在線監(jiān)測(cè)及紅外診斷在變壓器故障分析中的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，我國的電力行業(yè)近幾年得到迅猛發(fā)展，僅廣東省的用電需求量同比2000年增加了一倍多，而目前廣東省總的裝機(jī)容量不足40000 MW，還從三峽、云貴地區(qū)輸入近8000 MW的電力容量，但仍存在近7000 MW的空缺，特別是夏季缺電高峰期拉閘限電時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活的繁榮穩(wěn)定。預(yù)計(jì)到2020年，廣東省裝機(jī)容量還要凈增80000 MW，到時(shí)整個(gè)電網(wǎng)的容量和電壓等級(jí)將會(huì)大幅提升。目前國內(nèi)已經(jīng)形成了以500 kV超高壓線路為主干的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，一些電力發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)開始采用750 kV和1000 kV以上等級(jí)的特高壓線路，作為輸變電的重要設(shè)備—變壓器的安全運(yùn)行就顯得非常的重要，它將直接影響到整個(gè)電力事業(yè)的發(fā)展方向和電力建設(shè)的前途。

2大型變壓器發(fā)展介紹
目前我國變壓器企業(yè)數(shù)量較多，而有能力生產(chǎn)500 kV及以上電壓等級(jí)的企業(yè)卻屈指可數(shù)，傳統(tǒng)國營企業(yè)象西變、保變、新疆特變（已收購了沈變）等，同時(shí)還有外資企業(yè)如東芝、ABB、西門子公司等，一些民營企業(yè)得到迅猛發(fā)展也逐漸走進(jìn)這個(gè)市場。

2.1變壓器的容量和體積
變壓器的電壓等級(jí)往往隨著容量的增加而增加，然而一個(gè)比較嚴(yán)重的問題就是其體積和重量也隨之增加，不但在設(shè)計(jì)和制造時(shí)困難較大，最主要的是運(yùn)輸受到限制。在我國，由于內(nèi)陸較多，傳統(tǒng)運(yùn)輸主要依靠公路和鐵路，一般公路運(yùn)輸受橋梁承重和隧道高度的限制，而鐵路運(yùn)輸主要受高度限制，象秦嶺段鐵路就要求貨物限高不超過4.5 m，這剛好是360 MVA左右變壓器的極限高度，這就影響到了變壓器容量和重量的增加。此外，在高海拔、污穢以及覆冰地區(qū)由于外絕緣相對(duì)偏低，需要加強(qiáng)絕緣以提高其電壓等級(jí)，所以其電力發(fā)展也受到一定的限制。對(duì)于三相變壓器而言，由于其同比投資要低于三臺(tái)單相變壓器，在條件滿足的情況下，廠家還是主張采用三相變壓器。目前，一些工藝相對(duì)比較先進(jìn)的企業(yè)象ABB之類公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)700 MVA/500 kV的緊湊型變壓器，并已成功運(yùn)輸和安裝到一些偏遠(yuǎn)山區(qū)。然而對(duì)于更大容量和電壓等級(jí)的變壓器目前還多采用單相變壓器為主，在一些大型工程中特別是水電行業(yè)，已經(jīng)采用了1000 MVA/1000 kV的單相自耦且中性點(diǎn)有載調(diào)壓的變壓器。

2.2變壓器的結(jié)構(gòu)與制造工藝
變壓器在設(shè)計(jì)中不光要考慮其絕緣強(qiáng)度，同時(shí)還要考慮到整個(gè)繞組的電位分布、循環(huán)油路、散熱條件、整體密封性等，所以對(duì)于大容量、超高壓、特高壓變壓器來說，其結(jié)構(gòu)要求越簡單越好，不但是內(nèi)部電氣部分的布局，還應(yīng)該包括對(duì)器身、附件等設(shè)計(jì)的考慮。
以常州東芝500 kV變壓器為例，如圖1所示：

