变压器在线监测技术综述

变压器在线监测技术综述摘要：变压器是电网中比较昂贵且重要的电气设备，其安全运行对于保证电网安全可靠运行意义重大。变压器故障主要由内部绝缘老化造成，本文根据变压器的各种机械和电气特性，从油中溶解气体分析、局部放电、铁心接地电流在线分析、绕组变形在线分析和振动分析等方面对变压器在线监测技术作一介绍。关键词：变压器在线监测油中溶解气体局部放电铁心接地电流绕组变形振动1概述变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电力设备之一，随着电网电压等级的提高和输送容量的增加，变压器故障将对电网的安全稳定运行产生严重的影响。长期以来，电力系统内对变压器正常运行维护主要是采用事后维修和预防维修两种方式。但是，预防性维修需要停电检修，影响了供电的可靠性；定期检修中更换的设备一部分是没有必要更换的，降低了经济性。因此，常规的检测方法与现代化状态维护发展趋势不相适应，为了保证电力系统供电可靠性和经济性，电力设备的在线监测和故障诊断就应运而生。电力变压器的在线监测方法主要分为两种形式：集中式监测和分布式监测。集中式监测可对所有被测设备定时或者巡回自动监测；分布式监测是利用专门的测试仪器测取信号就地测量。变压器在线监测技术主要是根据变压器的各种机械和电气特性，采用油中溶解气体分析、局部放电、铁心接地电流在线分析、绕组变形在线分析和振动分析等方法监测其运行状态。本文拟对变压器在线监测方法逐一介绍。2变压器油中溶解气体分析对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障,如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同（见表1）,从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法,能准确地反映变压器的主要状况,使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态,以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。表1不同故障类型产生的油中溶解气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4,C2H4H2,C2H6油和纸过热CH4,C2H4,CO,CO2H2,C2H6油纸绝缘中局部放电H2,CH4,C2H2,COC2H4,CO2油中火花放电C2H2,H2-油中电弧H2,C2H2CH4,C2H4,C2H6油和纸中电弧H2,C2H2,CO,CO2CH4,C2H4,C2H6进水受潮或油中气泡H2-2.1油气分离技术目前,国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术,无论是离线还是在线检测,必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出,再进行测量,从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法)和真空法(变径活塞泵全脱法)。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题,难以实现在线化。在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。2.1.1薄膜/毛细管透气法某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质,适宜于在连续监测的情况下,从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处,安装了高分子膜,膜的一侧是变压器油,另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时,已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下,经过一定时间后(通常需要经过几十小时)可达到动态平衡。达到平衡时,气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场测量。另外,油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞,因而需要经常更换薄膜。目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜,常规聚四氟乙烯膜渗透6种气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）需要100h。日立公司采用PFA膜,又称四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物,PFA膜对6种气体渗透性能较好,渗透6种气体组分所需时间为80h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18mm,最优孔径为8～10μm,透气性能优于PFA膜,渗透6种气体组分所需时间为24h。加拿大MorganSchaffer公司使用聚四氟乙烯尼龙管束,渗透6种气体组分所需时间为4h[1]。Hydren公司采用聚四氟乙烯及氟化乙丙稀。2.1.2真空脱气法真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空,将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。真空泵脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。河南中分仪器推出的色谱在线监测仪采用吹扫-捕集的方式脱出气体,脱气率大于97%[1]。2.1.3动态顶空脱气法该方法在脱气的过程中,采样瓶内的搅拌子不停地旋转,搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中,间隔测量气样的浓度,当前后测量的值一致时,认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间,重复性较好,有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。2.1.4血液透析装置美国Severon公司的TRUEGAS采用医学上的血液透析装置,透气快,每4h监测1次,最短可缩短到每2h监测1次。2.2混合气体检测技术依据监测气体组分分类,变压器油中溶解气体在线监测装置目前可分为4类:单组分气体(H2)、总可燃气体(TCG)、多组分气体及全组分气体。