电力变压器状态检修技术研究

张旭（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）



电力变压器状态检修技术研究

张旭
（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

摘要：在分析电力变压器在变电站及电力系统中的重要性基础上，对电力变压器的运行维护技术发展历程进行详细介绍，阐述表征电力变压器状态的绕组热点温度、套管绝缘、油中微水及气体含量和振动等状态量的含义，以C8051F020单片机为核心设计状态监测系统整体结构，并对电源单元及信号处理单元进行详细设计。

关键词：电力变压器；维护；状态检修；监测系统

本文引用格式：张旭.电力变压器状态检修技术研究［J］.新型工业化，2016，6（6）：75-78.

Citation： ZHANG Xu.Design Monitoring System of Performance Characteristic for Permanent-magnet Vacuum Circuit Breaker［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 75-78.

0 引言

伴随国民经济的高速发展，我国电网电压等级和容量不断提高，逐渐形成区域性及跨区域性的全国大电网。变电站是将输电线路的高压电转换为低压电的重要设备，变电站与区域电网构成密不可分的整体，一旦变电站发生故障，必会严 重影响整个电网的安全［1］。因此，为了保证电力系统可靠运行，必须加强和重视变电站的日常管理和维护，确保其能够稳定运行。电力变压器是变电站中最为关键的设备，其运行可靠性直接关系到整个变电站及整个电网的稳定运行。

1 电力变压器维护方式发展

根据不同时期变电器的维护方式不同，可以将其划分为“事故维修”、“定期检修”和“状态检修”三个阶段。早期变电器的维护大部分采用事故维修方式，也就是在事故发生后进行维修。事故维修的方式不仅单次维修难度高、工作量大，容易造成电力变压器及相关电气设备的损坏，还将导致大面积停电，影响正常的工业生产和人民生活。

针对事故维修方式的弊端，我国电力工作者根据“电气设备预防性试验规程”中关于电力变压器的要求，长期以来对电力变压器采用定期检修的方式进行维护［2-3］。定期检修方式采用定期预防性试验，根据电力变压器各项运行参数数据，判断其运行状态和潜在故障，确定是否对其进行检修。该方式可以及时排除电力变压器的事故隐患，提高了其安全水平和电网的稳定性。但检修周期比较固定，无论电力变压器运行好坏都要进行定期试验，大大增加了检修的工作量，造成资源和人员的浪费。检修过程会增加电力变压器内部在空气中的暴漏时间，增加了灰尘、潮气进入电力变压器内部的可能，为电力变压器的安全运行带来新的隐患。同时，检修过程电力变压器处于停电状态，不能更好的表征其带电工作状态的性能参数，检修结果的可靠性不高。

为了弥补定期检修维护方式的不足，伴随传感器灵敏度、信号处理和传输技术及状态评估理论的发展，一种新型状态检修的维护方式应运而生。状态检修方式采用先进的在线监测技术，实时获得电力变压器工作状态的同步信号，通过专家库进行状态评估，判断电力变压器的工作状态及趋势，在故障发生前有针对性地进行检修。状态检修分为状态监测、状态评估和治理预防三个步骤，具体如图1所示。状态检修与定期检修相比，避免了不必要的维修、减少维护工作量和电力变压器内部在空气中的暴漏时间，同时也降低因灰尘和潮气进入引起电力变压器故障的风险［4］。状态检修技术的应用和推广，工作人员能够实时掌握电力变压器的运行状态和趋势，便于确定最佳检修方案，提高电力变压器的检修水平和电力系统的稳定性，降低维护成本，能够带来可观的经济效益和社会效益。

图1 电力变压器状态检修步骤Fig.1 Steps of power transformer state maintenance

2 主要状态量

状态监测方式主要对表征电力变压器运行状态的变量进行采集，选择绕组热点温度、套管绝缘、油中微水及气体含量和振动作为状态量进行实时监测，为电力变压器状态评估提供原始数据依据，下边对各个变量进行详细介绍。

绕组热点温度是电力变压器在运行过程中出现在绕组某段的最高温度，也是对电力变压器负载能力限制的决定性因素。电力变压器绕组发热引起内部温度升高也是导致其绝缘材料老化的重要原因之一［5-6］。热点温度变化可以作为控制电力变压器所带负载的大小的重要依据，也可以用于作为状态评估的重要原始数据，推断电力变压器绝缘的老化程度，进而实现对电力变压器寿命进行准确预测。

