变压器在线监测技术综述

兰鹏 1 孙巍 2

摘要：变压器作为电力系统中的核心器件，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，从局部放电、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一一介绍。

关键词：变压器 状态检修 在线监测 绝缘诊断

0引言

变压器运行故障可分为内部故障和外部故障，内部故障为变压器油箱内产生的各种故障；外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引线上的各种故障。变压器的主要故障为内部故障，其从发生原因上可分为热故障和电故障两类。长期研究表明，油浸式电力变压器中绕组、铁芯和绝缘油温度值与变压器内部故障类型、程度存在十分密切的对应关系。因此，在线监视变压器的运行状态对及时发现变压器内部存在的故障具有非常重要的意义。对变压器故障的在线监测，可以及时地掌握变压器设备内部绝缘的真实状况，尽早地发现变压器内部存在的故障隐患。并能根据需要决定是否进行检修以及其他处理，以防止发生事故损坏。这样就能尽早地阻断变压器潜伏性故障的发展和扩大，可以将故障消灭于萌芽状态，因而这对于提高电力系统的可靠性具有非常重要的作用。这也是监督与保障变压器安全运行的一个重要手段，并具有在运行中不停电监测和早期故障诊断的优点^[1-3]。

1变压器局部放电在线监测技术

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，相应出现了脉冲电流法、超声波检测法、光测法、射频检测法和UHF超高频检测法。

1.1 脉冲电流法

当变压器内部出现局部放电时，产生的高频脉冲电流可利用罗可夫斯基线圈检测变压器中性点、外壳接地电缆处的脉冲电流，或用监测器捕获变压器高压套管抽头连接处的脉冲电流，以此判断变压器内部是否发生局部放电。该方法一般是检测脉冲电流信号的低频部分，通常为数kHz至数百kHz(至多数MHz)，其特点是测量灵敏度高、放电量可以标定等，其基本原理如图1所示。

图1 脉冲电流法原理图

1.2 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。

1.3 光测法

光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。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，其系统原理如图2所示。

图2 局部放电光测量与光谱分析系统

1.4 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。

1.5 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。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。

2 变压器绕组变形在线监测技术

绕组是变压器发生故障较多的部件之一。变压器绕组变形是指在机械力或电动力的作用下，绕组的尺寸或形状发生了不可逆转的变化，如轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组扭曲鼓包、匝间短路等。对于变压器绕组变形的常规试验方法如频响分析法、短路阻抗法等可以发现问题，主要有通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法，测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法，测量变压器频率响应并比较其变化的频响分析法。这些方法需要变压器退出运行，即离线检测方法，不能在线监测变压器绕组状况以便及时发现故障。

2.1 传递函数法

变压器绕组发生变形后，绕组的传递函数也会随之改变，利用在线监测绕组传递函数的方法对绕组变形进行检测，当两条传递函数曲线相关性显著降低时，可认定绕组变形。在线监测的具体实施根据实际情况有两种选，择已有变压器绕组原始传递函数数据，可以进行在线采集变压器绕组数据构造绕组传递函数，将两组函数进行比较如果存在显著下降现象，那么就可以认定为绕组变形;变压器绕组传递函数数据未知，则可通过采集同型号变压器的数据与在线采集数据进行比较，如果有显著下降，可认定为绕组变形。

此外，通常情况下，在获取变压器的传递函数曲线时，采用变压器工作电流中的高频成分来构造变压器传递函数，一方面能够确保获得高频分量的准确性，另一方面还可以在线监测。传递函数法数据经电流传感器传输到数据采集卡中，对其完成数据预处理后传输到上位机中进行数据处理。传递函数法在测试的整个过程中都没有与变压器发生直接的电联系，对变压器没有影响，同时还不需要进行在线注入信号，避免了诸多困难。

2.2 最小二乘法

有学者提出了一种通过在线测量变压器三相电压和电流量，采用递推最小二乘法辨识变压器的短路电抗和电阻的方法来进行变压器绕组在线监测。仿真测试结果表明，用参数辨识的方法在线辨识变压器的电抗和电阻，实现对绕组变形的在线监测是可行的。特别是当变压器受到短路电流的冲击之后，测量短路阻抗，通过分析其值的变化来判断变压器绕组是否存在变形、位移或短路放电等问题，无疑是有其现实意义的。由于绕组绝缘损坏造成的匝间短路会引起绕组的感性变化和电阻的变化，因此，该方法除了能够监测绕组变形外，也可以结合其它的一些检测方法作为判别变压器内部故障的一种手段。

3 变压器振动在线监测技术

电力变压器油箱表面的振动与使其振动的变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，故在线测量油箱表面振动可反映有载调压开关、绕组和铁心的机械性缺陷，也可对内部局放进行检测和定位。目前，美国、俄罗斯和加拿大等几个国家正在研究利用振动信号分析法在线监测变压器，且俄罗斯已进入现场试用，结果证实该法适于各类变压器，准确率高达80%～90%。其不足在于：未充分研究绕组振动特性，如测试位置对振动信号测量的影响及不同压紧状况下绕组振动信号的特征等。

振动监测常采用压电式加速度传感器，安装在变压器铁壳外，频率从几Hz到20kHz，最高80kHz。通常加速度传感器的灵敏度在10^-1至10²mV/(m/s²)数量级。

4 变压器在线监测技术的发展前景和方向

变压器的在线监测可以提早发现设备内部可能存在的缺陷或性能劣化，为检修提供判断，提高供电可靠性和经济性。因此，变压器的在线监测具有十分广阔的发展前景。

其发展方向主要有：

1）由对单台的设备进行监测向整个系统的在线监测延伸，并根据系统设备的运行情况，由专家系统判定最优化的运行计划。

2）实现设备的远程监测。

3）状态监测系统和其他系统联网，增强系统的安全性和可操作性。

4）低温环境下，在线监测装置的可靠性和稳定性亟需验证，针对于低温环境下在线监测装置的监测标准亟需建立。

虽然包括变压器在线监测在内的电力设备在线监测技术已经发展了几十年，但在线监测系统的选型、日常运行、判据分析、状态评价等方面仍缺乏相应的标准、规范和导则，运行单位对在线监测系统按电力设备的日常管理、维护工作有待规范。还有抗干扰等技术问题、设备的可靠运行和维护问题、经济效益（投入在线监测设备所产生的经济效益和成本）问题等。随着科学技术的不断发展进步，国内外标准的发布执行，电力设备的在线监测必将是未来高电压设备检测研究的重点。

参考文献：

[1] 杨红平, 张翰林. 变压器套管故障的在线监测技术[J]. 变压器, 2017(12): 62-64.

[2] 石林, 牟龙华, 刘晓明, 等. 换流变压器在线监测系统研究[J]. 变压器, 2014, 51(7): 69-72.

[3] 杨廷方. 变压器在线监测与故障诊断新技术的研究[D]. 华中科技大学, 2008: 1-10.