變壓器繞組在線監(jiān)測方法的發(fā)展?fàn)顩r綜述

◇天府興隆湖實(shí)驗(yàn)室 李 偉

變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其安全運(yùn)行對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。繞組是變壓器的核心部件之一，其正常運(yùn)行對保證變壓器的長期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。因此，對變壓器繞組進(jìn)行在線監(jiān)測具有非常重要的意義。本文對當(dāng)前常用的變壓器繞組在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了綜述。

變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，在電能的傳輸和分配中起著重要作用。然而，由于處于長期的運(yùn)行和惡劣的工作環(huán)境中，變壓器在使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生各種故障，如繞組短路、局部放電、油液污染等，這些故障可能導(dǎo)致變壓器損壞或甚至引發(fā)火災(zāi)等事故[1]。因此，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和延長變壓器的使用壽命，必須采取有效措施及時(shí)檢測和診斷變壓器繞組的故障。

隨著信息技術(shù)和電力自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，變壓器繞組在線監(jiān)測技術(shù)也得以迅速發(fā)展，其監(jiān)測方法也日益多樣化和智能化[2]。電力變壓器在線監(jiān)測是指通過各種傳感器、監(jiān)測設(shè)備及軟件系統(tǒng)對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以實(shí)現(xiàn)對變壓器健康狀況的評估和故障預(yù)警。變壓器在線監(jiān)測通常包括溫度監(jiān)測、氣體監(jiān)測、振動(dòng)監(jiān)測、頻譜監(jiān)測以及基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的監(jiān)測技術(shù)。目前，變壓器繞組在線監(jiān)測方法主要有油溫監(jiān)測法、頻率響應(yīng)分析法、短路電抗分析法、振動(dòng)信號(hào)檢測法以及物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的在線監(jiān)測技術(shù)。這些監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展也為變壓器的運(yùn)行提供了安全可靠的保障?；诖?，本文對變壓器繞組在線監(jiān)測的現(xiàn)實(shí)意義與監(jiān)測方法進(jìn)行了綜述，以促進(jìn)檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 變壓器繞組在線監(jiān)測的現(xiàn)實(shí)意義

變壓器繞組是變壓器的重要組成部分，是電能轉(zhuǎn)換和傳遞的關(guān)鍵。具體來說，變壓器繞組是變壓器的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)電能的轉(zhuǎn)換和傳遞，如果發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)、影響生產(chǎn)甚至造成安全事故。然而，傳統(tǒng)的離線檢測方法需要設(shè)備停機(jī)進(jìn)行檢測和維修，這無法保證設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行和安全性。通過變壓器繞組在線監(jiān)測技術(shù)，可以對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷，有效防止因故障引發(fā)的設(shè)備損壞和生產(chǎn)事故，以此提高設(shè)備可靠性和運(yùn)行安全性。在線監(jiān)測技術(shù)能夠提高設(shè)備的利用率和運(yùn)行效率，并且有效縮減設(shè)備停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。在減少風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也更加環(huán)保和節(jié)能，符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念。

2 變壓器繞組在線監(jiān)測方法

2.1 油溫監(jiān)測法

溫度是反映變壓器內(nèi)部工作狀態(tài)的重要指標(biāo)之一。變壓器的正常運(yùn)行需要保持合適的溫度范圍，過高或過低都會(huì)影響變壓器的性能。油溫監(jiān)測是變壓器在線監(jiān)測方法之一，可以通過在變壓器油箱內(nèi)設(shè)置溫度傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器繞組油的溫度變化[3]。當(dāng)繞組油溫超過設(shè)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員進(jìn)行檢修或停機(jī)維護(hù)。油溫監(jiān)測實(shí)時(shí)性高，適用于各種規(guī)模的變壓器監(jiān)測。