目前单组分气体检测主要采用气敏传感器，利用靶栅场效应管对氢气具有良好的选择敏感特性,用于制作单氢检测器；某些燃料电池型传感器对H2、CO、C2H2和C2H4的选择敏感性是100%、18%、8%和1.5%,可用于变压器的早期故障监测和判断。总可燃气体检测采用催化燃烧型传感器,该传感器对可燃气体选择具有敏感性,但溶解气体中包含CO，影响了对烃类气体含量的监视。烃类气体在线监测则是将单氢离子火焰检测器的气相色谱仪应用到在线监测中,需要很多的辅助设备，可靠性较差,维护量较大,难以推广。全组分在线监测技术由于其提供的信息量较充分,与实验室DGA（油中溶解气体含量）完全相同,对全面分析变压器的绝缘状况较有利,目前全组分气体分析检测技术主要有热导检测器、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。2.3在线监测产品目前市面上的变压器油中溶解气体在线监测产品主要分为三大类:第一类是以半透膜脱气,气敏半导体传感器为检测器的第一代产品。这类产品的缺点是:半透膜容易老化、破裂，发生堵塞；脱气平衡时间长,一般需要2～3d；气敏半导体传感器容易被污染、老化，导致测试偏差；测试气体一般为混合气体,不能真实反映变压器内部的故障状态,容易出现误报警或拒报警。第二类是以实验室的气相色谱技术为基础的第二代产品。二代产品的脱气方式多样，有真空脱气、顶空脱气和毛细管脱气。其中真空脱气的重复性较差；而毛细管脱气则容易发生堵塞、老化断裂等问题。这类产品大多需要载气和标气,需要更换的耗材较多，并且由于载气、标气以及色谱柱的应用,不能长期稳定的运行,维护工作量大。第三类是以光谱技术为基础的第三代产品。基于光声光谱技术为基础的变压器油中溶解气体在线监测系统有如下优点:1）无需载气、标气,没有色谱柱,系统完全免维护；2）系统工作稳定可靠,寿命较长；3）系统响应速度快,最快检测速度可达1次/h；4）除油中溶解气体,也可进行微水检测。3变压器局部放电在线监测技术在线监测变压器局部放电就是对运行中的电力变压器进行局部放电监测，在线分析处理相关数据，以期对变压器进行绝缘诊断，必要时提供报警。局部放电在线监测技术，系根据超声波原理将高频声波传感器放在油箱外部，测取局部放电或电弧放电所产生的的暂态声波信号。局部放电在线监测采用高性能传感器，例如，坡莫合金或铁氧体磁芯的电流电压转换型传感器，因为这种传感器可将传感信号与变压器一次侧有效隔离。根据国内外运行经验，变压器若出现几千pC的局部放电量，仍然可以继续运行。但如果局部放电量达到10000pC以上时，则表明变压器绝缘的缺陷已经十分严重[2]。从变压器内部出现局部放电到绝缘击穿，有一个演变过程。对局部放电监测的阈值报警和视在放电量的历史数据的发展趋势的分析，可以判断变压器内部的绝缘状况。阈值报警就是当高频信号的幅值和每周期脉冲个数达到设定的阈值，以及脉冲波形达到脉冲宽度和频度时，由局部放电监测装置自动发出的阈值报警信号。根据变压器局放过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等现象,相应出现了超声波检测法、光测法、电脉冲检测法、射频检测法和UHF超高频检测法。3.1超声检测法用固定在变压器油箱壁上的超声传感器接收变压器内部局放产生的超声波来检测局放的大小和位置。通常采用的超声传感器为压电传感器,为避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声，选用的频率范围为70～150kHz。超声检测法主要用于定性判断是否有局放信号,结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。3.2光测法光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中,各种放电发出的光波长不同,光电转换后,通过检测光电流的特征可以实现局放的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展,但由于光测法设备复杂、昂贵、灵敏度低,在实际中并未直接使用。尽管如此,光纤技术作为超声技术的辅助手段应用于局放检测,将光纤伸入到变压器油中,当变压器内部发生局放时,超声波在油中传播,这种机械力波挤压光纤,引起光纤变形,导致光纤折射率和光纤长度发生变化,从而光波被调制,通过适当的解调器即可测量出超声波,实现放电定位。3.3电脉冲法电脉冲法又称脉冲电流法,通过检测阻抗、变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线及绕组中由于局放引起的脉冲电流,获得视在放电量。电脉冲法技术的关键是如何有效地识别和抑制干扰,将真正的局放信号提取。近年来,人们在原有技术基础上,又引入信号分析方法,包括小波理论、神经网络、指纹分析、模糊诊断等方法,使得基于电脉冲法的局放在线监测装置的性能有了长足的进步,如德国AVO、LEMEC及澳大利亚虹项等局放在线装置,检测最小局放量达100pC,国内装置由于数字滤波技术不是很完善,检测最小局放量为3000pC。3.4射频检测法利用罗哥夫斯基线圈从电气设备的中性点处测取信号,测量的信号频率可达30MHz,提高了局放的测量频率。该测试系统安装方便,检测设备不改变电力系统运行方式。但对于三相变压器而言,该测试系统得到的信号是三相局放量的总和,无法进行分辨,信号容易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展,该方法在局放在线监测中已有较广泛的应用,尤其是在发电机在线监测领域。3.5超高频检测法针对传统检测方法的不足,近几年出现了一种新的检测方法——超高频检测方法。超高频局放检测通过检测变压器内部局放产生的超高频(300～3000MHz)电信号,实现局部放电的检测和定位,UHF法和脉冲电流法不同,脉冲电流法的频率测量范围一般不超过1MHz,UHF法的频率范围为300～3000MHz[3]。脉冲电流法中将试品看作一个集中参数的对地电容,发生一次局放时,试品电容两端产生一个瞬时的电压变化,通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流；而UHF法中传感器并非起电容耦合的作用,而是接收超高频信号的天线。超高频局放检测技术近年来得到了较快发展,在一些电力设备(如GIS、电机、电缆)的检测中已得到应用。该方法应用于GIS局放在线检测，灵敏度可达到1pC。UHF法在电机、电缆在线监测中也有较成功的应用,有的已形成产品。对电力变压器而言,局放一般发生在变压器内油—隔板绝缘部位中,由于绝缘结构复杂,电磁波在其中传播时会发生多次折射、反射及衰减,同时变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响,增加了局放超高频电磁波检测的难度。因