变压器故障与监测－变压器在线监测

变压器故障与监测--变压器在线监测1.概述1.1在线监测的经济意义电力变压器是输电和配电网络中最重要的设备。电力变压器的工作效率代表电力部门的财政收益。传统抛售变压器状态信息的方法是外观检查、理化、高压电气试验和继电保护。这些传统方法属于常规的试验和检测，仅仅能够提供变压器故障和事故后的滞后信息，即在事故过后才能获得状态信息。与现代化状态维护发展趋势不相适应，虽然检测方法种类很多，却不能满足对变压器进行实时状态监测的需要。继电保护装置的作用也是如此。随着变压器现代维护技术的发展，产生了状态监测。它打破了以往收集变压器信息的局限性。目前电力系统通过采用对变压器的在线监测，可以即时连续记录各种影响变压器寿命的相关数据，对这些断气的自动化处理可及早发生故障隐患，实现基本的状态维护。现代科技进步使微电子技术、传感技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压设备的状态监测成为现实。国内外应用的各种在线监测装置和方法相继投稿到电网和变电站，从而积累了许多在线监测的经验，促使在线监测技术上不断完善和成熟。开拓了高压装置状态维护的新局面。变压器在线监测技术的优越之外是以微处理技术为核心，具有标准程序软件，可将传感器、数据收集硬件、通信系统和分析功能组装成一体，弥补了室内常规检测方法和装置的不足。变压器综合在线监测技术通过及时捕捉早期故障的先兆信息，不仅防止了故障向严重程度的发展，还能够将故障造成的严重后果降到最低限度。变压器在线监测服务器与电力部门连接，使各连接部门都可随时获取变压器状态信息，这种方式不仅降低了变压器维护成本，还降低了意外停电率。连接到监测服务器的用户数量不限，通过防火墙可进入成套变电站。因此，变压器在线监测提高了运行可靠性，延缓了维护费用的投稿，延长了检修周期和变压器寿命。由此带来的经济效益是非常可观的。我国从20世纪70年代采用带电测试。80年代开始实现数字化测量。从90年代开始采用多功能微机在线监测，从而实现了变压器绝缘监测的全部自动化。国内多家电力研究部门和高等院校从90年代初将研制的各种在线监测装置陆续投稿在中型发电厂和变电站，对变压器及高压电器设备的在线监测起到一定作用，尽管有2/3的在线监测装置存在这样或那样的问题，但通过在线监测，的确积累了许多实际经验。图1-1是变压器诊断专家系统示意图。图1-1变压器异常诊断专家项式▲—代表调制解调器变压器在线监测系统有两种形式：集中式和分散式。集中式可对所有被测设备定时或巡回自动监测，分散式是利用专门的测试仪器测取信号就地测量。目前，集中式在线监测尚存在一定的不足。例如，测量结婚重复性较差，传感器信号失真，监测系统管理和综合判断能力不够等。但主要应属产品结构设计和质量方面的问题。尽管如此，维护变压器最佳运行和现代化管理的最佳途径仍是综合性变压器在线监测。相信通过科技的飞跃发展，变压器在一监测技术将不断完善成熟。1.2变压器在线监测的条件和特点变压器在线监测的先决条件是与计算机联网。利用IT技术通过标准化软件或浏览器获得变压器状态信息。通过系统分析、计算测到的数据，并结合专家系统做综合智能诊断。在线监测的技术优越性主要体现在它自身具有自检功能和专家系统结合后具有综合判断故障的能力。由于在线监测的最终目的是延长高压设备的寿命，提高电力部门的供电质量和经济效益，所以在线监测装置的造价不能太高。根据国内电力部门的统计分析，如果将变压器事故率定在0.5～1%，那么，在线监测的费用则不应超过这一范围。变压器在线监测的主要特点是通过连续监测变压器一段时间参数的变化趋势来判定变压器运行状况。在线监测可以捕捉到非瞬间故障的先兆信息。它的最突出特点是可以在运行中实时监测。这是在线监测最大的技术优势。尽管根据在线监测捕捉到的动态信息对变压器内部的突发性故障进行预测存在很大的局限性，但它却是现代化状态维护的必须手段。它对于制定、布署下一步的检修计划和方案具有十分重要的现实指导意义。