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变压器在线监测设计研究
摘要
随着国民经济和电力系统的发展，对电力系统安全可靠运行的要求不断提高，电力系统在线状态监测已经成为重要的科学研究和工程应用方向。
电力设备在线状态监测可以实时监测电力设备在实际运行状况下的健康状况，为系统的安全稳定运行提供保证；它作为综合自动化的补充和发展，能够使变电站实现真正意义上的无人值守；同时它还可为电力设备的状态检修提供依据，是实现状态检修的前提和重要组成部分。
本文主要研究变压器在线监测的相关方法，并在文中给出分析。
变压器是电网中比较昂贵且重要的电气设备，其安全运行对于保证电网安全可靠运行意义重大，通过变压器在线的研究，以便根据实际情况选择相应的方法。
本文根据变压器的各种机械和电气特性，对变压器局部放电的在线监测、变压器油的在线监测、变压器铁芯多点接地的在线监测、变压器过电压的在线监测、变压器油中微量水分的在线监测、变压器绝缘老化程度的在线监测技术进行介绍。
关键词：
变压器；在线监测；油中溶解气体；过电压绝缘老化；铁心；多点接地；局部放电
Abstract
Withthedevelopmentofthenationaleconomyandpowersystem,safeandreliableoperationofthepowersystemrequirementscontinuetoincrease,thepowerlineconditionmonitoringsystemhasbecomeanimportantdirectionofscientificresearchandengineeringapplications.PowerEquipmentOnlineconditionmonitoringreal-timemonitoringofpowerequipmentinthehealthstatusunderactualoperatingconditions,provideaguaranteeforthesafeandstableoperationofthesystem;itisasintegratedautomationsupplementanddevelopment,enablingunattendedsubstationinthetruesense;atthesametimeitmayalsobeacondition-basedmaintenanceofelectricalequipmentprovidethebasisforachievingthestatusofmaintenanceofpremisesandanimportantpart.Thispaperstudiesthecorrelationmethodoftransformeron-linemonitoringandanalysisaregiveninthetext.Gridtransformerisrelativelyexpensiveandimportantelectricalequipment,thesafeoperationofthepowergridtoensuresafeandreliableoperationofgreatsignificance,throughtransformeronlineresearchinordertoselecttheappropriatemethodbasedontheactualsituation.
Accordingtoavarietyofmechanicalandelectricalcharacteristicsofthetransformeron-linemonitoringoftransformerpartialdischargeoftransformeroilon-linemonitoring,transformercoremulti-pointgroundinglinemonitoring,over-voltagetransformeron-linemonitoringoftransformeroilon-linemonitoringoftracewaterinsulationtransformeraginglinemonitoringtechniquesareintroduced.
KeyWords：
Transformer；on-linemonitoring；oildissolvedgases；overvoltage
insulationaging；core；multi-pointgrounding；partialdischarge
