电力变压器状态在线监测技术

摘 要：文章主要阐述油浸式的电压绝缘器中检测技术的发展现状以及今后的发展趋势，而且对油中溶解气体以及局部放电在线监测的技术以及原理进行具体分析。提出一项电力变压器绝缘故障诊断以及绝缘监测的思路。以在线油色谱的分析仪为基础，分别检测六种故障产生气体的含量以及产气效率，从而更好的实现故障的局部定位。这样可以有效提高变压器故障诊断的正确性以及在线监测的准确性。

关键词：电力变压器；局部放电；在线监测；色谱分析；故障诊断

1 前言

在电力系统中，变压器非常重要，也是非常昂贵的设备。其主要实现电能的分配、电压的转化以及转移的作用。电力系统安全与否、供电性能是否可靠、运行是否经济与变压器有着直接的关系。所以，变压器的正常运行对整个电力系统而言非常重要。但是因为变压器常处于不停歇工作的状态，所以无法避免故障的产生。导致变压器出现事故的原因很多，其中包括变压器在安装、维护、检修时，没有严格按照相关要求，导致变压器存在一定的缺陷，存在严重的故障隐患；自然灾害也是导致变压器发生故障及事故的重要原因；因为变压器长期处于运行的状态，所以其组成材质逐渐劣化，为事故的发生埋下隐患，已经成为导致变压器出现故障的主要原因。因为无法避免变压器故障的出现，对其故障实现早期预测以及准确的诊断非常重要，也具有较强的实用性。所以，在线监測变压器、及时了解变压器的设备以及运行状态是电力工作人员追求的工作目标。目前，按照油中气体溶解的情况，采用气相色谱分析的方法以及预防性试验的产生结果来判断变压器的运行情况，有效的防止了变压器出现事故的几率。但是此类方法也有一定的缺陷，因例行试验需要定期执行，没有考虑到相关设备的实际运行情况，极有可能产生不必要停机以及维修过多的情况，发现缺陷的时间也不及时。如果在电压运行的状态下，试验及校验高压设备的各种情况，可以有效提高实验的灵敏性、及时性以及真实性，此为在线监测特有的优势。油化验或者预防性实验与在线监测相比，前者的实验数据较少，而后者的实验数据比较多，因此，可以很好的统计各种数据，减少因数据较少而产生的误差，提高判断设备是否出现故障的准确性。如果在预防性的试验中加入在线监测，将会在众多方面优化预防性的不足之处。将两者相互结合，有效减少变压器故障发生的可能，促使电网的高效、可靠的运行。所以，在线监测的方法使用到变压器的检测中十分必要，可以有效的避免各项事故的产生。

变压器状态监测系统构架如图1所示

目前国内外使用或研究中的变压器绝缘在线监测方法有如下几种：（1）变压器局部放电的在线监测；（2）变压器油中溶解气体的在线监测；（3）变压器铁芯多点接地的在线监测；（4）变压器过电压的在线监测；（5）变压器油中微量水分的在线监测；（6）变压器内部温度的在线监测；（7）变压器绝缘老化程度的在线监测。

在线监测油浸电力变压器的方法主要有两种，分别是在线监测局部放电以及油中溶解的气体。下面，本文将详细介绍这两种监测方法。

2 局部放电的在线监测

固体绝缘中，经常出现两种故障，分别是局部损伤与气隙故障。这两种缺陷产生的主要原因是在设备运行的过程中，因自然环境、机械应力等方面的影响，绝缘结构出现裂缝、破坏、分解以及老化等问题。除此之外，还有一些缺陷是在制造的过程中，存在未除净的问题。这一系列的缺陷都是导致变压器出现局部放电的因素。主要原因是当某些部位存在缺陷，那么其电场分布比较集中，当外部施加的电压达到一定程度以后，而电场强度没有达到足够的要求，大于该物质的游离电场强度，那么游离放电就会在此处产生，这就是局部放电。

2.1 局部放电对变压器绝缘的危害

在变压器的运行中，如果出现局部放电的现象，那么将会产生严重危害。产生破坏作用的主要因素有四方面。分别是带电微粒轰击、热力的作用、辐射线以及冲击波的作用、局部放电伴随化学物质的产生等。

如果变压器在运行时产生局部放电的现象，那么放电的位置将会出现高温，很容易导致固体出现绝缘化的现象，影响着绝缘材料以及有机物的使用寿命，还可能导致绝缘油出现劣化的现象。放电处因化学反应而产生各种气体，腐蚀着绝缘材料，破坏结缘结构，造成绝缘材料受到损伤。因此，变压器采用在线监测局部放电的故障，可以将绝缘材料的发展趋势以及绝缘情况清晰的反应出来。

2.2 变压器局部放电的测量方法

变压器局部放电的测量主要是按照生产需要而开始执行的。分析变压器被击穿的现象发现，很多原因都与局部放电有关，所以变压器在出厂之前，要对其局部放电进行测量。测量变压器的局部电压主要有电测法以及非电测法两种类型。

