变电站主变冲击电流的监测与故障诊断方法研究

赖煜文

（国网福建省龙岩市永定区供电公司，福建 龙岩 364100）

0 引 言

变电站作为电力系统的重要组成部分，其运行状态直接影响着电力系统的稳定性和可靠性。而主变压器作为变电站的核心设备之一，其电流的监测和故障诊断对于变电站的安全运行具有重要意义。因此，文章旨在探讨变电站主变电流的监测与故障诊断方法，以期为电力系统的稳定运行提供理论支持和实践指导。

1 主变电流监测方法

1.1 传统的电流变压器

传统的电流变压器是一种利用电磁感应原理将输入的交流电流转换为电压信号的装置，其基本构造包括一次绕组和二次绕组。一次绕组接入主变电流，二次绕组则输出与主变电流成比例的电压信号。这种方法的优点是技术成熟、普及度高且成本较低。然而，它存在一些限制。首先，测量精度受到限制，难以满足高精度的监测需求。其次，响应时间较长，无法满足快速响应的要求。最后，传统的电流变压器可能受外部电磁干扰的影响，导致测量结果不准确。在传统的电流变压器中，电流和电压之间的关系由变压器的匝数比决定[1]。因此，要获得高精度的测量结果，需要使用具有高精度的匝数比和稳定磁性能的变压器。

1.2 电流传感器

电流传感器是一种基于霍尔效应或磁阻效应的电子器件，能够将电流转换为可测量的电压信号，基本原理如图1 所示。电流传感器通常具有较高的测量精度和较快的响应时间，适用于实时监测主变电流。电流传感器的优点包括测量精度高、响应时间快、体积小以及重量轻等。然而，它存在一定的局限性。首先，电流传感器的成本相对较高，可能会增加整个监测系统的成本。其次，电流传感器可能受温度、湿度等环境因素的影响，需要采取相应的保护措施。例如，某些电流传感器需要在一定的温度范围内使用，否则可能会影响测量结果。最后，电流传感器的线性度是一个需要注意的问题。在选择电流传感器时，需要考虑测量范围、精度、响应时间、温度稳定性、电磁兼容性以及成本等因素。通常，对于主变电流监测，需要选择测量范围广、精度高、响应时间快以及温度稳定性好的传感器。

图1 电流传感器基本原理

1.3 光纤电流传感器

光纤电流传感器是一种利用光学原理测量电流的新兴技术，通过测量磁场对光的偏振状态的影响来推导电流值。光纤电流传感器具有高精度、高稳定性、抗电磁干扰以及远距离传输等优点。与传统的电流监测方法相比，光纤电流传感器更适合测量精度要求较高的场景，同时可以有效抵抗外部电磁干扰。这种传感器的结构通常包括光源、偏振分束器、检偏器、光探测器以及信号处理系统等部分。它是在光源发出的光束上施加一个磁场，通过检偏器检测光束的偏振状态变化确定磁场强度，进一步推导出电流值。在实际应用中，光纤电流传感器通常被安装固定在电力设备的附近，以直接或间接测量电力设备的电流值。间接测量是通过测量穿过设备的磁场来推导出电流值，可以避免直接接触高压线路带来的安全隐患，同时可以实现对电力设备的在线监测和故障诊断等功能。与传统的电流监测方法相比，光纤电流传感器具有更高的精度和更强的抗干扰能力。光纤传感器不受电磁场的干扰，因此可以在强电磁场环境下进行高精度测量。

1.4 智能传感器监测技术

智能传感器监测技术是一种基于先进传感器技术和智能算法的综合应用，主要用于物理量、化学量、生物量等各种参数的检测与分析。通过搜集、传输、处理以及分析大量数据，分析具有特殊业务逻辑的数据特征，从而实现快速、准确、可靠的检测与控制。在变电站主变电流的监测与故障诊断中，智能传感器监测技术不仅可以实时监测电压、电流、频率等参数，并能够检测出异常情况，及时进行处理和调整，还可以结合其他的故障诊断方法，如频谱分析技术、油色谱分析技术等，以提高故障诊断的准确性和可靠性。

2 主变电流故障诊断方法

2.1 绝缘类试验

绝缘类试验是主变电流故障诊断中至关重要的步骤，涵盖了多个测试环节，旨在检测变压器内部的绝缘状况和缺陷，为主变电流故障的诊断提供关键依据。这些试验包括绕组绝缘、铁芯绝缘、直流泄漏、绕组及套管介损、工频耐压、感应耐压以及局部放电试验等。它们能够在不同程度上揭示变压器内部的电气性能和绝缘状态。在进行绝缘类试验时，需要停电，以便对各个部分进行专业仪器设备的测试。这些测试包括绕组对地之间的绝缘电阻试验，能够判断变压器内部的绝缘程度[2]。此外，绕组及套管介损试验用于测量变压器套管和绕组的介质损耗因数，从而判断其绝缘性能。工频耐压试验用于检测变压器在工频电压下的耐受能力，揭示其是否存在绝缘老化或劣化的情况。感应耐压试验是绝缘类试验中的重要环节，用于检测变压器在高压下的电气性能和绝缘状态。局部放电试验是检测变压器在一定电压下的局部放电水平，以判断其内部是否存在潜在故障或损伤。