第1章概述
1.1研究背景
电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，常被视为电网的“心脏”，它的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。
电力变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地，否则铁芯对地会产生悬浮电压或铁芯多点接地而产生发热故障，严重威胁变压器及电网的安全。
在大型高压电气设备电力变压器中，由于铁芯接地故障及其它异常情况，绝缘油中会产生多种气体。
电力部门惯用的检测手段是检测溶解在绝缘油中的故障气体，以及对设备的绝缘油采样后进行气体色谱分析和用钳形电流表测变压器铁芯外引接地套管的接地下引线的电流，以便尽快地发现潜伏性故障，是保证大型电力变压器安全运行和正常维护的主要手段。
由此可见变压器的在线监测显得尤为重要。
1.2研究方法
目前国外使用或研究中的变压器绝缘在线监测方法有如下几种：
一、变压器局部放电的在线监测
二、变压器油的在线监测
三、变压器铁芯多点接地的在线监测
四、变压器过电压的在线监测
五、变压器油中微量水分的在线监测
六、变压器绝缘老化程度的在线监测
目前国外都认为，对油浸电力变压器比较有效的在线监测方法，主要为油的在线监测和局部放电的在线监测。
第2章局部放电的在线监测
在固体绝缘中常常存在着局部损伤或气隙，在液体绝缘中常常存在着气泡。
这些缺陷中，有些是在各种运行因素（电场温度变化、机械应力、受潮等）长期作用下，绝缘结构老化、分解、破坏、裂缝过程中产生的，有些是制造过程中未去净的，这些缺陷是引起变压器局部放电的主要原因。
因为在有缺陷的部位电场分布比其它地方集中，当外施加电压升高到一定程度时，这些部位的场强达到足够大，超过了该处物质的游离场强时，该处物质就产生游离放电，称为局部放电。
2.1局部放电对变压器绝缘的危害
局部放电给变压器绝缘带来极大的危害。
造成破坏作用的因数有：
热力作用、带电微粒的轰击、局部放电时产生的化学活性物的作用以及冲击波和辐射线的作用等。
变压器发生局部放电时，放电处会产生高温，高温易使固体绝缘老化，对有机物和合成绝缘材料的寿命影响很大，高温还会使绝缘油劣化。
放电处还会发生化学反应，产生臭氧和氧化氮等气体，这些气体对绝缘材料起腐蚀作用，破坏绝缘的分子结构，使绝缘遭受损伤。
因此局部放电试验已被列为大型变压器的出厂试验项目，在线监测变压器部局部放电信号能及时反映其绝缘状况和发展趋势。
2.2变压器局部放电的测量方法
测量变压器的局部放电是根据生产的需要进行的。
对很多运行中被击穿的变压器进行解剖分析，发现有不少原因与局部放电有关，因此对高压变压器出厂前及运行中安全检查时都需要进行局部放电测量。
变压器局部放电的测量方法可归纳为两大类，一是非电测法，二是电测法。
非电测法是利用局部放电产生的各种非电信息来测定局部放电的方法，主要有；
（1）超声波法；
（2）测光法；（3）测分解或生成物法。
电测法是根据局部放电产生的各种信息来测量的方法，主要有：
（1）脉冲电流法；
（2）无线电干扰法；（3）放电能量法。
在上述方法中，能用于在线监测的局部放电的测量方法有两种，脉冲电流法和超声波法。
脉冲电流法能测量小至几个微微库的局部放电量。
灵敏度很高。
但抗干扰能力差。
超声波法是通过安装在变压器油箱上的超声波传声器检测局部放电造成的超声压力波，其抗电磁干扰性能好。
采用几个超声波传感器后还能对放电定位。
但由于超声波在设备部的绝缘中的吸收和散射，灵敏度不如脉冲电流法高。
并且机构振动（如风砂、雨滴敲击设备处壳）、铁芯电磁振动等也会造成干扰。
下面着重讨论脉冲电流法,它是将被试品两端的电压突变转化为检测回路的脉冲电流。
根据脉冲电流，即可推算出视在放电量。
所谓视在放电量，是指局部放电时，试品两端的电压变化量为ΔV时，如果在试品Cx的两端注入一定的电荷量，使之与试品产生的局部放电有相同的变化量，这时注入的电荷量，即为局部放电的视在放。
电量qa,则qa=CxΔV0视在放电量表征局部放电的强度。
第3章变压器油中溶解气体的在线监测
几十年来，检测油中气体成分和含量的气相色谱法一直是判断变压器等充油设备潜伏性故障的重要手段。
但是其作业程序复杂，人工操作不可靠，且不易及早发现两次试验之间的故障或缺陷。
色谱分析相对于在线局部放电测量而言，
外界电磁干扰对测量的影响要小得多。
因此近年来，国外在变压器的油中气体在线分析和诊断方面进行了大量的研究工作。
