變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測方案的探討

華能南京燃機發(fā)電有限公司 夏海明 吳淵恒

電力設(shè)備變壓器是作為電網(wǎng)輸電與電力配電運輸過程系統(tǒng)中的各種關(guān)鍵重要電力設(shè)備之一，其長期工作安全狀況直接影響著我國電網(wǎng)的安全和運行穩(wěn)定性，因此為了充分滿足我國電力系統(tǒng)的持續(xù)現(xiàn)代化快速發(fā)展，必須對各種變壓器的運行狀況進行實施在線監(jiān)測。

變壓器正常運行時因其繞組四周均應(yīng)該具有一定電場，而繞組鐵芯與鐵芯夾件及其他金屬構(gòu)件都處在此電場之中而產(chǎn)生了不同的接地電位，為了防止變壓器在正常運行時，因繞組鐵芯夾件與其他的金屬構(gòu)件電位差而產(chǎn)生相對的接地線性放電，因此均需對鐵芯及其他金屬構(gòu)件保護接地。投入使用的直流變壓器在正常接地工作電壓狀況下，鐵芯管在接地時對電壓值的變化極小，為毫安培一級，注意值為100毫安[1]。如果鐵芯出現(xiàn)了二點以上的接地情況，那么接地點之間就有可能形成環(huán)流。如果二點電位差超過足以穿透二者之間的絕緣層時便形成了斷續(xù)火花，放電并破壞電力變壓器內(nèi)部的絕緣固件，進而將絕緣油分解，形成可燃的成分氣體，還可以直接將接地片熔斷，燒壞鐵芯，從而造成事故的發(fā)生。當(dāng)鐵芯發(fā)生多點接地故障時，流過電力變壓器鐵芯接地線路上的輸出電流會大幅度的增加，于是通過檢測鐵芯引出線路上電流設(shè)定值的多少，就能夠精確而實時地檢測出鐵芯多點接地故障。

變壓器的內(nèi)部局部放電，是指帶電變壓器絕緣內(nèi)部運動所產(chǎn)生的氣泡、裂隙以及污染雜質(zhì)等在高電壓下所運動引起的一種局部、反復(fù)的放電擊穿與熄滅現(xiàn)象。假如變壓器處于一個甚至多個這樣的微弱局部放電下工作，局部放電及其所直接產(chǎn)生的不良效果，就可能會引起整個電力變壓器絕緣的急劇老化，而日積月累則就很有可能直接造成整個高壓絕緣被完全外力擊穿，從而可能產(chǎn)生各種重大事故，對我們國民經(jīng)濟將會造成新的巨大損失。

與傳統(tǒng)停電高壓局部放電檢測技術(shù)相比，在線局放裝置由于能夠長期且持續(xù)實時監(jiān)控運行變壓器局部放電狀況，且當(dāng)局部放電容量過大超過額定值時，可以及時停運并做進一步的檢查，其在經(jīng)濟性、安全性等方面具都具備有較大的技術(shù)優(yōu)越性，是目前唯一有效用于防止變壓器突然發(fā)生損壞事件的在線放電檢測技術(shù)手段。在線局放裝置反映的是電力變壓器實際狀態(tài)下絕緣局部放電狀況，比離線放電測試能更好地適應(yīng)日常實際操作及檢查。在變壓器鐵芯接地處采用脈沖電流檢測法檢測，能夠高效的監(jiān)測變壓器內(nèi)部絕緣局部放電情況。

1 監(jiān)測原理

在變壓器鐵芯接地銅排處，安裝在線監(jiān)測裝置就能對變壓器鐵芯多點接地故障及變壓器局放故障進行在線監(jiān)測，實現(xiàn)變壓器運行狀態(tài)的多狀態(tài)量監(jiān)測。本節(jié)對這兩種監(jiān)測原理進行闡述。

1.1 變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測原理

根據(jù)《Q/GDW1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》等國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范的具體規(guī)定，所有大型變壓器專用鐵芯回路接地穩(wěn)壓電流在線測量檢測裝置設(shè)備必須達到可以完全達到5mA～10A 的接地電流在線檢測測量范圍，測量精度需要達到“±3%或1mA 兩者取大值”，具備測量電流范圍寬，測量精度要求高的特點，傳統(tǒng)的電流互感器無法滿足這一測量要求，針對變壓器鐵心接地電流的測量需要采用零磁通電流互感器。

利用有源零磁通控制技術(shù)有效地提升了小電流密度勵磁傳感器進行測量時的準(zhǔn)確度，除了要采用比其他起始導(dǎo)體吸磁率更高、能量流動損失更少的特種導(dǎo)磁合金材料作為銅芯鐵芯主體材料之外，還充分利用有源電子勵磁信號圖像處理控制技術(shù)對銅芯鐵芯內(nèi)部的靜電激磁場和磁勢密度變化信號實現(xiàn)了全自動的測量跟蹤值和補償，從而可以確保整個鐵芯中心一直工作于一個近乎理想的零磁通工作狀態(tài)。