套管是电力变压器主要的绝缘装置，绕组的引出线必须穿过套管。根据电力变压器电压等级的不同，套管分为纯瓷套管、电容套管和充油套管等形式，在电力变压器中不仅承担固定引出线作用，还起到引出线之间及引出线对外壳之间的绝缘效果［7］。对套管的绝缘情况进行在线实时监测，能够及时发现电力变压器的绝缘缺陷，预测套管绝缘的变化趋势，提高电力系统的安全性和稳定性。

油中微水及气体含量变化表征电力变压器的绝缘油、绝缘材料的老化状况。在运行过程中，电力变压器的油、纤维材料会慢慢老化，分解出微量的水。同时，密封不严密封不严也会导致水分或潮气进入，使油中的水含量增加。电力变压器发生故障前，在电、热效应的作用下内部产生烃类、CO、氢气、CO2等多种气体。系统通过监测各种气体和水的含量，分析电力变压器的绝缘状态，对电力变压器的运行状态进行判断。

振动是由电力变压器绕组、冷却装置及铁芯振动引起的，所以测量振动信号，并对信号进行合理分析，便可预测电力变压器的绕组、冷却装置及铁芯的工作状态。电力变压器发生短路故障时，绕组电流远远大于额定电流，电动力增大，电力变压器机械稳定性降低，甚至引起绕组扭曲变形，严重威胁电力变压器的稳定运行。

3 状态监测系统设计

电力变压器状态监测项目有绕组热点温度、套管绝缘、油中微水及气体含量和振动等，系统以C8051F020单片机为核心，主要包括多通道传感器组、信号处理电路、电源单元、复位单元、晶振单元、报警单元、数据传输单元和上位机评估单元，其结构如图2所示。多路传感器组中的温度传感器、微水含量传感器、多路气体传感器、振动传感器等输出信号经过信号处理电路的滤波放大后传输给C8051F020单片机的ADC模块，内部AD转换单元进行模拟量与数字量之间转换后，对数据进行计算得到状态量的值，然后通过数据传输单元发送给上位机评估单元，上位机评估单元对数据进行分析、记录和状态评估［8-9］。

图2 电力变压器监测系统结构框图Fig.2 Structure diagram of power transformer monitoring system

3.1 电源单元

C8051F020单片机的内核及片内外设输入电压为3.3V，I/O口输入电压为5V，故系统需要采用双路稳压电源供电模式。电源单元设计时采用双稳压模块LM7805和LM117M3为核心进行设计，220V交流电经过变压、交-直转换后变成直流信号，经过滤波电容处理后给LM7805的输入端，LM7805的输出端得到5V稳压信号供给C8051F020单片机的I/O口。同时，LM7805的输出端与LM117M3的输入端相连接，实现5V与3.3V电压之间的转换，3.3V稳压电路如图3所示［10］。

图3 3.3V稳压电路Fig.3 Regulator circuit of 3.3 V

3.2 信号处理单元

C8051F020单片机内部集成12位AD转换器，根据软件程序可以实现模拟量和数字量之间的转换。电力变压器监测用传感器的输出信号为弱点信号，同时伴随有高频信号干扰，所以在C8051F020单片机ADC模块端口前必须设置信号处理单元。传感器输出信号分为电压型和电流型两种，以电流型信号为例对传感器输出信号处理单元进行设计，电路如图4所示。传感器的输出信号经过电压R1分压后转换成电压信号经过电阻R2和电容C5滤波（滤除高频噪声信号）后发送给运算放大器LM358，传感器输出信号放大后输送到C8051F020单片机ADC模块端口。

图4 信号处理电路Fig.4 circuit of signal processing

4 结论

电力变压器的稳定运行是变电站及电力系统安全稳定运行的重要保障，对其状态进行实时监测具有十分重要的经济和现实意义。分析绕组热点温度、套管绝缘、油中微水及气体含量和振动等状态两队电力变压器运行的影响，完成监测系统的设计，实现对电力变压器运行主要参数的实时监测和状态评估。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.009

基金项目：中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金（2013MS014）

作者简介：张旭（1981-），男，工程师，煤矿电气设备检验与研究

Design Monitoring System of Performance Characteristic for Permanent-magnet Vacuum Circuit Breaker

ZHANG Xu
（CCTEG Shenyang Research Institute， Fushun Liaoning 113122）

ABSTRACT：Based on the analysis of the importance of power transformer in the substations and power system， based on the operation of the power transformer maintenance technology development process in detail， this paper characterized the state of the power transformer winding hot spot temperature， insulation casing， micro water in the oil and gas content and meaning of vibration such as state variable， and the C8051F020 microcontroller as the core design condition monitoring system overall structure， and the power supply unit and the signal processing unit are detailed design.

KEyWORDS：Power transformer； Maintenance； State overhaul； Monitoring system