3.1变压器油在线监测的原理
由于变压器的潜伏性故障分为热性故障和电性故障两大类。
热性故障指铁芯多点接触、局部短路、接点焊接不良等形成的局部过热；电性故障指电弧放电、局部放电等故障形式。
无论是热性故障还是电性故障，以及绝缘介质老化，最终都将导致绝缘介质劣解并产生各种特征气体。
油气相色谱分析方法可用来对这些劣解出来的分子气体进行分类定量检测，其目的见，因而可在一定程度上反应出变压器绝缘介质的故障或老化程度。
3.2变压器油在线监测的气体检测方法
当气体从油中分离出来以后，在现场对其进行定量检测的方法有两大类:
一类仍用色谱柱将不同气体分离开再用气体传感器进行检测，应用此原理的在线监测装置可检测的气体为:
H2,CO,CH4,C2H2,C2H4,C2H6。
这类系统的监测原
理比较复杂，对气体分离柱需定期更换，维护工作量大。
由于存在气体分离柱本身吸附气体的作用，会影响整个系统的检测灵敏度，对气体传感器的要求较高，特别是检测C2H2的传感器。
另一类不用色谱柱，直接用对某种气体敏感的传感器（一般为半导体气敏元件）进行检测，根据使用气体传感器的情况，应用此原理的在线监测装置可分别检测的气体为:
H2,CO,CH4,C2H2,C2H4,C2H6。
此类装置尽管提高了对传感器的要求，但系统结构相对简单，维护工作量不大（仅需定期对装置进行部分调校）。
例如目前已应用较成熟的检测氢气的在线监测装置（加拿大的HY-DARN201型）和可检测六种油中溶解气体的在线监测装置（我国的SPJC一IV型）。
总之，国外近年来都在研究对运行中的油浸电力设备进行气体色谱分析的自动检测及诊断的仪器，其中有些产品已开始应用，有的还在继续研究之中。
关键问题是在现场如何简便地实现从油中脱出气体，以及测量出各气体数量的合适方法。
3.3变压器油中溶解气体在线监测装置的基本功能
现在的在线监测装置都离不开计算机技术和通讯传输技术，所以在线监测装置都具有很好的数据处理、灵活的报警设置以及数据远传功能。
变压器油中溶解气体在线监测装置一般具有被检测气体浓度值的连续显示和存储功能，被检测气体的变化趋势显示功能，气体浓度超标报警值设置功能，具备向专业管理部门进行数据远传功能，以及结合模糊诊断程序（或专家系统）使其具备诊定故障类型的功能。
油中溶解气体在线分析和局部放电的在线监测和定位是监测变压器工况的两种最有效的方法。
对于油中气体分析，有人认为只需对H2进行监测，一旦发现异常，再取油样进行色谱分析；也有人主应对油中各种气体成分进行连续检测。
当然，两者的费用和产生的效益需要大量的比较统计才能得出结论。
目前油中多种气体成分的在线分析仪在性能上有很大的提高。
主要的目标是在现场如何更方便地从油中脱出气体和如何更准确地检测其含量。
与变压器绝缘的其它在线监测方法相比，局部放电在线监测反应缺陷的实时性好、灵敏度高，而且可进行故障定位。
随着传感器技术、神经网络理论、数字信号处理技术等相关领域的迅速发展和应用，对变压器局部放电在线监测难题的解决会有很大的促进作用，局部放电在线监测会发挥越来越大的作用。
第4章变压器铁芯多点接地的在线监测
变压器铁芯多点接地，是变压器较常见故障之一，据蒙电力公司2001年统计，铁芯接地故障占变压器故障42%的比例，这类故障轻者造成铁芯局部过热，重者造成铁芯局部烧损。
由于发生多点接地时故障点的位置不同，对查找和处理都有一定的难度。
4.1铁芯多点接地故障的危害
变压器正常运行时，是不允许铁芯多点接地的。
因为变压器正常运行中，绕组周围存在着交变的磁场，由于电磁感应的作用，高压绕组与低压绕组之间，低压绕组与铁芯之间，铁芯与外壳之间都存在着寄生电容，带电绕组将通过寄生电容的耦合作用，使铁芯对地产生悬浮点位。
由于铁芯及其他金属构件与绕组的距离不相等，使各构件之间存在着电位差，当两点之间的电位差达到能够击穿其间的绝缘时，便产生火花放电。
这种放电是断续的，长期下去对变压器油和固体绝缘都有不良影响，为了消除这种现象，把铁芯与外壳可靠地连接起来，使它与外壳等电位，但当铁芯或其他金属构件有两点或多点接地时，接地点就会形成闭合回路，造成环流，引起局部过热，导致油分解，绝缘性能下降，严重时，会使铁芯硅钢片烧坏，造成主变重大事故。
4.1.1铁芯接地故障原因
（1）安装时疏忽使铁芯碰壳，碰夹件。
（2）穿芯螺栓钢座套过长与硅钢片短接。
（3）铁芯绝缘受潮或损坏，导致铁芯高阻多点接地。
（4）潜油泵轴承磨损，产生金属粉末，形成桥路，造成箱底与铁轭多点接地。
（5）接地片因加工工艺和设计不良造成短路。
（6）由于附件引起的多点接地。
（7）由遗落在主变的金属异物和铁芯工艺不良产生的毛刺、铁锈与焊渣等因素引起接地。