1.2 變壓器局放監(jiān)測原理

變壓器的電是局部高頻放電[2]，具有高頻放電脈沖、電磁波、超聲波以及弧光等多種表現(xiàn)形式，同時信號帶寬覆蓋從幾十K 到3G 等很寬的頻率范圍。隨著我國電力交流變壓器在大局部的開放使用過程中不斷產(chǎn)生的還有電脈沖、電磁輻射、超聲紋波檢測等新技術(shù)、光等創(chuàng)新現(xiàn)象，而與其相應(yīng)發(fā)展產(chǎn)生的還有電脈沖紋波檢測法、超聲激光傳感器紋波檢測法、光紋波測量方法及光等射頻激光檢測法，以及UHF 等超高頻激光電子標(biāo)簽及光檢測法等技術(shù)。

電流放小脈沖放大法中文簡稱[3]脈沖電流法，通過直接測量開關(guān)電阻、變壓器供電套管的開關(guān)末端元件接地線、機殼元件接地線、鐵芯元件接地線和開關(guān)繞組回路中的電流局放所連接產(chǎn)生的脈沖電流，獲得視在電流放大配電法中的測量。該檢測方法無疑是目前研發(fā)最早、使用最普遍的一種分子檢測病毒方式。國際電工委員會（IEC）也為此問題制定了許多相關(guān)技術(shù)規(guī)范。相對于其他檢測方法，由于檢測的是電脈沖信號，具備抗干擾能力強，局放類型識別準(zhǔn)確可靠的特點。變壓器局部脈沖電流信號的頻率范圍一般集中在3M～30MHz，需要采用高頻的電流互感器對脈沖電流信號進行采集。采用羅氏線圈能夠有效實現(xiàn)高頻電流脈沖信號的有效采集。

羅氏接收電路線圈的閉合工作感應(yīng)機理根據(jù)法拉第定理，描述的就是在一個閉合接收電路中它所感應(yīng)的總磁和感應(yīng)電動勢，和其中所有的連接閉合電路的總磁通道容量和隨時間溫度變化率之間的一個正比關(guān)。羅科夫斯基線圈和驅(qū)動交流電機的電流驅(qū)動互感器很相似，其驅(qū)動電流被直接導(dǎo)入第二導(dǎo)電線圈中，且在此處和一個流過絕緣導(dǎo)體的驅(qū)動電流之間成正比例的關(guān)系。重要技術(shù)差別之一就是羅科夫斯基線圈鋼芯具有空心磁殼，這一點和導(dǎo)磁電流移動互感器正好完全相反，后者通過超高導(dǎo)磁大功率繞制鋼芯和第二導(dǎo)電繞制鋼芯進行空心電磁場的耦合。而兩個空心磁殼則同樣可用于通過更少量的插入量和抗阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到更快的控制信號輸出響應(yīng)速度以及更加可線性的控制信號輸出電壓。空心電場磁芯將通過輸入輸出線圈，以磁循環(huán)形式的方式被直接放在一條帶有大電流的中心導(dǎo)線周圍[4]，而由大量交流電和直電流所驅(qū)動形成的空心磁場也將直接給出輸入線圈中心所感應(yīng)到的電流。羅科夫斯基線圈環(huán)路產(chǎn)生的和在整個線圈內(nèi)部環(huán)路中驅(qū)動電流量的變化率(電流導(dǎo)數(shù))通常成正比的驅(qū)動電流。

綜上所述，有源零磁通互感器與羅氏線圈的安裝方法相同，都可以套到變壓器鐵心接地銅排上，以進行對變壓器鐵心接地輸出電流和變壓器的高頻率脈沖電流局放等信息的采集。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及應(yīng)用

2.1 變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)

本文基于SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建實驗平臺（圖1）。設(shè)備采用了一體化的集成電路設(shè)計，產(chǎn)品中內(nèi)置了零磁通互感器和霍爾傳感器，同時還對交流變壓器鐵芯泄露電流信息和高頻脈沖電流局開放信息進行了高速采集和綜合分析處理，在進行數(shù)據(jù)的綜合分析判斷之后對變壓器的工作狀況做出了綜合診斷評價。

實驗對象選取華能南京發(fā)電有限公司220kV #1主變。通過SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測裝置在現(xiàn)場的試點安裝，實現(xiàn)了對變壓器鐵芯狀態(tài)的實時在線監(jiān)測功能，裝置實時采集變壓器鐵芯的泄露電流信號和流經(jīng)鐵芯處的高頻脈沖電流局放信號，并通過遠程通信手段定時上送給監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析診斷。