其主體仍然采用三相五柱式結(jié)構(gòu)，它的鐵芯結(jié)構(gòu)采用框架夾持，上部鐵軛是在整體成形后再疊上，夾件選材比較合理，鐵芯柱采用高強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂綁帶加固，鐵芯上、下層各有一條油道，整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊。東芝公司在考慮到變壓器運(yùn)輸和安裝的前提下采用現(xiàn)場不吊芯的整體封裝結(jié)構(gòu)，使得運(yùn)輸和安裝過程中少了很多程序，不但可以防潮，防止異物進(jìn)入本體，還有效的防止因箱沿處密封老化而引起的滲漏油。
廠家還會(huì)根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的設(shè)備，尤其是對(duì)于某些發(fā)達(dá)地區(qū)土地和空間資源相對(duì)匱乏，要求器身乃至附件都必須滿足緊湊型，有些地方還采用了獨(dú)特的高層立體布置的散熱裝置，極大限度的節(jié)約了變壓器安裝空間。

2.3變壓器故障分析
從國內(nèi)變壓器運(yùn)行的故障統(tǒng)計(jì)表明，主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面[1]：
⑴ 抗短路能力不足。由于器身結(jié)構(gòu)相對(duì)緊縮，變壓器的容量裕度相對(duì)較小，所以抵抗大電流的能力較弱，往往需要采用單獨(dú)的電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。特別是緊湊型變壓器其過負(fù)荷能力較低，較低的超負(fù)荷都可能導(dǎo)致變壓器過熱而引起保護(hù)動(dòng)作。
⑵ 絕緣故障。由于繞組結(jié)構(gòu)緊縮，其相間和匝間距離減少，絕緣相對(duì)減弱，局部發(fā)熱現(xiàn)象比較嚴(yán)重，特別是存在局部缺陷時(shí)內(nèi)絕緣就顯得比較脆弱，其耐受陡波和過電壓沖擊的能力下降。而外絕緣主要影響因素有污穢、海拔和潮濕天氣，這是發(fā)生外絕緣閃絡(luò)的主要原因，一般干燥天氣下外絕緣強(qiáng)度是很高的。
⑶ 附件質(zhì)量（套管、分接開關(guān)、冷卻器等）。目前根據(jù)統(tǒng)計(jì)，變壓器套管出現(xiàn)問題的數(shù)量在增加，原因有：套管本身的絕緣缺陷、引線接觸不良發(fā)熱、運(yùn)輸安裝中的機(jī)械損傷等。
⑷ 非電量保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。
⑸ 安裝、檢修、運(yùn)行維護(hù)中存在的問題，其中包括生產(chǎn)廠家產(chǎn)品嚴(yán)重質(zhì)量問題；局部過熱、振動(dòng)、噪聲較大、色譜不良、介損增大、滲漏油等。

根據(jù)變壓器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出六點(diǎn)運(yùn)行中異常的判斷方法：
⑴ 外觀異常。套管出現(xiàn)閃絡(luò)放電、器身表面出現(xiàn)滲漏油、油位表和油流計(jì)指示不到等。
⑵ 顏色、氣味異常。套管連接端部發(fā)熱氧化而顏色發(fā)暗、放電產(chǎn)生臭氧氣味、密封不嚴(yán)或玻璃罩破損造成呼吸器硅膠變色、過熱或放電使得氣體繼電器內(nèi)有氣體等。
⑶ 聲音異常。由于出現(xiàn)過電壓或過負(fù)荷使得交流聲增大、出現(xiàn)雜聲和放電聲、油溫和油位急劇上升使得變壓器出現(xiàn)沸騰聲、內(nèi)部被擊穿而出現(xiàn)的爆裂聲。
⑷ 溫度異常。變壓器運(yùn)行中需要監(jiān)視其上層油溫，不允許超過溫升最大值，當(dāng)處于同一條件下，變壓器的溫度比平常高出10℃，或者負(fù)荷不變情況下，溫度持續(xù)上升則可判斷變壓器內(nèi)部異常，其大致原因有：內(nèi)部發(fā)熱故障、散熱器閥門堵塞、冷卻器故障、變壓器嚴(yán)重缺油。
⑸ 油位異常。運(yùn)行中油位計(jì)損壞，浮子或膠囊破裂出現(xiàn)假油位、變壓器嚴(yán)重滲漏或多次檢修放油后沒有補(bǔ)充，或者環(huán)境溫度較低，油枕容積偏小等會(huì)導(dǎo)致油面過低。
⑹ 負(fù)載異常。正常過載控制在規(guī)定范圍內(nèi)對(duì)變壓器危害較小，而事故過載將嚴(yán)重減少變壓器壽命，在下列情況下不允許變壓器過載運(yùn)行：持續(xù)處于滿載運(yùn)行的變壓器；變壓器冷卻系統(tǒng)不正常；發(fā)生嚴(yán)重滲漏油、內(nèi)部存在異常或缺陷。