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。

由上述发现，变压器在线监测局部放电的方法有超声波法与脉冲电流法两种。超声波法具有较强的抗电磁性，而灵敏度能力较弱，而且铁芯电磁振动以及机构振动会产生一定的干扰。脉冲电流法具有较高的灵敏度，但是其在抗干扰的能力方面存在欠缺。

3 变压器油中溶解气体的在线监测

当前，判断变压器等设备安全隐患的方法通常采用气相色谱法。但是这种方法人工操作性较差，作业程序较为复杂，而且很难发现两次实验间的缺陷。就测量局部放电而言，采用色谱分析的方法具有较强的抗干扰能力。所以，当前全球学者对变压器油中的诊断以及在线分析非常重视。

3.1 变压器油在线监测的原理

变压器潜伏性的故障共有两类，分别是电性故障与热性故障。电性故障主要指的是局部放电以及电弧放电，热性故障指的是局部短路、铁芯与多点接触而导致局部过热。不论是何种故障方式，或者是绝缘介质出现老化现象，都将会造成绝缘介质出现劣解，并伴随多种气体产生。采用油气相色谱分析法，可以准确的定量检测劣解出来的气体，还可以反应出变压器绝缘介质的老化情况以及故障。分析溶解气体可以反应出变压器内部所潜伏的障碍，而且故障的能量与油中溶解气体有着直接的关系。

3.2 变压器油在线监测的气体检测方法

当从油中分离出气体后，有两大类方法对分离出的气体进行定量检测。

一类是利用色谱柱把不同的气体进行分离，然后用传感器检测，运用此方法可检测的气体有CO、CH4、C2H4等气体。一方面，此方法具有非常复杂的监测原理，还要定期跟换检测中的气体分离柱，后期维护工作很繁杂。另一方面，气体分离柱具有吸附气体的性质，这将会影响到整个检测系统的灵敏度，在检测时，对气体传感器的要求很高，尤其是检测C2H2所用的传感器。

另一类不需要利用色谱柱，仅需要对某种气体敏感的传感器进行检测（一般情况下为半导体的气敏元件），然后根据气体传感器的使用情况对其进行分析。运用此方法可检测的气体有：H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6。虽然这类装置对传感器的要求较高，但是系统的结构较为简单，而且后期的维护工作也较少（也需要对装置进行定期校正和调整）。

总而言之，全球都加大了对油浸电力设备采取气体色谱分析诊断的设备以及自定检测的方法的研究力度。某些研究产品已经投入到实际使用中。研究此类问题的关键是如果在运行现场中简便的脱出油中的气体以及采取何种方法测量气体的数量。

3.3 变压器油中溶解气体在线监测装置的基本功能

当前的在线监测设备都是建立在计算机与通讯的基础上，需要得到计算机与通讯的科学技术。因此在线的检测系统都拥有先进的数据处理功能、及时的报警功能及信息数据的长距离传输功能。在变压油体系中，气体进行溶解时，系统都可以显示出被测气体浓度的变化及进行信息数据的储存。同时，气体的密度达到一定界限时，能够及时的给予预警提示，向相关部门提供数据的传送，还能与专家系统进行合作斩断系统问题。

3.4 变压器中气体的勘查设备

在整个体系中，变压器是依据油循环进行勘查。一般从油箱中进行油样品的选择，然后实施脱气处理，将油样品重新传递到变压器设备中。由此可以看出取油流程、回油准确性的重要性。在系统运行中，从变压器的中间位置进行油样的提取，可以保障油样品的质量。图2为常用变压器取油阀和回油阀示意图。

图2 主变油色谱安装位置示意图

图3、4为油阀的两种标准接口，油阀球阀和油阀蝶阀：

图3 注油球阀尺寸 图4 注油蝶阀

图5为油中溶解气体的安装示意图：

图3-4 油色谱安装示意图

4 结束语

当前，检测变压器运行状况的两种主要方法是在线监测局部放电及在线分析油内溶解的气体两种方法。对于分析油中气体而言，部分学者认为只需要对2进行检测，如果出现异常，接着采取色谱分析。也有部分学者认为连续检测油中的各种气体。以上两种方法支出的成本以及产生的效益只有通过统计、分析才能得出最终的结论。目前，在线分析仪在监测多种气体成分方面有很大的进步。主要追求的目标是在运行中以最简便的方式将气体从油中脱出，采取最精确的方法检测其中气体的含量。

参考文献

[1]路长柏.电力变压器绝缘技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2]王晓莺.变压器故障与监测[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]董其国.电力变压器故障与诊断[M].北京：中国电力出版社，2001.

[4]肖登明电力设备绝缘在线诊断技术[M].上海：上海交通大学出版社，2005.

[5]严璋.高电壓绝缘技术（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2007.

[6]周泽存，等.高电压技术（第三版[M].北京：中国电力出版社，2007.

[7]操敦奎.变压器油色谱分析与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2010.

[8]张洪涛，等.大型电气设备在线监测与故障诊断技术[M].中南大学出版社，2010.

作者简介：赵悦冰（1985，12-），男，河南周口人，工程师，硕士，从事供电系统一次设备的检修与试验工作。