傳統(tǒng)的油溫監(jiān)測方法包括熱敏電阻、熱電偶、非接觸式測溫儀等。其中，熱電偶法精度和穩(wěn)定性最高，但需要直接接觸繞組油，操作較為復(fù)雜；而非接觸式測溫儀可在遠(yuǎn)距離對表面溫度進(jìn)行測量，來判斷繞組油的溫度。溫度監(jiān)測需要關(guān)注以下參數(shù)[4]：

（1）最高溫度：表示變壓器繞組油的最高溫度值，通常會(huì)設(shè)定數(shù)據(jù)警戒值，當(dāng)超過該溫度設(shè)定時(shí)，需要增加冷卻量或減少負(fù)載等方式進(jìn)行控制。

（2）溫度梯度：表示變壓器油箱內(nèi)各部位的溫差，如果溫度梯度過大，則可能存在過載或故障情況。

（3）變化率：表示溫度變化的速率，溫度變化較快，代表出現(xiàn)了異常情況。

優(yōu)點(diǎn)：溫度傳感器技術(shù)成熟，安裝方便，價(jià)格較低。

缺點(diǎn)：溫度監(jiān)測不能發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)變壓器內(nèi)部故障，如局部放電等。

2.2 頻率響應(yīng)分析法

基于在線監(jiān)測的頻率響應(yīng)分析法因其優(yōu)異的靈敏度而受到了廣泛關(guān)注[5]。該技術(shù)是通過對變壓器繞組內(nèi)部掃頻信號(hào)的頻譜分析。基本原理是因?yàn)樽儔浩髟诓煌墓ぷ鳡顟B(tài)下，其繞組內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)有所改變。當(dāng)頻率較高時(shí)（超過1kHz），變壓器繞組可以充當(dāng)由電容、感抗、漏阻等等信號(hào)組成的無源線性雙口網(wǎng)絡(luò)，這些信號(hào)可以反映出變壓器繞組的工作狀態(tài)和故障情況[6]。頻率響應(yīng)分析可以采用多種方法，如使用低壓串聯(lián)注入（LVI）技術(shù)、掃頻分析（SFRA）等方式進(jìn)行監(jiān)測。其中，LVI技術(shù)是一種直接注入電流信號(hào)的方法，適用于小型變壓器；而SFRA技術(shù)則是一種無需直接注入電流、通過對變壓器繞組內(nèi)部信號(hào)的掃頻測量來分析其頻率響應(yīng)的方法，適用于中大型變壓器[7]。頻率響應(yīng)分析需要關(guān)注以下參數(shù)：

（1）頻率響應(yīng)曲線：表示變壓器繞組不同頻率下的阻抗、相位等參數(shù)變化情況，可以反映出變壓器的短路沖擊、電氣特性和故障狀態(tài)，是頻率響應(yīng)分析的重點(diǎn)。

（2）變形量比較：表示將被測變壓器與同類型的正常變壓器進(jìn)行比較，以判斷是否存在異常的頻率響應(yīng)曲線。

優(yōu)點(diǎn)：該方法實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的自動(dòng)化與智能化，同時(shí)不會(huì)影響變壓器的正常運(yùn)行，此外，具有非接觸式、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、無需停機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種規(guī)模的變壓器監(jiān)測，應(yīng)用前景廣闊。

缺點(diǎn)：頻率會(huì)受到許多干擾因素，這可能會(huì)使結(jié)果失真，具有不確定性。

2.3 短路電抗分析法

變壓器繞組短路抗阻是當(dāng)變壓器繞組發(fā)生短路時(shí)，變壓器內(nèi)部的等值抗阻[1,8]。通常情況下，短路抗阻由電抗分量和電阻分量組成。短路電抗是變壓器的重要參數(shù)，也是繞組監(jiān)測的重要指標(biāo)。變壓器繞組短路抗阻分析方法通常包括以下步驟[9]：

（1）測量繞組電阻：可以使用電阻測試儀器測量變壓器繞組的電阻，或通過繞組長度和導(dǎo)體截面積來計(jì)算。

（2）計(jì)算直流電路中的有效電阻：將變壓器模型化為一個(gè)電路圖，其中包含繞組電阻、鐵心損耗電阻和其他內(nèi)部電阻。通過計(jì)算這些電阻的總和，可以得到變壓器在直流電路中的有效電阻。

