山西省工业设备安装集团有限公司 山西太原 030032
摘要：变压器作为电力系统重要的一次设备之一，其工作状态的稳定性，对整个电网安全可靠运行具有重要的作用。传统的变压器监测技术主要有三点缺陷：诊断故障不全面、监测信号不兼容、监测故障抽象不够细化，同时需要辅助非智能化功能实现，如人工巡回检视、定期读表采集数据等，这样大大降低了系统的智能化程度，限制了在线监测系统的应用。
关键词：变压器；监测系统；故障诊断；智能化
1.引言
传统变压器的在线监测系统都是以油中溶解气体油色谱监测为主，辅助非智能化功能，人工操作依然占不小的比例，使得监测系统的实时性和可靠性相应降低。同时，传统监测系统的监测故障类型比较抽象，大都诊断为过热故障和放电性故障两大类，无法具体细化，在监测系统发出故障报警信号后，电力维护人员还必须进行一定的人工排查，确定准确的故障类型、故障部位和故障原因。大大降低了监测系统的智能化程度。
2.变压器监测系统种类的确定方法及其组成
（1）根据相关统计资料显示，在变压器故障类型方面，过热性故障占62%；高能量放电故障占17%；过热兼高能量放电故障占11%；火花放电占8%；受潮或局部放电故障占2%。在变压器故障部位方面，有载调压占40%，绕组线圈故障占30%。套管故障占14%，油箱和铁芯故障分别占6%和5%，其他辅助故障占5%。根据不同故障类型比例和主要故障类型，为了缩小诊断故障的范围，安装温度监测系统以监测过热性故障，安装振动监测系统以监测有载调压开关（OTLC）和铁芯绕组机械性故障，安装接地电流在线监测系统以监测铁芯多点接地故障，安装局部放电监测系统以确定局部放电故障。
3.各子系统所反映的故障种类
（1）油中溶解气体色谱监测系统
过热性故障：变压器内部过热情况下，大量的热量会使变压器油及部分固定绝缘材料变质氧化，释放出气体。主要引发原因包括变压器过载导致过热故障、变压器突发短路导致过热性故障。
变压器过载：变压器过载时绕组电流超过额定值，散热效率不足的情况下，绕组高温会导致绝缘油分解产生气体。
放电故障：变压器内部发生放电故障时，绝缘油或局部固体绝缘会受到腐蚀，介质损耗增大，释放出相应的故障气体。
（2）变压器温度在线监测系统
过热性故障：变压器内部绝缘油及外壳温度可直接由温度监测子系统进行检测，实时对各种原因引起的过热性故障进行诊断。
（3）局部放电在线监测系统
放电性故障：包括局部放电、火花放电、电弧放电等各种放电故障。
（4）接地电流在线监测系统
铁芯多点接地故障：接地电流在线监测系统针对性较强，主要监测变压器铁芯与地之间流过的电流。
（5）振动在线监测系统
有载分接开关机械性故障：振动监测系统可以根据有载开关动作过程中的所检测到的振动情况，进行频谱分析，根据分析结果对有载开关工作状态进行判断，继而监测设备故障。
铁芯及绕组机械故障：铁芯或绕组发生机械性故障时，比如压紧问题、位移故障、绕组变形时，变压器会发生特定频谱的机械振动，振动在线监测系统可以对该类型故障进行监测。
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4.各子系统的工作原理及主要参数
4.1油中溶解气体色谱在线监测子系统
变压器油中气体在线取气方法和气体量监测传感器是油色谱在线监测系统的关键环节。目前，主要的变压器在线取气方法有薄膜透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法等；气体采集传感器主要有靶栅场效应管型、催化燃烧型、热导检测型、半导体气敏型、红外光谱型和光谱声光型。
各种取气方法中，应用最多的是薄膜透气法。常规聚四氟乙烯膜可以渗透6种气体。美国GE能源公司使用聚四氟乙烯和氟化乙丙烯材料制造出HYDRAN系列传感器。HYDRAN系列传感器可直接安装在变压器本体阀上，通过传感器内部的高分子膜，选择性的透过特征气体，同传感器内部的燃料电池发生电化学反应，输出的电信号经整流放大和温度补偿后，以气体积分数数值（ppm）的形式进行输出。主要通过检测读数偏离基线的速度，预测变压器的故障。传感器属于无源设备，整组坚固性比较高，正常使用情况下寿命可达15年以上。
技术参数：
