） 化學(xué)檢測法。局部放電伴隨著絕緣紙質(zhì)結(jié)構(gòu)的損壞，與此同時會有新的物質(zhì)產(chǎn)生。對這些新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行測量，便可反映出局部放電的故障所在。生成的新物質(zhì)多為氣體，對這些氣體進(jìn)行分析和監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對故障的識別。但是，由于變壓器和生成物具有復(fù)雜特性，該方法目前尚未有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，且只能有效識別早期的可能性故障，對瞬時性故障的監(jiān)測顯得乏力。

4） 脈沖電流法。脈沖電流法的本質(zhì)是測量與變壓器相連接的各個接地線的視在放電量，若有局部放電現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生的脈沖電流必然增大。該方法的試驗(yàn)研究已有一段時期，也制定了一定的行業(yè)方法標(biāo)準(zhǔn)，但是應(yīng)用效果并不理想。

5） 射頻檢測法。射頻檢測的機(jī)理是：過程中信號的取得源于電力變壓器的中性點(diǎn)。檢測信號的頻譜處于30 MHz，有效地增加了局部放電的測量效果。該方法測量系統(tǒng)的布置相對可行，而且可以不用更改整個系統(tǒng)的運(yùn)行模式。但是，該方法不能對A，B，C三相局部放電進(jìn)行信號區(qū)分，也容易在強(qiáng)電磁場中受到干擾。在數(shù)字化濾波技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，該方法被日漸接受。

6） 超高頻局部放電檢測法。超高頻能有效監(jiān)測局部放電的頻率帶寬，一般在300～3 000 MHz之間，并且抗干擾能力強(qiáng)。

2.3 變壓器繞組溫度的在線監(jiān)測方法

根據(jù)現(xiàn)有的現(xiàn)場裝置使用情況顯示，繞組溫度值的監(jiān)測方法有直接、熱模擬和間接測量法。

1） 直接測量法是通過感知溫度測量儀器來確定溫度。常用的傳感器有光纖型、熒光光纖型等。該方法的儀器和設(shè)備需要在變壓器的生產(chǎn)過程中安裝，安裝布點(diǎn)越廣闊，監(jiān)測的結(jié)果越精準(zhǔn)。但是該方法日常技術(shù)維護(hù)相對困難，成本也很高。

2） 熱模擬方法建立在變壓器熱模型的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，計算出熱點(diǎn)的溫度變化計算方程式。目前，該方法是熱點(diǎn)計算的代表方法，具有一定的可靠性，并且國際電工委員會也制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。該方法操作便捷，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

2.4 變壓器鐵芯接地電流的在線監(jiān)測方法

變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測是一種比較成熟的方法，國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。在變壓器故障預(yù)防、診斷和維護(hù)中，接地電流值是一個準(zhǔn)確、快捷的參數(shù)值。變壓器在正常運(yùn)行的過程中，鐵芯的對地電流值比較微弱，一般呈現(xiàn)毫安級的數(shù)值；可一旦發(fā)生絕緣損傷，鐵芯存在非單一點(diǎn)接地時，對地電流值升級到安培級，這必然致使元件發(fā)熱，故障惡化時會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置動作。綜合全國變電站中該方法的使用情況，其電流獲取形式一般為鉗形電流表夾。由于變壓器周圍復(fù)雜強(qiáng)場的存在，監(jiān)測結(jié)果存在一定的誤差。目前，國內(nèi)一些廠家的監(jiān)測設(shè)備能夠有效發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地現(xiàn)象，但故障后的持續(xù)監(jiān)測功能有待完善。

2.5 變壓器振動的在線監(jiān)測方法

變壓器振動在線監(jiān)測是理論上可行的一種方法，即通過箱體的振動來推斷變壓器內(nèi)部是否存在故障。目前，歐美國家一直在對信號的采集和信號的頻譜分析進(jìn)行研究和探討。俄羅斯在試驗(yàn)中布置了幾十臺變壓器使用振動在線監(jiān)測，但結(jié)果均不理想。

2.6 變壓器套管的在線監(jiān)測方法

根據(jù)現(xiàn)場事故資料統(tǒng)計，三分之一的故障問題來自高低壓套管。套管在變壓器結(jié)構(gòu)中起著支持導(dǎo)線并隔離高壓的作用。在變壓器常年運(yùn)行過程中，一旦套管發(fā)生故障，絕緣損傷，則整個套管的電容電流變化很大，并脫離正常運(yùn)行時的初始值。通過分析現(xiàn)場值與標(biāo)準(zhǔn)值的變化差別，能夠發(fā)現(xiàn)問題所在。安裝監(jiān)測和報警系統(tǒng)，可及時預(yù)報信號并進(jìn)行檢修和維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 周求寬，萬軍彪，王豐華，等.電力變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2014（3）：162-166.

[2] 喻華.智能變壓器在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)[J].科技專論，2012（23）：301.

[3] 方瓊，朱曉輝.電力變壓器在線檢測技術(shù)的應(yīng)用及前景探討[J].天津電力技術(shù)，2004（1）：3-6.

Study on the Methods of Power Transformer On-line Monitoring

YANG Bin， DAI Shu

（Shenyang Electric Power Supply Company， Shenyang 110001， China）

Abstract： Power transformer is one of important components in power grid. With the development of smart grid in China， the request to power transformer reliability is getting higher. In the article， it analyzed fault types of transformer， summarized the methods for on-line monitoring power transformer， in order to provide a reference for realizing transformer smart monitoring and guaranteeing its safe and reliable operation.

Key words： transformer； fault； on-line monitoring； methods