電力變壓器故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

蔡小詩

渤海大學(xué)工學(xué)院

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電力變壓器故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

蔡小詩

渤海大學(xué)工學(xué)院

由于社會(huì)的迅速發(fā)展，增加了對(duì)電能的需求量，而且電力系統(tǒng)的容量和電壓系統(tǒng)的容量都在增加，不管是電力設(shè)備的數(shù)量還是技術(shù)含量都得到了發(fā)展，這種發(fā)展是復(fù)雜多變的，電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備是電壓器，變壓器承擔(dān)的電壓轉(zhuǎn)換以及電能分配的任務(wù)，所以安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要的意義，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，需要深刻的分析電力變壓器中出現(xiàn)的各種故障，有利于更好地對(duì)電力變壓器的故障進(jìn)行排除，這些年來對(duì)電力變壓器檢測(cè)的過程中，各種檢測(cè)技術(shù)有利于更有效率的進(jìn)行檢測(cè)。

在線檢測(cè) 變壓器 故障

1　電力變壓器故障類型

電力變壓器有很多種類，也有很多劃分方法，一般的變壓器故障如表 1 所示。

表1　變壓器故障類型

2　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)描述

2.1振動(dòng)信號(hào)

變壓器的本體振動(dòng)主要是由于鐵芯內(nèi)部的震動(dòng)造成的，要采集振動(dòng)信號(hào)以及監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)對(duì)于本文的監(jiān)測(cè)有著重要的意義，變壓器鐵芯振動(dòng)是因?yàn)楣桎撈纳炜s造成的，如果忽視了這種現(xiàn)象，我們可以認(rèn)為導(dǎo)致鐵芯振動(dòng)的磁力和電壓平方是正比的關(guān)系，如式（ 1）所示。

其中，F(xiàn)c為鐵芯電磁力；U 為勵(lì)磁電壓。負(fù)載電流可以獲得變壓器的振動(dòng)，而且電磁和電流是正比的關(guān)系，如式（2）所示。

其中，F(xiàn)w為繞組電磁力；i為繞組電流。由式（1）、（2）可見，鐵芯振動(dòng)和繞組振動(dòng)都是兩倍的電源頻率作為基準(zhǔn)，也就是100Hz，對(duì)于變壓器的運(yùn)行來說，鐵心的振動(dòng)可以通過絕緣構(gòu)件到達(dá)油箱，通過相比上的振動(dòng)速度送入到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過內(nèi)部的分析軟件可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及評(píng)估。

2.2電壓信號(hào)

變壓器運(yùn)行的過程中會(huì)對(duì)鐵芯的運(yùn)行產(chǎn)生影響，可以根據(jù)運(yùn)行過程中的變壓器電壓對(duì)鐵心的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使用互感器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集。

2.3電流信號(hào)

變壓器的繞組振動(dòng)和負(fù)載電流的變化情況有著密切的關(guān)系，變壓器的繞組賦值一般和負(fù)載電流的平方是正比關(guān)系，我們可以根據(jù)檢測(cè)到的變壓器的電流情況，對(duì)繞組的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用互感器對(duì)變壓器的三相運(yùn)行電流進(jìn)行采集。

3　變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變壓器的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般進(jìn)行的是局部放電檢測(cè)，包括對(duì)開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)套管進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)負(fù)荷電壓進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)電流和功率進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)能夠檢測(cè)溶解性氣體，要對(duì)變壓器做好全方位的檢測(cè)，可以得出變壓器運(yùn)行中比較詳細(xì)的信息，通過這些信息可以判斷出變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的問題，變壓器檢測(cè)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，我們根據(jù)硬件檢測(cè)的結(jié)構(gòu)圖了解到，這種系統(tǒng)通過了多通道的數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)處理，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理。

圖1　變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)

由于C8051F020的I/O輸入和輸出的電源都是五伏，內(nèi)部和外部的電源都是三伏，所以系統(tǒng)內(nèi)部可以通過穩(wěn)壓電源。

3.2信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

C8051F020內(nèi)有12位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用編程模塊就可以對(duì)數(shù)字量和模擬量進(jìn)行計(jì)算，變壓器的模擬量都是弱信號(hào)，而且內(nèi)部包含有噪音信號(hào)，所以檢測(cè)的時(shí)候要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，電流傳感器的電路如圖2所示，傳感器的信號(hào)會(huì)通過分壓作用，在輸入點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)R3和C8組成的低通濾波回路，可以最大限度的過濾信號(hào)中的噪聲信號(hào)，通過高精度運(yùn)算放大器LM358跟隨放大，可以讓放大后的信號(hào)輸出到單片機(jī)引腳，一般傳感器的調(diào)整信號(hào)如圖所示，若電流信號(hào)會(huì)通過濾波進(jìn)入到輸入端，可以保證和輸入單夠成放大電路，對(duì)于完善線路電阻的性能，減輕電壓噪聲的干擾有著重要的意義，這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以獲得有用的信息，并且可以更好地開展智能診斷工作。

