沈亮
（国网浙江安吉县供电公司 浙江安吉 313300）
随着我国电力工业的迅速发展，电力系统正向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展，这就要求电力系统做到长时间可靠稳定地运行。电力系统中最重要的电气设备之一变压器的安全工作是影响整个电力系统的可靠性和稳定性的关键。而由于一些外界或人为因素影响，变压器时常会发生各种类型的故障和事故，因此对变压器状态与参数在线监测的研究有着重要意义。
变压器在线监测技术的未来的发展将以加强干扰信号处理、识别与诊断故障、人工智能等新技术的应用，综合性、远程监测与诊断系统和电力设备虚拟医院的研发以及以可靠性为中心的维修策略的研究及推广为重点。
关键词：变压器,在线监测,局部放电,油色谱
1 课题背景
变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，一旦发生故障或事故，则所需的修复时间长，造成的损失和影响也十分严重。随着电力工业的迅速发展，变压器的电压等级和容量也越来越高，因此变压器故障带来的损失也会越来越大[2]。近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术的提高，运行可靠性有所提高，但是由于一些无法预计的外界原因或者使用方法、运行维护方面出现的问题，仍会发生各种类型的故障或事故。由此可见，加强对变压器绝缘状态的监视与预测以防事故于未然，以及在事故发生后尽快确定其性质及发生部位具有十分重要意义。
因此，如能在电力变压器运行过程中通过某些方法或手段对变压器的未来运行状况进行及时而有效的预测，预先发现早期潜伏性故障，及时采取抢修措施，从而可以大大减少事故的发生，这将对电力系统的安全稳定运行产生重要的意义。
2.变压器局部放电的危害
在变压器的绝缘系统中，各部位的电场强度往往不是相等的，当局部区域的电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这种放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，这种现象称之为局部放电[13]。
造成电场不均匀的因素有很多。主要有以下几点：
（1）变压器的电极系统不对称，如针对板、圆柱体等，如变压器的高压引出线端的电场比较集中，不采取特殊的措施，就容易在这些部位首先发生局部放电；
（2）介质不均匀，如各种复合介质：气体－固体组合、液体－固体组合、不同的固体组合等。在电场的作用下，介质的电场强度是反比于介电常数的，因此介电常数小的介质中的电场强度就高于介电常数大的；
（3）绝缘体中含有气泡或其它杂质。
气体的相对介电常数接近于1，各种固体、液体介质的相对介电常数都要比它大一倍以上，而固体、液体介质的击穿场强一般要比气体介质大几倍到几十倍，因此绝缘体中有气泡存在是产生局部放电最普遍的原因。绝缘体中的气泡可能是产品制造过程留下的，也可能是在产品运行中由于热胀冷缩在不同的材料的界面上出现了裂缝，或者因绝缘材料老化而分解出气体。此外，在高场强中若有电位悬浮的金属体存在，也会在其边缘感应出很高的场强；在变压器的各连接处，如果接触不好，也会在距离很微小的两个接点间产生高场强，这些都可能造成局部放电。
虽然局部放电的放电能量很小，在短时间内不会影响变压器的绝缘强度，但长时间的局部放电会逐渐腐蚀，损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体的击穿[14]。因此，必须把局部放电限制在一定的水平之下。变压器都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但出厂使要做局部放电试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。
3 变压器局部放电在线监测的抗干扰技术
变压器局部放电在线检测的关键技术之一是如何排除现场电磁干扰、提取准确的局部放电信号来识别变压器绝缘状况。现场电磁干扰按其时域特征可分为窄带干扰、脉冲干扰和白噪声等。窄带干扰是周期性的,包括系统高次谐波、高频保护、载波通信以及无线电通信等造成的干扰。脉冲干扰又可分为周期型和随机型两种,白噪声包括各种随机噪声,如绕组热噪声、地网噪声等。本节介绍了当今变压器局部放电在线检测中处理不同类型干扰技术的状况[27]。
江苏大学电气工程学院采用了以下的分类方式，与清华大学的分类方法略有不同。以下采用江苏大学的分类方式。
