变压器匝间短路在线监测系统

刘益岑，朱璐，鄢阳，樊文芳，薛志航，何正浩∗，杨永辉，马啟潇，宋思齐

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610072；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室 (华中科技大学)，武汉 430074；3.国网电力科学研究院，武汉 430074)

变压器匝间短路在线监测系统

刘益岑1，朱璐2，鄢阳3，樊文芳2，薛志航1，何正浩2∗，杨永辉3，马啟潇1，宋思齐2

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610072；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室 (华中科技大学)，武汉 430074；3.国网电力科学研究院，武汉 430074)

介绍在确定了配电变压器匝间短路在线监测新的物理量，功率损耗增量的累积即电能损耗后，进行了变压器绕组的匝间短路的试验的方法。依据上述理论分析和实验结果，讨论了对变压器匝间短路故障进行在线监测的可能性，并综合油气量分析设计了对应的监测判断的流程，开发了一种可以用于电力局工程实际中的用来监测变压器发生匝间短路故障的在线监测系统。

配电变压器；匝间短路；在线监测；电能损耗

0 前言

电力变压器作为输变电能中使用的一种高压电气设备，具有转换电压、电流以及传输功率的作用，将关系到电力系统是否能够稳定运行，是配电网系统正常运行的关键所在[1-4]。变压器的绕组绝缘常常会遭到破坏，从而引起相间或者匝间短路故障[5-6]。一旦有匝间短路的故障出现，绕组上就会有伴随着比较大的短路电流，最终会导致发热量等各种损耗加大[7]。针对不严重的变压器匝间短路故障，若无法做到立刻发现，故障便会持续发展，最后将造成变压器烧毁，对用户产生极大影响，严重影响供电安全及供电可靠性[8-9]。

因此，对变压器的匝间短路的情况进行研究就显得尤为重要，急需研制出有效的在线监测装置，可以及时察觉出变压器中发生的故障，并将产生的故障信号上传到控制中心，此时变压器将不再运行，以免其进一步发展致使变压器爆炸。

对于匝间短路的在线监测设备，国外也没有成熟实用的产品出来，在线监测手段仍然比较传统，更没有针对配电变压器的匝间短路在线监测技术。一般采用瓦斯保护和电流差动保护两种比较传统的继电保护对变压器进行保护[10]。

1 在线监测技术系统概述

1.1 基于电能损耗的系统建设

国内外对变压器匝间短路故障的研究成果主要有油中溶解气体在线监测、漏磁场法、漏电感法、电压电流比法和功率损耗法。油中溶解气体在线监测作业程序复杂、不易及时发现两次试验之间的故障或缺陷、无法对故障具体类型作进一步判断、无法对故障的具体部位进行准确定位、不适用于干式变压器；对于已制造好的变压器，一般不可能在其内部放入探测线圈来探测漏磁场，所以漏磁场法也不适用；对于漏电压法，不易提取监测特征量；电压电流比法不适合在线实时监测；至于功率损耗法，由于变压器内部结构及磁场的复杂性，其理论基础尚有待完善之处，而且对于轻微的匝间短路故障，功率瞬时变化不明显，难以被监测的到。目前国内尚无成熟的对配电变压器匝间短路故障进行在线监测的技术和装置。现在，供电单位配电变压器的匝间短路预防主要靠电力公司配网维护人员进行现场监测，效率较低且容易造成故障忽略。

采用监测电能损耗的方法，即对功率损耗进行时间累积，以反映轻微匝间短路故障。

变压器发生匝间短路故障后，其功率损耗值增加，损耗增加有以下几个方面的原因：

1)漏磁场变化引起的附加损耗的增加。变压器绕组发生故障后，漏磁场发生强烈变化，从而由漏磁场引起变压器内部功率损耗增加。

2)短路电流引起附加损耗的增加。匝间短路使短路所在相绕组匝数减少，短路后将在短路线匝里面产生一个非常大的短路电流，此短路电流使变压器产生一个损耗，该短路绕组内的电流可以达额定电流的二十倍以上，对于这部分损耗，可用以下公式推算。假设变压器绕组电势和短路阻抗在绕组纵向上呈线性分布，则短路绕组电势和短路阻抗在绕组纵向上呈线性分布。因此，短路绕组部分电势：