2.2 频谱分析

频谱分析是一种在主变电流故障诊断中广泛使用的技术，主要是通过分析主变电流的频谱特征来检测故障。主变电流的频谱特征是指电流在不同频率下的强度分布，不同类型的主变电流故障会产生不同的频谱特征。因此，对比主变电流的频谱特征和正常电流的频谱特征，可以准确识别出故障类型。频谱分析具有高精度和快速定位故障类型的优点。它可以通过专业的仪器设备测量和分析主变电流，将电流信号转换成频谱形式，从而方便进行故障诊断。此外，频谱分析可以检测出主变电流中谐波分量和非线性负荷的影响，诊断出更为复杂的故障类型[3]。例如，当主变电流中出现谐波分量时，可能是由于变压器出现了饱和或不对称等问题，可以进一步诊断出故障的类型和位置。在实际应用中，频谱分析技术可以单独使用，也可以与其他诊断方法结合使用，以提高故障诊断的准确性。对于主变电流故障的诊断，常用的频谱分析方法包括快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform，STFT）等。这些方法能够快速准确地识别出故障类型，为主变电流的故障处理提供重要的参考依据。

2.3 热像摄像

热像摄像是一种在主变电流故障诊断中非常有效的检测方法，通过非接触式测量电流系统的温度分布来检测故障。在主变电流故障中，故障区域通常会出现局部温度升高的现象，因此通过测量温度分布情况可以及早发现潜在的故障点。使用热像摄像可以实时监测故障的发展情况，为主变电流故障的诊断提供直观依据，从而采取有效的预防措施，减少故障的发生。热像摄像的优点是可以直观地观察到电流系统的温度分布情况，并且可以快速定位故障区域。通过拍摄电流系统的红外热像图，可以清晰看出电流密度分布和温度分布情况，从而判断出是否存在异常发热或局部过热的情况。热像摄像在主变电流故障诊断中能够及早发现潜在的故障点，实时监测故障的发展情况，为主变电流故障的诊断提供直观依据。与其他诊断方法结合使用，可以更准确地识别出故障类型，提高故障诊断的准确性[4]。

2.4 变电站主变大电流冲击告警装置

主变大电流冲击的闭环管理和预警机制的形成，有利于及时发现主设备隐患，保障主变安全稳定运行。该设计采用全新的低功耗、高智能的装置，通过微机和液晶触控屏实现一键式的智能操作与监控，主要包含以下2 个部分[5]。一是装置硬件部分，包含主变二次电流采集模块、电源模块、人机模块、中央处理器（Central Processing Unit，CPU）模块、通信模块及告警模块等；二是软件部分，研制一种软件算法，在主变各侧遭受大电流冲击的瞬间，捕获电流突变量，计算出流过主变本体冲击电流的有效值和持续时间，计算故障电流与额定电流的倍数比，生成故障报告，主要技术指标如下。

第一，装置采用开口钳形电流互感器对主变二次回路进行电流采集，故障瞬间电流变化快、幅值高、时间短，故障电流持续时间通常为微秒级，故装置电流采样精度需满足1 级，采样频率大于1 kHz，钳形电流互感器量程应保证50 A 以上，能在保护屏柜内稳定运行。装置采用开口钳形电流互感器测量电流,额定电流50 A 以上，测量精度至少满足1 级，10 倍以内故障电流有效值计算误差小于等于10%。

第二，由于故障电流变化较大，持续时间短，波形复杂，装置软件算法应能够准确计算故障电流的有效值和持续时间等参数，10 倍以内故障电流有效值计算误差小于等于10%。此外，应针对不同变压器各侧额定电流计算冲击电流倍数，生成故障信息简报实时上送，能够通过遥信上送调控信息系统或远程发送至运维检修人员移动端。

第三，由于保护屏柜内设备较多，空间狭小，装置尺寸体积应小巧轻便，便于安装。装置输入供电电压为直流190 ～240 V，要求装置能在大电流突变过程中准确启动，并测量计算故障电流有效值。此外，装置具有液晶显示面板，可将故障信息显示在液晶面板上。装置的告警信息可以上送，并可以查询告警历史记录。电流采样频率大于等于1 kHz，装置功耗小于等于10 W。

3 结 论

电力系统运行人员利用变电站主变电流的监测和故障诊断方法，有效地监测主变电流，及时发现潜在问题，并采取必要的维护和修复措施，以确保电力系统的稳定性和可靠性。这些方法应根据具体情况和设备类型进行合理选择，以最大限度地提高电力系统的性能和安全性。通过本研究的方法和结果，相信能够为电力系统的运行和维护提供有力的支持与指导。