（1）响应对象：氢气、一氧化碳、乙炔、乙烯、油中相对湿度（%）；
（2）性能原理：利用气体渗透薄膜与可燃气体检测器对气体进行检测；利用薄膜电容性传感器对水分进行检测；
（3）测量范围：水分：0—100%湿度；气体：0—2000（ppm）；
（4）气体相对灵敏度：氢气：含量的100%；一氧化碳：含量的18±3%；乙炔：含量的8±2%；乙烯：含量的1.5%±0.5%；
（5）精度（环境温度35℃）：气体：读数±10%，±25%ppm‘水分：±2相对湿度；
（6）响应时间：水分：5分钟传感器响应（阶跃变化的90%）；气体：10分钟传感器响应（阶跃变化的90%）；
（7）输出信号：4-20mA输出；500欧最大负载；
（8）其他参数：电源：通用80-260V交流，50-60Hz，最大350VA；
油色谱在线监测系统通过在变压器本体阀门上安装HYDRAN-M2传感器实现气体含量的分离式计算，所采集和读入的数据通过RS232通信协议与上位机进行交互，实现变压器油中气体的在线监测。
4.2 油中微水在线监测系统
绝缘油中水分的存在可能会导致很多潜伏性故障的发生，比如放电过程生产的臭氧或其他氮氧化物遇到水分生成硝酸类化学物质，对绝缘材料造成腐蚀，导致绝缘性能劣化；油中水分沸腾产生气体通道从而诱发局部放电等。所以及时准确的对油中水分含量进行监测对变压器稳定安全的运行具有非常重要的意义，微水测量系统可与气体油色谱监测系统融合在同一设备中。
4.3 变压器温度在线监测系统
目前对变压器温度进行测量的方法主要有三种：电信号传感器测量、光纤测温仪测量、红外温度传感器测量。电信号传感器易受电磁信号的干扰，测量效果不理想。红外温度传感器测量灵敏度和准确度都比较高，但无法实现在线测量。光纤光栅温度在线监测仪组建变压器温度在线监测系统。参数如下：
（1）通道数：1~36路；
（2）单次扫描时间：1s；
（3）最大测点数：18个温度测量点；
（4）采样频率：单通道50Hz；
（5）分辨率：0.1℃；
（6）测量精度：±0.5℃；
（7）工作电压：AC220±10%，50Hz；
（8）数据接口：100M以太网、USB接口；RS232通信协议；
利用光纤测温仪可以实现对变压器多点温度的同时测量，并且误差不超过0.5℃，输出数据为实际测量的温度，以摄氏度为单位。
4.4 UHF局部放电在线监测系统
UHF超高频检测法的测量范围为300~3000MHz，通过监测变压器内部局部产生的超高频电信号实现局部故障的检测。UHF传感器分为两种，内部电容式探头和外部天线接收器。内部探头式传感器容易收到电磁信号的影响，虽然对外部干扰屏蔽效果比较好，灵敏度高，但是可能引起变压器内部电场变化，安装改造工作也比较复杂。
4.5 接地电流在线监测系统
变压器工作期间，铁芯附近会产生交变磁场，交变磁场使铁芯带电绕组收到寄生电容的耦合作用，产生一个对地的悬浮电位。过高的悬浮电位会导致变压器各组件之间绝缘层击穿，发生局部放电故障。为预防这种问题的发生，一般将工作中的变压器铁芯通过外壳与大地相连接，释放多余电能，但同时仅允许一点接地，如果有两点或者以上同时接地，则铁芯将通过接地的两个点与大地之间形成回路，流通的接地电流可能达到几十安培。
4.6 振动在线监测系统
电力变压器油箱表面振动与内部变压器绕组、铁芯工作情况、以及有载分接开关工作情况关系密切。振动监测常采用压电式加速传感器，通过非侵入式方法安装在变压器铁壳外，频率从几赫兹到几万赫兹，最高80KHz。加速度传感器不仅是整个测量系统的一个环节，还与后续电子线路密切相关。不同的后续处理电路的输出类型也不相同，有的是将机械量的变化转为电阻、电感等电气参数量的变化。
5.总结
本文针对变压器可能发生的故障类型，确定了综合性智能监测系统的子系统类型。对各个子系统的工作原理和主要参数进行了详细的介绍，并介绍如何利用不同监测系统进行配合诊断的方法，从而提高在线监测系统诊断的准确性。
论文作者:张利雄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/2/28
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