實現(xiàn)了變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流信號的有效采集后，如何對數(shù)據(jù)進行有效處理和分析，是我們需要探討的問題。過去的一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范雖然對監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了一些要求，但往往只停留在監(jiān)測量、監(jiān)測范圍和監(jiān)測精度層面，對于如何基于數(shù)據(jù)進行分析和故障判斷標(biāo)準(zhǔn)中涉獵較少。下面針對變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的數(shù)據(jù)綜合處理和分析，進行介紹。

2.2 鐵芯接地電流監(jiān)測量和數(shù)據(jù)分析

《Q/GDW 1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》中首次給出的對交流變壓器的全鐵心基波接地輸入電流輸出電壓在線檢測裝置要求就是計算全基波輸出接地電壓和基波輸入接地電壓的具體規(guī)定。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和《Q/GDW 1168-2013輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范中,對輸變鐵芯設(shè)備接地交流電壓的狀態(tài)報警和測值范圍作出了明確規(guī)定。

但在鐵芯接地電流的日常檢測中，僅是這些要求不能完全反應(yīng)變壓器的真實工況，且要求提的問題不全面還為變壓器鐵芯接地電流的日常巡檢造成了一些困擾。規(guī)范中規(guī)定了，必須對鐵芯接地電流的全電流與基波電流分別進行檢測，但對全電流檢測中所必須監(jiān)測到的高諧波電流頻率卻未做規(guī)定，造成了現(xiàn)場使用不同的電流表或不同的鐵芯接地電流在線檢測設(shè)備，對變壓器鐵芯接地電流全電流的檢測結(jié)果并不統(tǒng)一。這就對電流的測量結(jié)果產(chǎn)生了質(zhì)疑，對鐵芯接地電流數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了困擾。

根據(jù)筆者對不同電壓等級變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測的經(jīng)驗，以及復(fù)雜工況下變壓器可能產(chǎn)生的諧波分量，規(guī)定變壓器的接地電流監(jiān)測需要能夠覆蓋20次諧波信號。并對接地電流的頻譜信號進行計算分析，計算不同次諧波下電流信號的分布情況，對變壓器鐵芯接地電流測量數(shù)據(jù)進行深度挖掘，對變壓器的運行工況更深入的了解。

2.3 高頻脈沖局放信號的數(shù)據(jù)分析

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高頻采樣技術(shù)日漸成熟，采用高速采樣ADC 能夠?qū)崿F(xiàn)高頻脈沖電流局放信號波形的完整采集，為數(shù)據(jù)進一步的分析提供基礎(chǔ)。針對最大頻率30M 的高頻脈沖電流局放信號，采用大于60M 的數(shù)據(jù)采樣率就能實現(xiàn)局放信號的完整采集。基于變壓器局放放電相位、放電幅值以及放電次數(shù)等信息的PRPD、PRPS 譜圖數(shù)據(jù)，以及根據(jù)譜圖特征的變壓器不同放電故障的類型識別，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均有定義。如何將有效局放信號和環(huán)境噪音區(qū)分，如何通過有效算法實現(xiàn)變壓器局放的模式識別是變壓器局放數(shù)據(jù)的分析目標(biāo)。采用數(shù)字濾波器和脈沖聚類算法，能夠有效實現(xiàn)特定頻率背景噪音的濾除以及局放信號的識別功能。將局放信號提取后，生成有效的PRPD 和PRPS 譜圖，再根據(jù)譜圖的特征判斷具體的局放故障類型。同時對典型的放電波形進行記錄，便于后期對局放故障的原因分析提供依據(jù)。

3 結(jié)語

本文對變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的監(jiān)測原理及方案，以及數(shù)據(jù)處理和分析進行了闡述。通過安裝方式一致的零磁通互感器和羅氏線圈，采集變壓器鐵芯接地銅排處的鐵芯接地電流信號及高頻局放信號。實現(xiàn)20次諧波的接地電流全電流采集，同時對接地電流信號的各次的諧波分量進行計算分析，能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)變壓器的接地電流和運行工況。通過大于60M 的數(shù)據(jù)采樣率的高頻電流局放信號采集，能夠完整保留局放信號的信息，通過算法實現(xiàn)局放信號與環(huán)境噪音的有效分離。通過圖譜特征對變壓器局放類型進行有效判斷，同時保留典型的局放波形，為了往后進一步的故障分析和處理提供了數(shù)據(jù)和理論支撐。通過這一方案，實現(xiàn)了變壓器接地電流、變壓器多點接地故障、變壓器運行諧波工況、變壓器局放故障的多狀態(tài)量的綜合監(jiān)測。