4.2处理方法
1、对于铁芯有外引接地线时，可在铁芯接地回路上串接电阻，以限制铁芯接地电流，此方法只能作为应急措施采用。
2、对于金属异物造成的铁芯接地故障，进行吊罩检查，可以发现问题。
3、对于由铁芯毛刺、金属粉末堆积引起的接地故障，用以下方法处理效果较明显：
（1）电容放电冲击法。
（2）交流电弧法。
（3）大电流冲击法，即采用电焊机。
4.3铁芯多点接地故障判断及处理
现以丰镇电厂#1主变为例介绍如何分析、判断和处理铁芯多点接地故障。
4.3.1丰镇电厂
#1主变压器是变压器厂生产，型号为SFP-240000/220，在1993年1月底投入使用，4月发现主变铁芯多点接地。
当时实测的环流为7.5A，万用表实测铁芯对地绝缘5kΩ，色谱分析未发现总烃超标。
根据数据分析＃1主变铁芯接地故障不很严重，决定采取临时措施，在铁芯工作接地串接一电阻将环流限制在100mA以下，同时定期对环流和串联电阻电压进行测量，加强绝缘油的色谱分析。
变压器工作接地串联一300Ω电阻后，实际测量环流为37.5mA，铁芯对地电压12V，色谱分析正常，之后一直跟踪监视故障点的产气率。
4.3.2油色谱跟踪试验分析
油色谱跟踪的数据如表所示（单位：
ppm）
测量日期
氢
一氧化碳
二氧化碳
甲烷
乙烷
乙炔
乙烯
总烃
1993.5.11
35.61
141.25
412.15
46.78
16.9
0
60.19
123.87
1993.5.17
44.51
140.58
405.30
47.01
15.52
0
57.93
120.46
1993.6.7
44.51
191.4
462.06
55.93
15.45
0
58.28
129.66
1993.6.21
43.5
271.67
724.06
58.51
19.06
0
74.03
151.6
1993.7.5
39.79
228.04
700.27
55.52
17.58
0
73.42
146.52
1993.7.21
45.83
276.25
824.62
52.98
16.35
0
73.19
142.52
1993.8.22
58.38
454.83
1109.79
47.52
19.23
0
59.1
125.85
1993.9.13
46.25
412.93
981.13
42.5
13.62
0
51.19
107.31
1993.10.9
45.69
446.88
1183.39
46.78
20
0.46
66.09
133.33
1993.11.3
32.31
481.51
959.53
46.12
16.15
0
59.79
122.06
1994.2.28
20.42
395.68
1156.36
37.43
26.45
0
55.89
119.77
1995.6.13
15.2
494.7
924.8
24.9
20.7
0.51
47.8
93.91
从1993年5月到1995年5月，总烃含量（100～150ppm）数据偏高说明变压器部有过热点，但从总烃量上看，过热点还不能说十分严重。
从多次测量铁芯电压来看，铁芯电压维持几伏，未有大的变动，说明铁芯多点接地是稳定的。
4.3.3主变吊芯检查
96年6月8日由变压器厂、蒙电科院、丰镇发电厂共同对＃１主变进行吊芯检查，在吊起C相线圈后（线圈绑带存在问题），用2500V摇表测量铁芯绝缘电阻时，发现B相低压侧下夹件磁屏蔽处有放电声，即为铁芯接地点，如拆B相下夹件磁屏蔽必须吊出B相线圈，但是根据磁屏蔽的安装结构特点，认为是金属发丝类物体造成铁芯多点接地故障。
4.3.4消除故障方法
通过以上综合分析，造成铁芯多点接地，可能是由于铁芯毛刺、焊渣或悬浮物引起的接地故障。
如果利用电焊进行大电流冲击法，现场操作不方便，点焊时间不好掌握，易造成铁芯绝缘受损。
通过比较决定用电容放电法进行处理，电容器瞬间放电产生的巨大电流将熔化或烧断残留杂物，或者电容器瞬间大冲击电流产生的电动力使残留杂物移开原来位置。
图1电容放电冲击法原理图
UC---电容电压
C-----电容50Μf
K-----开关
利用开关K合到1侧给电容充电，先充500V，充好后将开关迅速切换到2侧放电，这样多次观察铁芯放电或发热点，未发现问题再充1000V电压放电，最高允许充到3000V电压，几次放电后，铁芯接地现象消除了，测铁芯对地绝缘为2500MΩ，满足大于200MΩ的要求，测量线圈绝缘电阻、介损及漏泄电流与预试时基本相同。
经过几年的铁芯接地电流监测和预试，均无异常，说明这种处理方法取得了预期效果。
由此可见，即使不吊罩也可以采用电容放电冲击法将悬浮物烧掉，有时也会将不稳定金属冲掉，这种方法简单快捷。