（3）測量繞組電感：使用LCR測試儀器來測量變壓器繞組的電感。

（4）計(jì)算交流電路中的等效電路參數(shù)：包含電感、電容和電阻等，使用這些參數(shù)來計(jì)算等效電路參數(shù)（復(fù)阻抗和相角等）。

（5）計(jì)算短路抗阻：使用等效電路參數(shù)和理論公式計(jì)算變壓器的短路抗阻。

優(yōu)點(diǎn)：短路電抗分析法原理簡單且無需停止機(jī)器運(yùn)行。

缺點(diǎn)：該方法靈敏度較低，及易出現(xiàn)誤判。

2.4 振動(dòng)信號(hào)檢測法

變壓器繞組振動(dòng)信號(hào)分析法是一種非接觸式的監(jiān)測方法，與電力系統(tǒng)間無需電氣連接[10-11]。可以在變壓器內(nèi)部設(shè)置振動(dòng)傳感器，對變壓器的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)變壓器存在異常振動(dòng)或機(jī)械故障時(shí)，及時(shí)預(yù)警并檢查處理，該方法可以安全可靠監(jiān)測變壓器的狀態(tài)。測試系統(tǒng)由以下部分組成：

（1）振動(dòng)傳感器：通過分布在變壓器的不同測試點(diǎn)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電力信號(hào)在進(jìn)行處理。

（2）動(dòng)態(tài)信號(hào)測定系統(tǒng)：進(jìn)行多通道振動(dòng)信號(hào)的同步測試。

（3）信號(hào)源控制系統(tǒng)：用于信號(hào)測試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及操作控制。

（4）信號(hào)分析系統(tǒng)：用于變壓器振動(dòng)測試信號(hào)的各種實(shí)時(shí)分析以及處理。

優(yōu)點(diǎn)：該方法無需電氣連接，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。

缺點(diǎn)：在變壓器運(yùn)行過程中，振動(dòng)信號(hào)會(huì)受環(huán)境因素等影響，其可重復(fù)性有待提高。

因此，為確保測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常會(huì)在變壓器上同時(shí)安裝多個(gè)信號(hào)傳感器。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)和人工智能監(jiān)測

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能算法的快速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的在線監(jiān)測技術(shù)在電力變壓器監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)通過對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶虮镜胤?wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，以實(shí)現(xiàn)對變壓器健康狀況的評估和故障預(yù)警。具體來講，該技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）多種監(jiān)測指標(biāo)：利用各種傳感器、監(jiān)測設(shè)備等技術(shù)手段，可以對變壓器的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，包括溫度、振動(dòng)、氣體、濕度等，從而全面掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測：監(jiān)測設(shè)備與云端或本地服務(wù)器相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸和處理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

（3）故障預(yù)警：通過人工智能算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以判斷變壓器存在的故障類型和位置，并給出預(yù)警信息，為后續(xù)的檢修提供重要參考。

（4）遠(yuǎn)程管理：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理，實(shí)現(xiàn)對全國甚至全球范圍內(nèi)的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

（5）數(shù)據(jù)分析：通過大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，可以對變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘，從而為電力變壓器的維護(hù)提供更加精準(zhǔn)、智能化、可持續(xù)的解決方案。

基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并在變壓器監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。未來，該技術(shù)將不斷完善和創(chuàng)新，推動(dòng)電力變壓器監(jiān)測的發(fā)展，為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行做出更大的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)束語

隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，變壓器繞組在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的油溫、頻率、振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)經(jīng)相對成熟，但仍存在一些局限性。而基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的新型監(jiān)測技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了重要保障。在未來，如何將新型技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行融合，以實(shí)現(xiàn)更加全面、準(zhǔn)確的變壓器繞組在線監(jiān)測將是研究熱點(diǎn)。