在互监测所采用的监测仪（如传感器等）可靠性很高，安装在变压器上不需要人去维护，具有很高的自检功能。一旦监测仪自身存在问题，可自动发出声光报警。因此，排除了常规检测方法中由人为造成的各种误差和不准确性。在线监测的周期能人为设定，范围可以从几小时至几年。1.3在线监测的对象和经济效益变压器在线监测的对象应是有问题或是怀疑有问题的变压器。在线监测的费用主要取决于安装传感器的数量。在线监测的费用不应该超出变压器的事故的损失费用。对在线监测的成本效益分析需要很多单独参数，而这些参数很难获得，如失效概率。如果按照国内有关部门规定的事故率推算，在线监测的成本应当是一台新变压器平均价格的1%。国外经验认为，变电站在线监测的安装成本与安装的变压器台数成反比。即变电站网络越大，在线监测的成本则越低。美国和瑞士的变压器在线监测实践证明，分接开关和发电机升压变压器的监测成本是一台新变压器成本的6%左右。在线监测预防变压器失效并拖延失效时间所带来的经济效益国外称做战备性效益。德国根据在线监测的应用进行了估计，及早预测变压器故障可使维护成本降低75%，税收降低63%，每年节约的费用相当于一台新变压器价格的2%。巴西学者在2002年第39届国际大电网会议变压器组（12-110）的报告中提出，可以根据在线监测探测变压器的失效概率来计算在线监测的效益，其计算公式如下：式中P—在线监测变压器失效的总概率；—每年部件的失效率；—每个部件的监测率。为了计算在线监测的经济效益，还必须用失效总概率乘以失效成本。即按以下公式计算：在线监测的经济效益=P×失效成本进行在线监测的经济效益分析时，还需要引用以下假定：假定在线监测装置（或系统）的预期寿命为10年，那么10年寿命期间产生的经济效益是：在线监测经济效益（10年）P×失效成本×10年=5.8%×新变压器费用/年根据以上计算可以得出，在10年内，变压器在线监测所创造的经济效益为新变压器一年费用的5.8%。2.变压器在线监测的方法和装置2.1变压器在线监测的原理和程序虽然变压器在线监测的内容和目标不同，但在线监测的基本原理是相同的。它通过安装在变压器上的各种高性能传感器，连续的获取变压器的动态信息。在线监测原则上不允许出现误码率报警报漏接。在线监测装置通过智能软件系统和软件规则程序实现自动监测。在线监测的判定系统并非根据所测量的参数绝对值，而是根据测量参数随时间的变化趋势来进行判定。它的工作程序是通过与计算机联网，在很高的自动化条件下，收集、存贮并现场处理所测到的数据，做出趋势预测。在线监测的基本程序是：数据收集、存贮---状态分析---故障分类---根据智能专家系统的经验判定故障位置---提高出维护方案。状态分析一般以人工神经网络分析为基础。它是一种理想的模式分类器。数据处理和故障分类大多采用快速傅里叶变换或先进的小波变换方法。由于人工神经网络的自学习功能和并行处理能力提高了推理速度，可以解决知识的组合爆炸问题。对于繁杂的多方面数据，例如铁心、绕组、油温、负荷电流等复杂的数据以及故障机理不清的问题，经过人工神经网络预处理单元的特征分析，可以将预分析结果变换成人工神经网络适宜处理的形式。故障分类主要是区分故障性质。例如，电气过热故障、磁路过热故障、与纤维有关的放电、与纤维无关的放电、机械故障和其他故障。智能专家系统的判定以数据库存贮的知识、经验为依据。最近决策系统提出维护方案。变压器在线监测数据库可以存贮电气设备的全面信息。主要包括被监测的各种参数、运行状况和历史数据等。还可存贮诊断判定结果。所有信息和资料均可通过联网进行查询。由于给电网维护工作带来极大方便。2.2变压器在线监测的范围目前，国内外变压器在线监测的范围很广，主要包括：1）利用光纤传感器进行热点监测；2）监测油中可燃气体总量，可分析、、、、、、7种特征气体含量；3）在线监测局部放电，包括电气局部放电、声音局部放电、超高频局部放电、静态局部放电；4）在线监测套管的功率因数和电容；5）在线监测冷却装置的功能（例如，风扇、油泵的转换状态等）；6）在线监测油中湿度、温度、酸度；7）在线监测负载电流；8）在线监测绝缘纸的湿度和迁移情况；9）在线监测绕组顶部和底部油温；10）在线监测介电和电力系统的缺陷；11）在线监测结构件的夹紧力；12）在线监测OLTC的性能和缺陷，包括OLTC声音传播情况，OLTC分接变换过程中的振动，在线监测OLTC电机驱动性能；13）在线监测铁心接地故障和绕组缺陷；14）在线监测储油柜的油位，通过安装传感器提供油渗漏信息；15）在线监测GIS全封闭组合电器。