（1）窄带周期型干扰的抑制
窄带周期型干扰的抑制方法主要有阈值判断法、小波变换法等。阈值判断法基于快速傅立叶变换(FFT)。曲线法比硬限幅的阈值直线法更灵活,信噪比提高,信号的畸变度改善。[28]将幅频特性曲线上获得的窄带干扰信号与原始信号相减，再傅立叶反变换返回时域即可获得局放信号。
（2）固定相位脉冲干扰的抑制
固定相位脉冲干扰可用自适应数字滤波器剔除。变压器局部放电在线检测时现场有大量周期型干扰,其频率不可预知,难用固定系数的多通带有限冲击响应FIR滤波器剔除。[29]自适应数字滤波器由带时延的WN-多通带滤波器与减法器组成见图2-5能利用周期型干扰和局放信号的各自相关性不同区分两者，这种滤波器能随输入序列的变化，按照某种误差递减的规则自行调整滤波器系数，使其对应当时现场的干扰频带，从而消除干扰。
（3）白噪声的抑制
局部放电信号为非平稳随机信号，与其混杂在一起的白噪声为均值0的平稳随机信号，属宽带干扰。时域和频域同时具有良好局部性的小波变换，使其从白噪声中提取局部放电信号优于FFT滤波法。小波去噪一般采用Shrinkage技术，即设定一个门限值,小于该值的系数置为0，保留大于该值的,经反变换后即为去噪后的信号。此法实现简单、运算速度快、去噪效果好、波形失真小。由于小波分解是最优分解，能量比较集中，用Shrinkage技术滤波时，信噪比可进一步提高。小波去噪法得到的信号和原信号之间的最大误差正比于原信号信噪比的平方关系。该信噪比太小时，Shrinkage去噪法因误差太大而无法使用，且现场中周期正弦干扰严重时，去白噪声干扰应置于去除周期正弦干扰之后，以免局部放电信号被误为白噪声给去掉[30]。
（4）局部放电信号的分层式干扰抑制
由于现场实际存在多种不同类型的干扰,采用分层式干扰抑制方式可有效去除各种干扰,并保证原有的局部放电信号能量损失较小,这种干扰抑制方式分为若干层,每层分别完成一个确定的任务。[31]为使下一层处理效果更佳,每层去除干扰后的信号失真要尽可能小。
（5）存在的问题与不足
尽管目前研究出很多的干扰抑制办法，但是都没有根本上解决干扰的问题，而且行业上没有统一的标准，试验也比较困难，很多只是单纯的理论分析，具体操作很困难。有待于科研人员进一步的探索和开发，理论有待于进一步完善。
4 变压器在线监测系统的研究设计
目前，国内外对变压器的监测主要有以下几个方面的内容：
（1）对变压器局部放电的监测
（2）对变压器有载分接开关的监测
（3）对变压器的套管的监测
（4）对变压器油的气相色谱监测
（5）对变压器上层油温的监测
本文设计的在线监测系统只对变压器套管、油中氢气浓度、铁心接地电流、变压器局部放电在线监测
4.1 系统结构
变压器在线监测系统的结构如图4-1所示，对变压器的套管、油中氢气、铁心接地电流、上层油温及气象条件进行在线监测。系统设计了“看门狗”。由于在线监测系统是在无人看管的条件下运行的，变电站又常常出现一些偶发干扰，这些干扰在某些条件下导致计算机程序运行混乱、硬件故障或死机等问题。为了解决这个问题，设计了硬件复位电路—即“看门狗”。在正常情况下，程序不断地将硬件复位电路的计数器清零，硬件复位电路不会动作，计算机正常工作。一旦计算机在异常情况下发生死机，程序无法清除“看门狗”，在大约15分钟时间里，“看门狗”不被清零，硬件复位电路将动作，触发计算机的硬复位端口使系统重新启动。采用这种措施可大大提高监测系统运行的可靠性。如图4-1所示。
变压器在线监测系统框图
4.2 监测内容及测量原理
4.2.1 变压器套管
4.2.1.1 监测内容
变压器套管为电容型设备，监测内容如下：
介质损耗因数（ ）
泄露电流I0
电容量变化率 /C
4.2.1.2 测量原理
（1）介质损耗因数（ ）的测量原理
介质损耗测量系统对设备绝缘劣化的故障有较高的灵敏度，在绝缘预防性试验中介质损耗测量是必不可少的测量项目。同时高压设备的介质损耗一般都很小，所以对测量的精度要求很高，而且在现场测量时易受各种形式的干扰，因此要精确而稳定地在线监测设备的介质损耗难度较大。
系统使用穿芯电流传感器（CT），结合软、硬件方法对套管进行介损测量，即使用一个穿芯CT取流过被测设备的电流IC，参考电压信号U取自该设备所在母线上的PT，通过PT二次侧回路接一组电容CPT将参考电压信号转为参考电流信号，用另一穿芯CT侧该电流IPT,其中IC和IPT的角度为 ，如图4-2所示
介质测量原理图
通过滤波、锁相等硬件信号调理电路，结合傅里叶变换（FFT）算法，计算出 ，则介损
图中5-2中CT1和CT2为特制的有源CT.