短路部分阻抗：

短路匝电流：

短路部分损耗：

其中，zk，rk，xk为短路阻抗，zkk，rkk，xkk为短路绕组阻抗，N为绕组匝数，Nk为短路匝数，E为绕组电势；Ek为短路绕组部分电势。

3、放电引起附加损耗的增加。能量上看，当变压器发生匝间短路故障后，在故障点将形成一个放电点，随着弧光放电产生，必将消耗大量的功率损耗，其具体的数值将依赖于过渡电阻的大小。

文中设计研究的在线监测系统是立足于萝岗供电局的实际情况，提高萝岗供电局对10 kV配电变压器的在线监测水平，建设一套实时在线监测配电变压器匝间短路故障的监测系统。这套系统能够对配电变压器匝间短路故障进行实时在线监测，在故障早期就能及时发现故障并将故障信号上传至控制中心，避免发生运行事故，延长变压器的实际使用寿命，提高供电可靠性。本项目独辟蹊径，采用了国内外尚无应用的监测变压器电能损耗的方法，该方法通过功率损耗增量的累积，可以预警初期的匝间短路故障，防止故障进一步发展，在早期就发现故障并上传至控制中心以采取措施清除故障，对提高供电单位的供电可靠性影响深远。

1.2 系统结构

若要分析判断配电变压器的故障部位，需结合理论知识和相关实践，难以用容易的模型将变压器故障与现象结合。截止到现在所使用的规程中，也只是对判定边界进行简单的叙述，很难准确地揭示故障与先兆间所存在的联系。此类判定方法有的是采用清晰的数值形式，有的是以模糊的语言对其进行描述。比如在判断变压器绕组发生匝间短路故障的大小时，用 “匝间短路故障轻微”、“匝间短路故障严重”等含糊字样描述，具有不确定性。模糊数学就是定量分析这种模糊语言与模糊思维，找寻可以利用计算机模仿大脑实现模糊识辨的数学方法，并兼备可以结合多种原因判别的特点。

本系统采用模糊数学诊断，依据配电变压器发生匝间短路故障时的电能损耗数据，自动评估其运行状态，对所有评估结果做汇总及统计管理，提供灵活的数据查询功能以及评估结果分类的展示功能。系统结构图如图1所示：

图1 系统架构图

从逻辑上讲，变压器绕组匝间短路在线监测系统可以分为数据层、业务逻辑层和展示层三层。

数据层主要用来完成评估所需的设备台账数据管理、高压设备试验数据抽取以及配电变压器匝间短路故障在线监测数据抽取等任务。

业务逻辑层的主要是计算各类业务逻辑对设备实现状态评估，如依据 “基于配电变压器匝间短路故障的模糊数学诊断综合分析方法”对设备实现状态评估，得出设计状态结果。

展示层主要是完成评估及分析结果，展示层提供了人性化的操作界面和丰富的查询接口可以用于基础数据的查询浏览以及评估结果的分类展示和分析汇总。

1.3 在线监测流程

分析变压器绕组匝间短路时各类数据量的变化，依据电能损耗理论，得出变压器发生匝间短路故障后其电能损耗具有明显的时间累积效应，找到新的特征量—电能损耗，设计出的在线监测的流程图如图2所示：

图2 系统工作流程图

2 系统功能介绍

2.1 系统功能结构

本系统所构建的是一个监测与分析评估的集成平台系统，这个系统应具有良好的开放性和扩展性，集成各种状态分析算法，在这个系统的基础上最终形成状态监测分析体系的全面解决方案。系统整体结构图3所示：