2.3变压器在线监测装置2.3.1油中溶气在线监测当变压器内部出现故障时，无论是过热故障还是放电故障，都会使油的分子结构遭受破坏，从而裂解出大量的氢气。因此油中的氢气可作为预测变压器早期故障的指示气体。除氢气之外，还会伴随一定量的可燃气体。如甲烷、乙烷、乙炔、和等。可燃气体的主要来源是绝缘油和固体绝缘，这些材质都是有机绝缘材料。它们在经受电气、热、氧和水的作用之后，其材料的分子结构很容易发生裂变。例如，变压器油在500℃以上会释放出和。而在老化作用下，绕组热点、绝缘导线、绝缘纤维部件等都会产生和。在电弧烧伤变压器部件和材料厂的情况下，会产出很高的。局部放电也会产生和特征气体。变压器从出厂到投入运行的过程中，可燃氧气与运行时间存在一定的变化规律。有人将这一变化规律称为变压器油中溶气分析的“指纹”。如果发现某台变压器油中溶气含量出现了非正常变化，肯定预示着变压器内部存在着由故障所形成的特征气体产气源。因此，监测变压器可燃气体总量的变化，对指示变压器初期故障十分有效。但需要指出，无论是监测变压器的氢气含量还是监测变压器可燃气体含量，要确切判定故障性质仍有很大难度。油中溶气在线监测是气相色谱分析技术的补充和发展，对变压器油中溶气的在线监测分色谱在线监测、传感器监测及红外光谱监测。目前，溶气在线检测方法有薄膜渗透取气法、抽真空取气法、载气和空气循环取气法等。油中溶气在线监测的特点是可连续观察气体产生的动态发展趋势。它通过及时发现超出极限范围的特征气体，来发现并捕捉故障信息，消除并避免灾难性隐患，是状态维护的有利手段。每种故障发生时其特征气体并不相同。在判定电磁故障时，往往借助氢气、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、一氧化碳和二氧化碳的浓度和两种气体的浓度比值。判定机械故障还要借助传感器监测到的超声波信号。油中溶气在线监测可以监测单一气体，例如，中科院研制的DDG-1000型油中氢气在线监测装置，采用聚芳杂环高分子膜透氢气，用载体催化敏感元件检测氢气（最低检测下限为1μL/L），也可监测7种可燃气体的总量。无论哪种监测方式，在线监测的取气均利用各种传感器和检测器来实现。油中溶气检测所用传感器和检测器主要有：1）钯栅检测器；2）半导体传感器；3）催化燃烧型传感器；4）燃料电池型传感器；5）红外光谱传感器；6）光离子检测器。除此之外，加拿大最近研制的增强型溶解H2和水分的监测装置用传感器，其气体控头是一个多股的特氟隆毛细管环，当油中溶气进入控头内，由高稳定性和高精度的热导元件对气体进行检测。利用置放在油中的湿度传感器可直接监测油中水分。油气分离是油中溶气在线监测的关键步骤。它可直接影响油中溶气检测的效果，油中溶气分离借助有机合成的高分子膜来透析各种故障气体。因此，检测器的高分子膜必须具备高性能。首先必须耐水、耐油、耐高温，其次还要具有承受机械力破坏的能力。高分子膜还必须对可燃气体透气灵敏度高。中科院经过分析测试表明，目前油中溶气在线监测装置采用的透气膜中，性能较好的是聚四氟乙烯薄膜，这种膜不仅具有很好的机械性能，还能耐受油和高温，日本研制的聚四氟亚乙全氟烷基乙烯基醚膜性能也很优良，可透过、、、和等6种特征气体。各种特征气体通过薄膜使油中溶气浓度达到平衡所需要的时间是十几～几十个小时。同时，透过气体的量还取决于温度。因此，温度越高，透气的速度越快，透气量也越大。油中溶气在线监测装置要配置溶气故障判断和数据分析系统。在获得动态浓度趋势分布曲线后，如果被监测数据满足判断条件，油中溶气在线监测装置则会自动做出