3變壓器在線監(jiān)測(cè)及故障診斷
由于變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)就顯得特別重要，比較成熟的有傳統(tǒng)的變壓器繼電保護(hù)，它包括主保護(hù)，后備保護(hù)和附加保護(hù)等，這些保護(hù)對(duì)變壓器的安全運(yùn)行起到非常重要的作用，特別是再結(jié)合相關(guān)電氣和物理化學(xué)試驗(yàn)，基本上能保證變壓器正常運(yùn)行。然而許多缺陷只有在運(yùn)行狀態(tài)下才能有效發(fā)現(xiàn)，設(shè)備故障前常常會(huì)出現(xiàn)一些異常狀態(tài)，而這些狀態(tài)無法通過傳統(tǒng)的保護(hù)檢測(cè)到，而在線監(jiān)測(cè)方式可以較好的解決這個(gè)問題，維護(hù)人員可以及時(shí)得到最新和最準(zhǔn)確的變壓器運(yùn)行狀態(tài)。這就是目前得到國內(nèi)外專家認(rèn)同的設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，涉及到的主體部件為：磁路、繞組及固體絕緣、液體絕緣、（氣體絕緣）和冷卻系統(tǒng)。擬診斷的故障為：過熱性故障、放電性故障、過熱兼放電故障、機(jī)械故障和進(jìn)水受潮等。常用的局部放電監(jiān)測(cè)與診斷，多采用電脈沖信號(hào)法和超聲法。對(duì)電信號(hào)和聲信號(hào)聯(lián)合監(jiān)測(cè)取得理想的定量和定位效果，根據(jù)視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來判斷故障[1]。在新的南方電網(wǎng)制定的預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中，已經(jīng)把油色譜在線監(jiān)測(cè)和紅外成像診斷寫入規(guī)程中。

3.1變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)
多年來通過離線采樣分析油中溶解氣體組分含量的變化，結(jié)合電氣試驗(yàn)診斷設(shè)備內(nèi)部故障，是國內(nèi)外公認(rèn)不二的有效手段，為設(shè)備的安全運(yùn)行作出了巨大貢獻(xiàn)。然而，現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)技術(shù)存在一定的局限性。我國2001年修訂的GB/T7252油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則，肯定了這種趨勢(shì)，將油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)作為其他方法予以推薦，旨在引起重視和規(guī)范。

經(jīng)過多年實(shí)踐得出油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)[4]：
⑴ 監(jiān)測(cè)儀器可靠性要高，能長期穩(wěn)定運(yùn)行；
⑵ 監(jiān)測(cè)儀必須盡可能檢測(cè)流動(dòng)油，保證結(jié)果的及時(shí)性和準(zhǔn)確性；
⑶ 在線監(jiān)測(cè)的診斷方法；
⑷ 在線監(jiān)測(cè)要求有一定的自動(dòng)化程度；
⑸ 在線監(jiān)測(cè)儀的造價(jià)要低。

