变压器在线监测系统 1 概述 电力变压器是电力系统最主要和最昂贵的设备之一，其安全运行对保证供电可靠性有重要意义。电力变压器的故障率较高，不仅会极大地影响电力系统的安全运行，同时也会给电力企业及电力用户造成很大的经济损失。为了提高电力系统运行的可靠性，减少故障及事故引起的经济损失，要定期对变压器进行绝缘预防性试验。但是，如果变压器停电进行预防性试验，将影响正常供电。因此对变压器运行状况在线监测越来越受到供电部门的重视。在线监测技术的发展与广泛应用是电力系统状态检修的基础，必将在电力生产中起到重要作用。 目前，国内外对变压器的监测主要有以下几方面的内容： （1） 对变压器局部放电的监测 （2） 对变压器有载分接开关的监测 （3） 对变压器的套管的监测 （4） 对变压器油的气相色谱监测 （5） 对变压器上层油温的监测 中国电力科学研究院研制的在线监测系统只对变压器套管、油中氢气浓度、铁心接地电流、上层油温及环境温湿度进行监测。 2系统结构 变压器在线监测系统的结构如图1所示，对变压器的套管、油中氢气、铁心接地电流、上层油温及气象条件进行在线监测。系统设计了“看门狗”。由于在线监测系统是在无人看管的条件下运行的，变电站又常常出现一些偶发干扰，这些干扰在某些条件下会导致计算机程序运行混乱、硬件故障或死机等问题。为了解决这个问题，设计了硬件复位电路——即“看门狗”。在正常情况下，程序不断地将硬件复位电路的计数器清零，硬件复位电路不会动作，计算机正常工作。一旦计算机在异常情况下发生死机，程序无法清除“看门狗”，在大约15分钟时间里，“看门狗”不被清零，硬件复位电路就将动作，触发计算机的硬复位端口使系统重新启动。采用这种措施可大大提高监测系统运行的可靠性。 图1 变压器在线监测系统框图 3监测内容及测量原理 3.1变压器套管 3.1.1 监测内容 变压器套管为电容型设备，监测内容如下： 介质损耗因数（ ） 泄漏电流 电容量变化率 3.1.2 测量原理 （1）介质损耗因数（ ）的测量原理 介质损耗测量系统对设备绝缘劣化的故障有较高的灵敏度，在绝缘预防性试验中介质损耗测量是必不可少的测量项目。同时高压设备的介质损耗一般都很小，所以对测量的精度要求很高，而且在现场测量时易受各种形式的干扰，因此要精确而稳定地在线监测设备的介质损耗难度较大。 系统使用穿芯电流传感器（CT），结合软、硬件方法对套管进行介损测量。即使用一个穿芯CT取流过被测设备的电流Ic ，参考电压信号U取自该设备所在母线上的PT，通过PT二次侧回路接一组电容CPT将参考电压信号转为参考电流信号，用另一穿芯CT测该电流Ipt，其中Ic和Ipt的角度差为 ，如图2所示。 图2 介损测量原理图 通过滤波、锁相等硬件信号调理电路，结合傅里叶变换（FFT）算法，计算出 ，则介损 。 图2中CT1和CT2为特制的有源CT。 （2）泄漏电流 通过测量图2中CT2的输出电压Uc，可得泄漏电流： （3）母线电压 通过测量图2中CT1的输出电压Upt，计算可得母线电压： 3.1.3 运行结果 从运行的数据结果可以总结出以下两点经验： （1）介损的监测受PT参考信号的影响，同相各设备受影响的程度相同，可以运用数据处理的方法消除该影响； （2）在线监测介损的判断方法应从其变化趋势来
分析
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。该经验同样适用于对变压器套管。 3.2油中氢气的监测 分析变压器类等充油设备油中溶解氢气等可燃性气体，可以预报设备内部存在的故障隐患，以便及早采取必要的措施，防事故于未然。 高压电气设备的潜伏性故障可分为过热性故障和放电性故障两大类。过热性故障是指铁心多点接地和局部短路、接点焊接不良等故障形式；放电性故障是指电弧放电、火花放电和局部放电等故障形式。无论是过热性故障还是放电性故障，最终都将导致电气设备绝缘介质裂解，产生各种特征气体。由于碳氢键之间的键能低，生成热小，在绝缘材料的分解过程中，总是先生成氢气，因此氢气是各种故障特征气体的主要组成成分之一。目前，电力系统中采用气相色谱法分析油中溶解气体含量，这对正确判断设备早期故障起了很大的作用。但气相色谱法由于受到实施周期的限制，有可能错过检测到迅速发展的故障的短期预兆；另外气相色谱法在实施过程中气体难免从油中逸出，尤其是对极易扩散的氢气更为严重。因此在气相色谱法的分析结果中，氢气的含量往往出现较大的分散性，也就不容易引起人们的重视。 本系统的测氢探头采用高分子膜渗透油中氢气，直接从油中分离出氢气进行在线监测，弥补了气相色谱法周期性限制和误差大的缺陷，并根据氢气含量的变化情况，预知设备的早期故障，是目前较为理想的手段。 油中氢气含量的测量采用活化的铂丝作为氢敏元件。当氢气在加热到恒定高温的铂丝上燃烧时，引起铂丝电阻值的变化，这种变化在一定范围内与氢气浓度成函数关系。对氢敏元件获得的信号进行采集处理，即可得到氢气浓度。有稳定可靠及寿命长的优点，是国外采用燃料电池作为氢敏元件所不能匹及的。 3.2.1 测量原理 测氢探头采用高分子膜渗透油中氢气，直接从油中分离出氢气，采用活化的铂丝作为氢敏元件，通过氢气在铂丝上燃烧，引起铂丝电阻值的变化，来测量氢气含量的。其原理框图如图3。 图3 氢气含量检测原理框图 3.2.2 油气分离 油气分离由透氢率高的高分子膜完成。高分子膜固定在特殊设计的气室里，气室的底座通过法兰与变压器连接。 3.2.3 试验及运行结果 本系统已在变电站和电厂投运6台，运行情况良好，最小检测浓度可达 。运行稳定，测量准确，抗干扰性强，安装方便，基本不用维护。 3.3上层油温的监测 3.3.1 监测原理 变压器上层油温的异常变化，可以反映出变压器的过热性故障。本系统用Pt100温度传感器对变压器上层油温进行监测。测量的原理框图如图4。 图4 变压器上层油温测量的原理框图 3.3.2 监测结果 正常运行中的变压器，上层油温与负荷、环境温度等因素有关。目前正在运行中的监测系统，由于未接变压器负荷监测，对结果的分析还不能非常细致，但是一般情况下，环境温度高时，上层油温也高。 4 测量方式 测量方式采用整点检测方式。对变压器套管和变压器油中氢气含量的检测则每天检测一次，铁心接地电流、油温及气象条件每小时检测一次。 5 总结 （1）电力变压器是变电站中的重要设备，开展电力变压器的内部绝缘在线监测对保证电力系统的安全可靠运行具有重要意义。 （2）电科院开发的电力变压器绝缘在线监测系统已经投入实际应用，取得的运行经验证明，该系统运行稳定，可靠。 （3）变压器的局部放电是引起绝缘故障的主要原因之一，开发其在线监测技术具有重要意义。但如何提高局部放电在线监测的灵敏度和抗干扰能力还没有得到很好解决。因此，国内外已经开发出了相关的监测系统或监测仪器，到目前为止，还没有见到明显的使用效果。
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