当然有吊罩机会，结合滤油，采用电容放电冲击法查找并处理铁芯多点接地是非常理想的。
4.4防措施
一般在制造时认真清理部遗留的杂质，油质干净，新变压器安装时，现场应吊罩检查铁芯夹件，同时认真清理油箱，积极开展运行变压器的定期工作，发现铁芯多点接地要及时消除。
4.5结论
（1）发现铁芯多点接地故障时，可采用气相色谱法和监视接地电流来跟踪监测。
（2）可以通过直流法和交流法来判断铁芯故障点。
（3）由铁芯毛刺或浮物引起的接地故障可采用电容放电的方法，但要注意电压大小，此方法不需要对变压器进行吊罩，可减少停电时间，提高供电可靠性。
（4）在变压器安装和大修时，要注意对变压器部的清理工作，特别对铁芯槽和各间隙处要用油或氮气来冲吹清理。
第5章变压器过电压的在线监测
过电压监测系统是国自电气为电力系统各种类型过电压的监测、记录、分析而设计的专用测试系统，系统中包括了GOZ-CR系列雷电脉冲电容分压器、衰减器（缓冲器）、多通道高速动态信号测试分析仪、过电压信号调理器和GOZ-SPT暂态过电压监测分析系统专用软件、铠装阻燃特制电缆，可运行于35KV、110KV、220KV、330～500KV等电力系统，能够完成各种类型过电压的监测、记录、分析、报告输出等全套工作。
系统采用了服务器－客户机模式，可以基于网络运行，用户不需要身临现场，通过在客户端运行客户机程序，即可完成对服务器的所有控制，实时获取电网过电压监测状态，判别过电压类型，适合各类电网过电压监测要求。
电力系统变电设备随时都会受到雷击过电压及操作过电压的侵袭，当变电站处于雷雨区或出线较多时，雷击过电压会随线路入侵，当系统进行切空载线路和变压器等操作时会产生部过电压，系统出现接地故障时会产生弧光过电压。
这些过电压幅值都非常高（系统电压的2～5倍）。
当变电站保护系统配置不当或避雷器有缺陷时，雷电入侵或操作过电压暂态波形幅值会相当高，就会对一次变电设备造成危害，并且变电设备（如PT、CT变压器等）在长期运行中，由于绝缘油变质，纸绝缘受潮老化等，绝缘水平会大大降低，在较大过电压作用下，这些设备会进一步劣化，造成设备缺陷，在较高的过电压作用下会形成绝缘击穿，在工频作用下甚至可能会出现爆炸事故。
因此，这些暂态过电压对电力设备危害很大。
由于雷击及操作过电压产生的波形是一种速度很快的过电压波，持续时间在40μs～2000μs之间，频率从几十Hz到几百KHz，目前电力系统安装的常规保护记录装置（如故障录波器等）是从电压互感器（PT）获取过电压信号，只能记录工频的过电压信息，测量精度和频率响应差，对很多高频过电压不能监测。
当设备受到暂态过电压损害后，系统没有相关的记录数据，缺少对设备损害的准确判断依据。
为了实现正确的绝缘配置，防止雷击过电压及操作过电压等暂态波形对电力运行设备的损害，或把损害程度减到最小，建立暂态过电压响应监测系统是很必要的，使工程师能够对系统过电压损害状况、避雷器保护水平及残压是否有效等情况有清晰的数据资料。
第6章变压器油中微量水分的在线监测
变压器油中微水的状态，变压器在运输、贮存、使用过程中都可能由外界进入或油自身氧化产生水，产生的水分会以下列状态存在：
一是游离水。
二是极度细微的颗粒溶于水。
三是促使绝缘纤维老化,绝缘纤维的分子是葡萄糖（C6H12O6）分子，水分进入纤维分子后降低其引力，促使其水解成低分子的物质，降低纤维机械强度和聚合度。
目前电力变压器不仅属于电力系统最重要的和最昂贵的设备之列，而且也是导致电力系统事故最多的设备之一。
变压器在发生突发性故障之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压的作用下将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。
因此，国外不仅要定期做以预防性试验为基础的预防性维护，而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷[1-4]。
变压器绝缘油中微水的含量也是确定变压器绝缘质量的参数。
变压器在线智能诊断设备能够自动采集、分析油中微水的含量并得出故障原因，提供解决方案，使用户及时解决变压器中存在的隐患，防止事故发生。
6.1变压器油中微水的状态及危害
变压器在运输、贮存、使用过程中都可能由外界进入或油自身氧化产生水,产生的水分会以下列状态存在：
一是游离水。
多为外界入侵的水分，如不搅动不易与水结合。
不影响油的击穿电压,但也不允
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