智能小区中变压器的异常运行与分析

崔晨耕

摘 要：针对目前智能小区不断增加，变压器在安装和投入使用后需要进行必要的维护的问题。文章从五个方面对变压器的异常运行进行了分析，给出了保证智能小区内变压器正常运行的方案，对于变压器的安全运行和小区正常供电具有重要的意义。

关键词：智能小区；变压器；异常运行；分析

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0053-03

0 引 言

在智能小区中，电力变压器在运行中一旦发生异常情况，将影响系统的正常运行以及对用户的正常供电，甚至造成大面积停电。所以，对于变压器的异常运行分析有着重要意义。

1 声音异常

1.1 正常状态下变压器的声音

变压器属静止设备，但运行中仍然会发出轻微的、连续不断的“嗡嗡”声。这种声音是运行中电气设备的一种特有现象，一般称为“噪声”。产生这种噪声的原因有：一是励磁电流的磁场作用使硅钢片振动；二是特性的接缝和叠层之间的电磁力作用引起的振动；三是绕组的导线之间或绕组之间的电磁力作用引起的振动；四是变压器上某些零部件引起的振动。

正常运行中，变压器发出的“嗡嗡”声是连续均匀的，如果产生的声音不均匀或有特殊响声，应视为不正常现象，判断变压器的声音是否正常，可借助于“听音棒”等工具进行。

1.2 声音异常

变压器运行中的声音异常情况一般有以下几种：

1.2.1 变压器的声音比平时增大

若变压器的声音比平时增大，且声音均匀，可能的原因：一是电网发生过电压。当电网发生单相接地或产生谐振过电压时，都会使变压器的声音增大。出现这种情况时，可结合电压、电流表计的指示进行综合判断；二是变压器过负荷。变压器过负荷时会使其声音增大，尤其是在满负荷的情况下突然有大的动力设备投入，将会使变压器发出沉重的“嗡嗡”声。

1.2.2 变压器有杂音

若变压器的声音比正常时增大且有明显的杂音，但电流、电压无明显异常时，则可能是内部夹件或压紧铁心的螺栓松动，使得硅钢片振动增大所造成的。

1.2.3 变压器有放电声

若变压器内部或表面发生局部放电，声音中就会夹杂有“噼啪”的放电声。发生这种情况时，若在夜间或阴雨天气下，看到变压器套管附近有蓝色的电晕或火花，则说明瓷件污秽严重或设备线夹接触不良，若变压器的内部放电，则是不接地的部件静电放电，或是分接开关接触不良放电，这时应将变压器作进一步检测或停用。

1.2.4 变压器有水沸腾声

若变压器的声音中夹杂有水沸腾声且温度急剧变化，油位升高，则应判断为变压器绕组发生短路故障，或分接开关因接触不良引起严重过热，这时应立即停用变压器进行检查。

1.2.5 变压器有爆裂声

若变压器的声音中夹杂有不均匀的爆裂声，则是变压器内部或表面绝缘击穿，此时应立即将变压器停用检查。

1.2.6 变压器有撞击声和摩擦声

若变压器的声音中夹杂有连续的、有规律的撞击声和摩擦声，则可能是变压器外部某些零件如表计、电缆、油管等，因变压器振动造成撞击或摩擦，或外来高次谐波源所造成，应根据情况予以处理。

2 油温异常

运行中的变压器内部的铁损和铜损转化为热量，热量向四周介质扩散。当发热与散热达到平衡状态时，变压器各部分的温度趋于稳定。铁损是基本不变的，而铜损随负荷变化。顶层油温表指示的是变压器顶层的油温，温升是指顶层油温与周围空气温度的差值。运行中要以监视顶层油温为准，温升是参考数字（目前对绕组热点温度还没有能直接监视的条件）。

