变压器在线监测技术及其发展探索

摘要：随着我国科技和经济的不断发展，我国的电力事业得到了迅速的发展。但与此同时，人们生活质量提高和经济的发展也给国家电力系统设备的运行可靠性提出了更高的要求。变压器作为电力系统中的关键性设备，其运行的好坏影响整个电力系统运行的质量，因此电力部门要加大对变压器的重视程度，将变压器的在线检测和诊断技术作为重点的科研攻关项目，只有确保了变压器的稳定、安全运行，才能减少电力系统事故的发生，进一步保障电力系统的运行。本文重点讲述了变压器在线检测技术的原理和发展现状，并对其的发展趋势做了简单概述。

关键词：变压器；在线监测技术；原理；形状；发展

1变压器在线监测技术的原理

变压器早期故障的特征气体是油中的一氧化碳和氢气，它们主要是变压器内的有机绝缘材料和绝缘油伴随着变压器运行时间的增加并在热和电的长期作用下老化、分解产生的，与它们一起产生的气体还有二氧化碳和烃类气体，这些气体大多数都是溶解在变压器油中。变压器在线监测装置的工作原理是变压器油中的特征气体通过与变压器本体直接相连的传感器内部的渗透膜选择性地进入到气体检测器中，并通过与传感器内部燃料电池和空气中氧气发生化学反应来产生一个与反应速率成比例的输出电信号，再经过整流放大输出电信号和温度补偿电信号后，最后在装置显示屏上以体积分数值μL/L形式向技术人员显示[1]。其中，传感器是无源元件，无转动部分，也不需任何试剂或其它材料，其所需要的燃料是特征气体。

渗透膜的选择性及燃料电池对氢气、一氧化碳、乙炔和乙烯的敏感程度分别是100%、（

18±3）%、（8±2）%、（1.5±0.5）%，因而显示值与DGA的关系是：显示值=H2（DGA）×100%+CO（DGA）×18%+C2H2（DGA）×8.5%+C2H4（DGA）×1.5%。而变压器在线监测装置主要是通过对显示值是否与基线速率相偏离的监测来预测变压器是否将存在故障早期。因而，该装置具有安全可靠、安装方便、维护量小等优点。

2.变压器在线监测技术现状

变压器在线监测技术包括：油中溶解气体测量与分析(DGA），局部放电(PD)及光纤测温、铁芯接地、套管介质、有载开关的触头磨损等技术。

2.1油中溶解气体测量与分析

通过监测确定特征气体，油中溶解气体分析已被证明对发现油浸变压器内部潜伏性故障相当有效和可靠。安装油中特征气体传感器能够进行连续监测，可监测到早期的潜伏性故障征兆，从而有助于用户尽可能采取正确的检修措施，但该方法对突发性故障反应并不灵敏。现有的DGA技术能够确定气体的类型、浓度、趋势及气体的产生速率，油中溶解气体的变化速率在判断故障发展严重性方面很有参考价值。

目前就国内外专业技术而言，变压器油色谱在线监测装置从监测功能上分为两类。第一类属于定性检测，即通过检测单一组分或2种组分来监测变压器的运行状况[2]。第二类属于定量检测，即对油中多组分的气体进行分离检测。由于定性检测难以适应电力设备高精度的检测要求，目前已逐步被定量检测取代。在定量检测中，关键技术主要集中在油气分离和气体含量检测2个方面。

气体分离的技术主要采用的是动态顶空(吹扫—捕集)脱气和渗透膜脱气(包括特殊加工的虹吸毛细膜和陶瓷膜)；气体含量检测方面目前主要有气相色谱和基于红外吸收原理的光声(光谱燃料电池盒)。目前，应用比较普遍和有效的是气相色谱技术，而光谱技术属于比较前沿的检测技术，未得到一致性的认可和推广[3]。

2.2局部放电

PD不仅是绝缘老化的现象和表征，而且是促使绝缘老化的一个重要因素，故需要进行PD在线监测。研究表明：超高压变压器在工作电压下长期运行寿命的长短与其绝缘中有无PD密切相关，即PD越弱，则正常运行的寿命越长。同时，在线监测PD可及时预防或发现突发性故障，这也是其优于DGA的关键。

现有PD在线测量方法主要有电脉冲测量和超声波测量，近期国内外又出现了甚高频(VHF)、超高频(UHF)测量等方法，但其中应用最广泛、技术最成熟的则是依据离线测量标准IEC270(或IEC60270)的电脉冲测量方法。应用电脉冲测量方法的系统不尽相同，其主要差异在于罗高夫斯基传感器的安放位置、系统的检测频带、抗脉冲型干扰方法等方面，而在数据采集、信号处理及显示上并无太大区别。

目前国内PD在线监测系统的水平和国外比较接近，基本使用嵌式传感器，不需改变变压器的接线，这一点受到了用户的欢迎。

武汉高压研究所研制的PD系统，采用带宽为10～1000 kHz的电流传感器，从套管末屏、中性点及铁芯等接地线处耦合脉冲信号，组成平衡对以消除外来脉冲干扰，同时获得局部放电脉冲幅值及次数。西安交通大学研究的BYT型PD系统，测量频带为40 kHz～2 MHz，在每相高压套管底座及套管末屏处分别安装“一大一小”2路传感器，系统通过鉴别2路脉冲信号的极性来定向耦合变压器内部的PD信号，从而有效抑制外来干扰。

变压器局部放电在线监测的灵敏度一般为1000 pC以上，高于离线下的变压器出厂试验规定值。所以，现有系统主要依据PD的长期发展趋势对变压器绝缘状况进行分析，而不完全根据某次的单一测量值。此外，还可利用局部放电椭圆图、二维谱图、三维谱图等对局部放电的类型进行分析。

2.3其他测量技术

还可以通过对变压器铁芯接地电流进行在线监测，以此判断变压器铁芯是否出现多点接地故障。GE公司生产的LTC-MAP系统可在线监测变压器有载调压开关的状况及测量套管的介质损耗等，但无法实现对变压器油中微水、绕组温度分布(决定绕组最热点温度)及其纸绝缘的老化参量(如糠醛)等的在线监测。目前国内外都在积极探索新技术。

变压器在线监测研究发展趋势及研究方向

①仪器上：发展了光学器件如分红气体分析器，红外气体分析器的特点是能测量多种气体含量。测量范围宽，灵敏度高精度高，响应快，选择性良好可靠性高，寿命长，可以实现连续分析和自动控制。红外气体分析器的工作原理基于吸光度定律，从物理特征上可以划分为不分光型、分光型、傅立叶红外型以及基于微机电系统技术的微型红外气体分析器[4]。分光型红外气体分析器是利用分光系统从光源发出的连续红外谱中分出单色光，使通过介质层的红外线波长与被测组分的特征吸收光谱相吻合而进行测定的。不分光型红外气体分析器（NDIR）指光源发出的连续红外谱全部通过固定厚度的含有被测混合气体的气体层。由于被测气体的含量不同，吸收固定红外线的能量就不同。

②理论工具上：模糊理论，人工神经网络，专家系统及灰色理论在DGA的分析中都有应用。

总之，在线监测技术是一项有效维护变压器稳定运行的技术，具有安全可靠、安装方便、维护量小、能降低检修维护成本等优点。电力部门要在需求增加的要求下，合理、有效的运用在线监测技术，保障变压器的正常正常运行，才能保障电力企业的正常运作，延长机械的使用寿命，维护电力企业的良性、健康发展。