（2）泄露电流
通过测量图4-2中CT2的输出电压UC，可得泄露电流：
IO=IC=UC
4.2.1.3 运行结果
从运行的数据结果可以总结出以下两点经验：
（1）介质的监测受PT参考信号的影响，同相各设备受影响的程度相同，可以运用数据处理的方法消除影响。
（2）在线监测介质的判断方法应从其变化趋势来分析。该经验同样适用于对变压器套管。
4.2.2 油中氢气的监测
分析变压器类等充油设备油中溶解氢气等可燃性气体，可以预报设备内部存在的故障隐患，以便及早采取必要的措施，防事故于未然。
高压电气设备的潜伏性故障可分为过热性和放电性故障两大类。过热性故障是指铁心多点接地和局部短路、接点焊接不良等故障形式；放电性故障是指电弧放电、火花放电和局部放电等故障形式。无论是过热性故障还是放电故障，最终都导致电气设备绝缘介质裂解，产生各种特征气体。由于碳氢键之间的键能低，生成热小，在绝缘材料的分解过程中，总是先生成氢气，因此氢气是各种故障特征气体的主要组成成分之一。目前，电力系统中采用色相色谱法分析油中溶解气体含量，这对正确判断设备早期故障起了很大的作用。但色相色谱法由于受到实施周期的限制，有可能错过检测到迅速发展的故障的短期预兆；另外气相色谱法在实施过程中气体难免从油中逸出，尤其是对极易扩散的氢气更为严重。因此在色相色谱法的分析结果中，氢气的含量往往出现较大的分散性，也就不容易引起人们的重视。
本系统的测氢探头采用高分子膜渗透油中氢气，直接从油中分离出氢气进行在线监测，弥补了色相色谱法周期性限制和误差大的缺陷，并根据氢气含量的变化情况，预知设备的早期故障，是目前较为理想的手段。
油中氢气含量的测量采用活化的铂敏元件。当氢气在加热到恒定高温的铂丝上燃烧时，引起铂丝电阻值的变化，这种变化在一定范围内与氢气浓度成函数关系。对氢敏元件获得的信号进行采集处理，即可得到氢气浓度。有稳定可靠及寿命长的优点，是国外采用燃料电池作为氢敏元件所不能匹及的。
4.2.2.1 测量原理
测氢探头采用高分子膜渗透油中氢气，直接从油中分离氢气，采用活化的铂丝作为氢敏元件，通过氢气在铂丝上燃烧，引起铂丝电阻值的变化，来测量氢气含量。
4.2.2.2 油气分离
油气分离由透氢率高的高分子膜完成。高分子膜固定在特殊设计的气室里，气室的底座通过法兰与变压器连接。
4.2.2.3 试验及运行结果
本系统最小检测浓度可达。运行稳定，测量准确，抗干扰性强，安装方便，基本不用维护。
4.2.3上层油温的监测
4.2.3.1 监测原理
变压器上层油温的异常变化，可以反映出变压器的过热性故障。本系统用Pt100温度传感器对变压器上层油温进行监测。测量的原理框图如图4-3所示
变压器上层油温测量的原理框图
4.2.3.2 监测结果
正常运行的变压器，上层油温与负荷、环境温度等因素有关。
4.2.3.3 测量方式
测量方式采用整点监测方法。对变压器套管和变压器油中氢气含量的监测则每天检测一次，铁心接地电流、油温及气象条件每小时检测一次。
5 总结与展望
变压器在线监测可以提早发现设备内部可能存在的缺陷或性能劣化，安装在线监测系统的必要性已渐渐成为电力行业的共识，电力变压器的工作效率代表了电力部门的财政收益，变压器的在线监测提高了运行的可靠性，延缓了维护费用的投入，延长了检修周期和变压器寿命，由此带来的经济效益是非常可观的。电力设备的在线监测技术是今后的发展方向，具有广阔的前景。因此，变压器的在线监测具有十分广阔的发展前景。
其发展方向主要有：
（1）由对单台的设备进行监测向整个系统的在线监测延伸，并根据系统设备的运行情况，进行最优化的运行计划。
（2）实现设备的远程监测
（3）监测系统和其他系统联网，增强系统的安全性和可操作性。
参考文献
[1]高兴耀.21世纪初我国电力变压器技术发展展望[J].变压器，2000,37(1):4-8
[2]黄文虎,夏松波.设备故障诊断原理、技术与应用[M].北京:科学出版社，2007
[3]林正旺.变压器潜伏性故障的检测与分析[J].电力自动化设备，2000,20(3):60-62
[4]史栋，庞静.高效的绝缘监测技术研究.齐齐哈尔大学学报， 2007， 23(1):100-102
[5] UNSWORTH J，1．AL LI D．Re—locatable transducer heads for remote Siemens on—line PD monitor for high voltage transformers[C] Proceeding of the 1 international conference on insulation condition monitoring of electrical plant，2006， 254—259
[6]罗勇芬，李彦明，刘丽春，等.变压器局部放电的超声波和射频联合检测技术的现状和发展[J]变压器，2004，40(12)：28—31．
论文作者:沈亮
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/4
标签：变压器论文; 在线论文; 干扰论文; 氢气论文; 局部论文; 信号论文; 故障论文; 《电力设备》2016年第7期论文;