变压器的绝缘耐热等级为A级时，绕组绝缘极限温度为105 ℃，对于强油循环绕组绝缘极限温度为105 ℃，对于强油循环的变压器，根据国际电工委员会推荐的计算方法：变压器在额定负载下运行，绕组平均温升为65 ℃，通常最热点温升比油平均温升约高13 ℃，即65+13=78（℃），如果变压器在额定负载和冷却介质温度为+20 ℃条件下连续运行，则绕组最热点温度为98 ℃，其绝缘老化率等于1（即老化寿命为20年）。因此，为了保证绝缘不过早老化，运行人员应加强对变压器顶层油温的监视，按规定应控制在85 ℃以下。

若发现在同样正常条件下，油温比平时高出10 ℃以上，或负载不变而温度不断上升（冷却装置运行正常），则可认为变压器内部出现异常。

导致温度异常的原因有以下几种：

（1）内部故障引起温度异常。变压器内部故障如绕组之间或层间短路，绕组对周围放电，内部引线接头发热；铁心多点接地使涡流增大过热；零序不平衡电流等漏磁通形成回路而发热等因素都可引起变压器温度异常。发生这些情况，还将伴随着气体或差动保护动作。故障严重时，还可能使防爆管或压力释放阀喷油，这时变压器应停用检查。

（2）冷却器运行不正常引起温度异常。冷却器运行不正常或发生故障，如潜油泵停运、风扇损坏、散热器管道积垢冷却效果不良、散热器阀门没有打开或散热器堵塞等因素引起温度升高。应对冷却系统进行维护或冲洗，提高冷却效果。

3 油位异常

变压器储油柜的油位表，一般标有-30 ℃，+20 ℃，+40 ℃三条线，他们是指变压器使用地点在最低温度和最高温度时对应的油面，并注明温度。根据这三个标志可以判断是否需要加油或放油。运行中变压器温度的变化会使油的体积发生变化。从而引起油位的上下位移。常见的油位异常有假油位和油面过低。

如变压器温度变化正常，而变压器油标管内的油位变化不正常或不变，则说明是假油位。运行中出现假油位的原因有：

（1）油标管堵塞；

（2）油枕呼吸器堵塞；

（3）防爆管通气孔堵塞；

（4）变压器油枕存有一定数量的空气；

一般情况下，油面过低应视为异常。因其低到一定限度时，会造成轻瓦斯保护动作；严重缺油时，变压器内部绕组暴露会导致绝缘下降，甚至造成因绝缘散热不良而引起损坏事故。处于备用的变压器如严重缺油，也会吸潮而使其绝缘降低。造成变压器油面过低或严重缺油的原因有以下几种：

（1）变压器严重渗油；

（2）修试人员因工作需要多次放油后未做补充；

（3）气温过低且油量不足，或油枕容积偏小，不能满足运行要求。

4 变压器外观异常

变压器运行中，外观异常有下列几种原因：

4.1 防爆管防爆膜破裂

防爆管防爆膜破裂，会引起水和潮气进入变压器内，导致绝缘油乳化及变压器的绝缘强度降低。原因如下：

（1）防爆膜材质与玻璃选择处理不当。当材质未经压力试验验证或玻璃未经退火处理时，受到自身内应力的不均匀时会导致裂面。

（2）防爆膜及法兰加工不精密不平整，装置结构不合理，检修人员安装防爆膜时工艺不符要求，紧固螺丝受力不均，接触面无弹性等所造成。

（3）呼吸器堵塞或抽真空充氮时不慎，受压力而破损。

4.2 压力释放阀的异常

目前，大中型变压器已大多应用压力释放阀（下称“释放器”）代替老式的防爆管装置，因为一般老式的防爆管油枕只能起到半密封作用，而不能起到全密封作用。当变压器油超过一定标准时，释放器便开始动作进行溢油或喷油，从而减小油压，保护了油箱。如果变压器油量过多、气温又高而造成非内部故障的溢油现象，溢出过多的油后释放器会自动复位，仍起到密封的作用。释放器备有信号报警以便运行人员迅速发现异常并进行查处。