目前對(duì)氣體進(jìn)行的采樣還多采用薄膜滲透法，而對(duì)氣體的檢測(cè)也有多種方法，比較先進(jìn)的傳感器是采用色譜柱載氣分離法，結(jié)合相應(yīng)的診斷方法，如三比值法、基于模糊理論、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于灰色理論、基于專家系統(tǒng)的診斷方法，在實(shí)際應(yīng)用中已取得較好效果。

目前國內(nèi)外研究和制造油色譜設(shè)備的廠家不少，測(cè)試手段和取樣側(cè)重點(diǎn)各不相同，如中能公司（加拿大公司中國代理）設(shè)計(jì)的簡易在線色譜儀主要監(jiān)測(cè)變壓器的單氫和總烴；重慶海吉公司對(duì)氣體組分進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析及專家系統(tǒng)診斷；而河南中分及寧波理工兩家在國內(nèi)采用在線色譜柱分離油中溶解氣體，能夠定性和定量測(cè)出氫氣、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2、CO七種氣體組分，通過其現(xiàn)場MIS系統(tǒng)能迅速的把測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)焦ぷ髡竞凸芾碚呗?lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)中，為準(zhǔn)確得出變壓器運(yùn)行狀態(tài)提供了比較可靠的數(shù)據(jù)分析。根據(jù)現(xiàn)場安裝后的效果反饋，定量分析氣體組分的設(shè)備更能夠準(zhǔn)確提供變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，是以后的重點(diǎn)發(fā)展方向，目前一些有實(shí)力的公司和研究室正在致力于研究光聲傳感器，使得在線色譜儀中不再攜帶載氣裝置，延長設(shè)備使用壽命和監(jiān)測(cè)精確度。
雖然油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也存在一些缺陷，如安裝位置受變壓器自身?xiàng)l件限制，測(cè)量需要載氣條件，不能完全代替現(xiàn)在的氣相色譜分析等，但它畢竟代表一種方向，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行給予了極大的重視，因此對(duì)在線監(jiān)測(cè)提出了更高的期望。例如，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須有效地檢測(cè)好幾種形式的故障(熱，機(jī)械，介質(zhì)等)，該系統(tǒng)必須把誤報(bào)警減到最少并能可靠和長期穩(wěn)定運(yùn)行，這涉及到了各個(gè)科研生產(chǎn)部門，如化工、冶金、材料、半導(dǎo)體、電訊、計(jì)算機(jī)等。但是迄今為止，現(xiàn)有系統(tǒng)的進(jìn)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善和先進(jìn)，還不能滿足應(yīng)用到多種目的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求，有待于今后進(jìn)一步研究和開發(fā)新型的、可靠的和多功能的監(jiān)測(cè)裝置。

3.2變壓器故障的紅外診斷
紅外技術(shù)是隨著近代光電子技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一門嶄新的技術(shù)領(lǐng)域，它的主要原理是基于：任何高于絕對(duì)零度（－273.15℃）的物體都會(huì)因自身分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。紅外線是一種電磁波，其波長在0.75～1000 μm之間，按波長范圍分近紅外（0.75～3 μm）、中紅外（3～6 μm）、遠(yuǎn)紅外（6～15 μm）、極遠(yuǎn)紅外（15～1000 μm）。由于物體表面由許許多多單元組成，所以物體表面都存在一個(gè)熱輻射能量場，相應(yīng)有一個(gè)溫度分布場。紅外成像儀就是利用對(duì)物體表面紅外輻射強(qiáng)弱進(jìn)行探測(cè)而呈現(xiàn)出物體表面形狀輪廓及溫度分布情況，以便人眼觀察的儀器。紅外圖像的亮暗反映出物體表面溫度的高低，通過對(duì)物體表面溫度及溫度場的檢測(cè)便可以判斷設(shè)備是否存在缺陷[2]。
紅外檢測(cè)作為一種先進(jìn)檢測(cè)手段，是電力系統(tǒng)各單位近年來大力推廣應(yīng)用的新技術(shù)。對(duì)運(yùn)行中電氣設(shè)備熱故障進(jìn)行紅外檢測(cè)，具有不停電、遠(yuǎn)距離、安全可靠、準(zhǔn)確高效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備熱故障地有點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)帶電檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修的最有效手段之一。高壓電氣設(shè)備在正常運(yùn)行情況下，將有部分電能以不同損耗形式轉(zhuǎn)化為熱能，使電氣設(shè)備溫度升高，這些電能損耗主要包括由于電阻的電流效應(yīng)引起的發(fā)熱；由于電壓作用在絕緣介質(zhì)上引起的發(fā)熱；由于鐵芯的磁滯、渦流等電磁效應(yīng)引起的發(fā)熱。高壓電氣設(shè)備存在外部和內(nèi)部故障，外部故障可分為：電氣接頭連接不良；表面污穢或機(jī)械力作用造成外絕緣下降。而內(nèi)部故障主要發(fā)生在導(dǎo)電回路和絕緣介質(zhì)上，一般可概括為：導(dǎo)體連接或接觸不良；介質(zhì)損耗增大；電壓分布不均或泄漏電流過大；絕緣老化、受潮、缺油等產(chǎn)生局部放電、磁回路不正常。