图3 系统整体功能图

主页面主要从监测结果、监测对象、查询统计四个方面，从宏观的视觉全面了解在线监测整体情况，并通过逐级关联功能，从宏观可以一直关联到具体的详情。

2.2 实时数据分析

通过柱状图的形式，展现设备的当前状态，并且加地深了解设备各项指标数据及单项评价结果。

应用该模块可以诊断配电变压器的匝间短路故障的历史数据。通过配电变压器匝间短路故障发生时，变压器一二次侧电能损耗的时间累积效应能对匝间短路故障进行及时监测和预警。使用用户界面的配电变压器的匝间短路故障在线监测指示装置来显示变压器目前的状态，使这种方式的特点是直观，易于对全网各站设备状况进行整了解。

3 结束语

构建了配电变压器匝间短路在线监测系统平台，解决了其因为被监测特征量微弱和外界噪声太大等原因无法容易获取有用数据以及被传统技术监测到的现象。引入基于模糊数学诊断理论用于配电变压器匝间短路故障特征量诊断。依据电能损耗理论，发现变压器出现匝间短路故障后，其电能损耗将明显地增大，具有明显的时间累积效应。找到了变压器匝间短路在线监测的新特征量：电能损耗，并且还在广州萝岗供电局中进行了变压器绕组匝间的短路试验。结果显示，电能损耗对监测变压器匝间短路故障很有效果。最后对实现变压器绕组在线监测的是否可行进行探讨，并将其应用于到电力工程实际。

[1] 孙守海.变压器匝间短路保护理论分析 [J].电工技术，2003(7)：1.

[2] 阙小生，黎功华，张永记，等.基于ATP数字仿真的变压器励磁涌流和内部故障的研究 [J].电力与电工，2009，29(2)：1-4.

[3] 李邦云.电力变压器绕组在线监测新特征量的研究与工程实现 [D].河海大学，2004.

[4] 朱声石.变压器轻微匝间故障的保护 [J].电力自动化设备，1999，19(1)：23-27.

[5] 李江帆，张晓飞，梁锡海，等.配电变压器匝间短路故障监测技术 [J].河南城建学院学报，2012，21(6)：55～58.

[6] 王梦云，凌慈.大型电力变压器短路事故统计与分析 [J] .变压器，1997(10).

[7] Y.zhang et al.An artificial neural network approach to transformer fault Diagnosis[J].IEEE Trans.Power Delivery，vol.11，PP.1836～1841，Oct1996.

[8] James J.Dukann.Transformer oil diagnosis using fuzzy logic and neural Networks[C] .1993 Canadian Conference oneleetrieal and Computer Engineering，vol.l，pp.329～332.

[9] Y.C.Huang et al.Developing a new transformer fault diagnosis system Through evolutionary fuzzy logic[J].IEEE Trans. Power Delivery，vol 12，PP.761～767，April 1997.

[15] 黄健元.模糊集及其应用 [M].宁夏：宁夏人民教育出社，1999.

Research on Sensor Technology in Residential Substation Monitoring

LIU Yicen1，ZHU Lu2，YAN Yang3，FAN Wenfang2，XUE Zhihang1，HE Zhenghao2，YANG Yonghui3，MA Qixiao1，Song Siqi2
(1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology)，Hubei，430074，China；3.State Grid Electric Power Research Institute，Hubei 430074，China)

this paper discusses the realization of on-line monitoring of transformer winding the possibility of combining oil and gas quantity analysis，proposes the corresponding monitoring judgment process，and developed a set of power transformer on-line monitoring system，and applied to the electricity engineering practice.

distribution transformer；turn-to-turn short circuit；on-line monitoring；power loss

TM855

B

1006-7345(2015)03-0046-04

2014-12-05

刘益岑 (1986)，男，硕士，中级工程师，国网四川省电力公司电力科学研究院，主要从事电网防灾减灾及状态监测 (email)liuyi2664＠sina.com。

朱璐 (1987)，男，博士研究生，华中科技大学，主要从事气体放电理论及脉冲功率技研究工作 (e-mail)zhulu19870408＠126.com。

鄢阳 (1984)，男，硕士，工程师，国网电力科学研究院，主要从事电网防灾减灾及状态监测工作 (e-mail)9210397＠qq.com。

国网四川省电力公司科技项目：输变电设备运行状态监测系统在线校准体系建设及关键技术研究与应用。项目编号：5219991308DN。