4.3 套管闪络放电

套管闪络放电会造成发热，导致绝缘老化受损甚至引起爆炸。常见原因如下：

（1）套管表面过脏，如粉尘、污秽等。在阴雨天就会发生套管表面绝缘强度降低，容易发生闪络事故，若套管表面不光洁，在运行中电场不均匀会发生放电现象。

（2）高压套管制造不良，末屏接地焊接不良形成绝缘损坏，或接地末屏出线的瓷瓶心轴与接地螺套不同心、接触不良或末屏不接地，也有可能导致电位提高而逐步损坏。

（3）当系统内部或外部过电压时，套管内由于存在隐患而导致击穿。

4.4 渗油和漏油

渗漏油是变压器的常见缺陷，常见的具体部位及原因有：

（1）阀门系统：蝶阀胶垫材质、安装不良，放油阀精度不高、螺纹处渗漏。

（2）胶垫接线桩头、高压套管基座、电流互感器出线桩头、胶垫不密封、无弹性、渗漏。一般胶垫压缩应保持在2/3，有一定的弹性。随运行时间的增长，温度过高、振动等原因造成老化龟裂、失去弹性或本身材质不符要求，位置不对称、偏心。

（3）绝缘子破裂渗漏油。

（4）设计制造不良。高压套管升高座法兰、油箱外表、油箱底盘大法兰等焊接处，因制造和加工粗糙形成渗漏油。

5 颜色、气味异常

变压器的许多故障常伴有过热现象，使得某些部件或局部过热，因而引起一些有关部件的颜色变化或产生特殊气味。

一般引线、线卡处过热都会引起异常。套管接线端部紧固部分松动，或引线头线鼻子等接触面发生严重氧化，使接触处过热，颜色变暗失去光泽，表面镀层也遭到破坏。连接接头部分一般温度不宜超过70 ℃，可用示温蜡片检查，一般黄色熔化为60 ℃，绿色70 ℃，红色80 ℃，也可用红外线测温仪测量。温度很高时还会散发出焦臭味。

套管、绝缘子有污秽或损伤严重时会发生放电、闪络并产生一种特殊的臭氧味。

呼吸器硅胶一般正常干燥时为蓝色，其作用为吸附空气中进入油枕胶袋、隔膜中的潮气，以免变压器受潮。当硅胶由蓝色变为粉红色，则表明受潮而且硅胶已失效，一般粉红色部分超过2/3时，应予更换。硅胶变色过快的原因主要有：

（1）长期天气阴雨、空气湿度较大，吸湿变色过快；

（2）呼吸器容量过小，如采用0.51 kg的呼吸器，变色过快是常见现象，应更换较大容量的呼吸器；

（3）硅胶玻璃罩罐有裂纹破损；

（4）呼吸器下部油封罩内无油或油位太低起不到良好油封作用，使湿空气未经油封过滤而直接进入硅胶罐内；

（5）呼吸器安装不良，如胶垫龟裂不合格，螺丝松动安装不密封而受潮。

附件电源线或二次线的老化损伤，则会造成短路，从而产生异常气味。

另外，冷却器中电机短路、分控制箱内接触器、热继电器过热等烧损，也会产生焦臭味。

6 结 语

综上所述，在智能小区中，物业管理人员一定要密切关注变压器的运行情况。一旦出现异常，务必及时查明原因，解决故障，确保小区内的正常供电。

参 考 文 献

[1] 刘洋.变压器异常运行和常见故障现象原因分析[J].华中电力，2004（5）：79-80，83.

[2] 吴森.变压器运行中的常见故障及原因分析[J]. 黑龙江科技信息，2010（30）：80.

[3] 赵国华，郭红伟，付杰.变压器异常运行和常见故障的原因与分析[J]. 民营科技， 2009（9）：50.

[4] 王喜廷，黄兰凤.引起变压器直流电阻三相不平衡的原因分析及故障判断[J]. 黑龙江科技信息，2007（23）：11.