圖2　電流型傳感器信號(hào)調(diào)理電路

4　智能變壓器在線監(jiān)測(cè)方法

4.1變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測(cè)方法

油浸電力變壓器一般使用了絕緣材料，這兩種材料因?yàn)椴煌臒嶙饔茫赡軙?huì)產(chǎn)生不同的氣體，而且在變壓器內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生局部過熱以及局部放電的情況，可能會(huì)讓油或者紙分解產(chǎn)生甲烷以及乙烷等氣體。如果故障不嚴(yán)重的時(shí)候，這些氣體可以在絕緣油中進(jìn)行溶解，由于發(fā)熱和放電的情況不一樣，所以氣體的種類和氣體的濃度是不相同的，要進(jìn)行氣體的色譜分析，這樣才能更好的反映變電器中的電壓故障。

4.2局部放電的監(jiān)測(cè)方法

局部放電是一種常見的故障，有多種方法可以對(duì)局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

（1）超聲檢測(cè)法，一般在高電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生局部放電的情況，而且會(huì)帶來一系列的現(xiàn)象，所以我們可以使用超聲傳感器裝備，通過這種傳感器技術(shù)有利于鎖定放電的部位，而且能夠?qū)Ψ烹姷膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷，這種方法的優(yōu)點(diǎn)受到其他的因素影響不大，而且能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，也有利于進(jìn)行深入的研究，但是變壓器本身的元件很復(fù)雜，包含有多種多樣的絕緣材質(zhì)，由于聲波的傳播速度不同，會(huì)對(duì)超聲傳感器的傳播速度產(chǎn)生影響。4.3變壓器繞組溫度的在線監(jiān)測(cè)方法

可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同裝置使用，一般的方法有直接檢測(cè)法以及間接檢測(cè)法。

（1）直接測(cè)量法可以通過溫度測(cè)量儀對(duì)溫度進(jìn)行確定，一般的傳感器包括光纖型、熒光光纖型等。這種方法的儀器和設(shè)備需要在變壓器中使用，如果獲得越多的安裝點(diǎn)，越有利于進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，但是這種方法的日常維護(hù)很困難，也需要花費(fèi)較高的成本。

（2）可以建立變壓器的模擬方法，有利于總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，能夠更好地計(jì)算溫度變化的公式，這種方法作為計(jì)算的代表方法，具有一定的準(zhǔn)確性，而且國際工委會(huì)也制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，這種方法也很容易操作，而且成本也不高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

4.4變壓器鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)方法

變壓器的電流檢測(cè)是一種比較好的方法，已經(jīng)在國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的推廣，在對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷的時(shí)候，電流值是一種準(zhǔn)確的參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)變壓器的正常運(yùn)行，可能對(duì)電流值的反應(yīng)比較微弱，如果電壓器出現(xiàn)絕緣情況時(shí)，電流值可能會(huì)增大到安培級(jí)別，最終可能會(huì)出現(xiàn)軟件發(fā)熱情況，如果故障繼續(xù)惡化下去就會(huì)進(jìn)行繼電保護(hù)。

4.5變壓器振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)方法

在線監(jiān)測(cè)法是一種非常良好的方法，僅僅通過箱體的振動(dòng)就可以反映變壓器的故障，當(dāng)前已經(jīng)有許多國家對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行采集和分析，俄羅斯實(shí)驗(yàn)中使用的變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置，但是沒有獲得比較良好的效果。

4.6變壓器套管的在線監(jiān)測(cè)方法

我們可以對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的資料進(jìn)行分析，了解到1/3的故障問題是因?yàn)榈蛪禾坠苡绊懺斐傻?，套管具有隔離高壓的作用，而且在變壓器運(yùn)行的過程中，如果產(chǎn)生了各種套管故障的話，可能會(huì)出現(xiàn)絕緣損傷，而且套管的電流和電容也會(huì)出現(xiàn)很大變化，和正常運(yùn)行時(shí)的初始值是不同的，我們可以分析現(xiàn)場(chǎng)只和標(biāo)準(zhǔn)值的不同，可以更好的發(fā)現(xiàn)問題，安裝各種監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢修和維護(hù)。

5　結(jié)束語

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行有著密切的聯(lián)系，但是在變壓器運(yùn)行的過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種失誤以及接地保護(hù)措施不當(dāng)?shù)那闆r，這些都會(huì)導(dǎo)致變壓器穩(wěn)定運(yùn)行存在的問題，可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，可以通過在線檢測(cè)裝置對(duì)故障進(jìn)行預(yù)防，有利于變電站運(yùn)行管理水平的提升，而且故障診斷技術(shù)在變電器的實(shí)際監(jiān)測(cè)操作中具有重要的意義，要不斷的強(qiáng)化研究，這樣才能獲得比較準(zhǔn)確和快速的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，有利于變壓器診斷技術(shù)向智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，也有利于電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)安全和穩(wěn)定的運(yùn)行。

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