對(duì)于變壓器而言，紅外診斷主要能發(fā)現(xiàn)的故障有[3]：
⑴ 箱體渦流損耗發(fā)熱。主要由于漏磁產(chǎn)生的渦流引起箱體或部分連接螺桿發(fā)熱。
⑵ 變壓器內(nèi)部異常發(fā)熱。這時(shí)的熱譜圖不具有環(huán)流形狀，常常伴有變壓器內(nèi)部油的氣化，可結(jié)合油色譜進(jìn)行綜合分析。
⑶ 冷卻裝置及油回路異常。常出現(xiàn)潛油泵過熱；油路管道堵塞或閥門未能開啟；油枕缺油或假油位；油枕內(nèi)有積水。
⑷ 高壓套管缺陷。介質(zhì)損耗增大；套管缺油；導(dǎo)電回路連接件接觸不良。
⑸ 鐵芯絕緣不良。干式變壓器的熱譜圖比較明顯，而油浸式變壓器需要在吊罩后施加一定試驗(yàn)電壓才能觀測(cè)到鐵芯絕緣損壞情況。
目前紅外診斷技術(shù)已在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了較多的故障隱患，為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了可靠保證。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2002年第三季度～2003年第二季度，廣電集團(tuán)所屬各分公司共發(fā)現(xiàn)重大和緊急缺陷2222項(xiàng)，其中發(fā)熱引起的缺陷約317項(xiàng)，占全部缺陷的14.3%，而這些發(fā)熱缺陷大部分是采用紅外成像技術(shù)診斷出來的。

4 總結(jié)
曾經(jīng)在一段時(shí)間，國內(nèi)外一些專家和廠家都提出側(cè)重于電力一次設(shè)備的制造工藝，并預(yù)言在線監(jiān)測(cè)技術(shù)沒有太大的發(fā)展前景。而在實(shí)際工作中，設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝到最后的運(yùn)行需要經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié)，不可避免的會(huì)產(chǎn)生一系列的缺陷和隱患，有些缺陷在常規(guī)試驗(yàn)中很難被發(fā)現(xiàn)，并且在運(yùn)行過程中各種狀態(tài)千變?nèi)f化，不能只憑常規(guī)的試驗(yàn)和二次保護(hù)就能夠完全保證設(shè)備的運(yùn)行安全。實(shí)踐也證明了在線監(jiān)測(cè)可以很好解決設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確的為設(shè)備提供可靠的狀態(tài)分析。目前，變壓器試驗(yàn)已逐漸由常規(guī)的電氣試驗(yàn)向狀態(tài)檢修過渡，結(jié)合多種方法及時(shí)對(duì)其故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，力圖把隱患消除在萌芽狀態(tài)。

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