[5] 张艳玲.变压器异常运行和常见故障分析[J]. 黑龙江科技信息，2009（1）：55

[6] 宫战国，王伯韬.浅谈变压器异常运行及常见故障[J].中外企业家，2010（12）：106-107.

[7] 刘增良.电气设备及运行维护[M].北京：中国电力出版社，2009.

0 引 言

道路上的井盖遍及城市各地，由于人为偷盗或者长期磨损导致井盖丢失、塌陷，对过往车辆和行人造成危险。针对井盖监控手段欠缺，目前以人防、物防为主，急需设计一种技术防范的安全监管系统。近几年随着无线传感网络的发展，利用无线传感网络设计安防领域已成为热点[1-2]。由于井盖之间距离较近，结合ZigBee短距离通信技术[3]，设计一种基于井盖安全监控系统的嵌入式网关，网关接收来自无线传感网络协调器的数据，处理、存储后通过GPRS网络传输到公共网络中。

1 井盖监控系统的工作原理

本文的井盖监控系统的工作原理图如图1所示，其系统组成为包含井盖报警器的ZigBee网络、嵌入式网关、GPRS短信模块、Web服务器。井盖报警器之间采用ZigBee无线通信技术，每个报警器作为ZigBee网络中的节点，通过固定的组网方式形成无线传感网络。报警器以接力的方式将数据传到ZigBee网络的协调器节点，协调器节点负责接收所有网络中的报警器节点信息。嵌入式网关通过串口1获得ZigBee无线传感网络中的报警器数据，将数据通过数据库存储并处理，将必须的信号发送给GPRS模块，GPRS电路将其转发到具有固定IP地址的Web数据库服务器中，实现报警数据的上传。市政设施管理处以及自来水厂等政府机构可以通过网络查询自己单位的井盖状态，是否需要维护，并记录，同时发送短信给检修人员，实现及时维修和处理。

图1 井盖监控系统工作原理

2 系统网关的硬件设计

本系统的网关硬件组成框图如图2所示，该网关包含三星公司的微处理器S3C6410、存储模块、JTAG接口、LCD显示接口、GPRS模块等。

图2 网关硬件框图

2.1 处理器

系统采用三星公司的S3C6410微处理器作为网关硬件电路，S3C6410采用ARM11的内核架构，采用8级流水线与数据地址总线分离的哈佛结构[4-5]。包含多种硬件外设，支持NOR-FLASH，NAND-FLASH，OneNAND，CF，ROM等多种存储器端口，增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。是一种高性能的32位RISC处理器，可以稳定运行在667 MHz主频以上。主要应用于嵌入式设备、消费类电子、工业控制、车载导航、行业PDA等电子产品。

2.2 存储模块

网关的数据都放在存储模块中，S3C6410的平台包含NAND FLASH，NOR FLASH和SD卡三种。NAND FLASH采用三星公司的K9F1G08U0型号，大小为128 MB，存放bootloader、启动参数、内核、根文件等，网关设计采用从NAND FLASH启动，选择德国DENX软件中心开发的U-Boot作为bootloader进行引导。NOR FLASH采用低电压供电且具有低功耗模式的S29AL08D芯片，大小为8 MB，3 V供电。S3C6410提供SD卡接口，可以外接SD卡，支持从SD卡启动。

2.3 JTAG接口

S3C6410可使用简易JTAG电路对FLASH进行在线编程，通过标准20针接口同宿主机相连接，实现FLASH的擦除和编程。

2.4 GPRS模块

GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A，工作频段支持EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可以使用包含CS-4等多种编码格式，内置TCP/IP协议，采用SPI接口，同微处理器S3C6410的串口0相连。

2.5 LCD显示接口

LCD选用7寸真彩色宽屏AT070TN92，外带7寸电阻触摸屏，分辨率800×480， 支持LVDS接口。

3 网关平台的搭建

S3C6410微处理器采用移植性较强的Linux操作系统，能够固化在容量小的嵌入式设备，系统内核选用2.6.38.8，搭建网关开发平台主要包含三个部分：引导程序、内核、系统文件[6-7]。编译环境选择交叉编译，选择VMware虚拟机，交叉编译器选用arm-linux-gcc-3.41，实现在Windows操作系统下编译嵌入式Linux系统执行的文件。

引导程序主要负责加载操作系统，实现硬件的初始化，建立设备的内存映射表。加载方式采用将BootLoader搬移到SDRAM中进行执行，比直接在FLASH中运行速率快。采用开源的U-boot作为BootLoader，针对S3C6410硬件修改体系结构相应代码实现移植。

内核部分主要针对需要进行内核裁剪和添加，获取标准的Linux内核2.6.38.8版本，配置Kconfig文件，产生.config文件，通过编译内核生成内核镜像文件zImage。将GPRS模块驱动和LCD驱动编译生成动态文件，采用insmod方式加载到内核。

系统文件主要制作Linux系统的根文件系统，Linux所有设备都是以文件形式存在，选择常用的cramfs文件系统，启动内核需要根文件系统来挂载。下载Busybox工具进行配置，利用mkcramfs制作文件系统的镜像。

4 网关的软件设计

井盖监控系统的网关设计软件工作流程如图3所示，包含三个处理事件：串口、数据库和QT界面设置。

串口处理需要通过启动进程实现，本系统需要接收ZigBee网络传输的数据，网关和ZigBee网络的协调器通过串口1连接，网关启动一个进程接收ZigBee网络的节点数据，包括节点地址和采集的传感器参数。当有数据传输过来时，按照节点ID将数据存储在SQlite3数据库中。

数据库采用SQlite3的小型嵌入式数据库，占用250 KB空间大小，支持数据库达到2 TB。网关启动后在相应路径建立数据库，同时建立数据库表项，包含节点ID和节点地址以及传感器采集的井盖状态信息等。

应用程序界面采用QT Creater设计，基于C++进行开发的应用程序框架。设计良好的UI界面，通过按键的触发调用数据库和串口提供的API接口函数，显示出各个井盖模块的安全状态。后台运行串口服务程序和数据库，QT通过动态库的方式调用相关数据。

图3 网关工作流程图

5 实验分析

针对井盖分布状况，进行无障碍距离测试，实验以丢包率进行测试。每隔5 s从无线传感网络节点发送数据到网关，网关收到数据后分析并记录。测试范围在130 m以内，10 m为间隔，在每个距离点上发送300组数据，实验结果如图4所示。实验结果表明，节点距离在60 m范围内丢包率为0，数据稳定传输，合理安置井盖节点报警器可以满足系统的应用要求。

图4 网关系统丢包率测试

6 结 语

系统采用低功耗ARM11的S3C6410的处理器设计井盖安全报警系统，结合ZigBee无线传感网络布控井盖报警器，通过GPRS网络将数据传送给远程监控系统，达到实时监控的效果。该网关可扩展接口较丰富，将井盖安全状态信息通过串口接收，发送控制命令给无线传感网络的协调器。基于QT开发了友好的应用界面，可以实时查询井盖状态，并对历史数据进行存储。该网关功能丰富，可扩展性较强，具有低功耗、高通信效率的特点，可广泛应用与井盖安全监控领域。

参 考 文 献

[1]于海斌，曾鹏. 智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006.

[2]李长锋，滕国库，常闯.基于ZigBee的无线传感网络网关的设计[J].计算机与数字工程，2011，39（7）：150-153.

[3]郑灵翔. 嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4]张晓林，崔迎炜. 嵌入式系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5]欧明，魏臻. S3C2410在ZigBee无线通信中的应用[J].科学技术与工程，2007（7）：4308-4310.

[6]崔光照，陈富强，张海霞.基于ARM9 的无线传感器网络网关节点设计[J].电子技术应用，2008，34（11）：115-118.

[7]匡兴红，邵惠鹤.无线传感器网络网关研究[J].计算机工程，2007，33（ 6）： 228-230.