在线监测及红外诊断在变压器故障分析中的应用

在线监测及红外诊断在变压器故障分析中的应用

摘要
随着电力建设的大力发展，电网容量和电压等级也随之增长，而作为电网中输变电的重要设备变压器，从设计到制作都发生了较大的变化。本文对目前大型变压器的制作和发展进行了介绍，以及运行中变压器出现故障的分析，同时结合相关的知识，提出了大型变压器在运行中利用油色谱在线监测以及红外成像技术进行故障诊断的综合措施。

关键词：变压器  在线监测  红外成像  故障诊断
Abstrct：With the development of the construct of electric power, followed the capacity and voltage rank of the system are increasing, the design and produce of the transformer have changed very largely. Combine with the relative knowledge, this paper have introduced the produce and development of the large transformer, it put forward the integrate measures to diagnostic the failure of the transformer by using on-line system and infrared-photo.
Keyword:  Transformer  On-line system  Infrared-photo  Failure-diagnostic

1 引言
随着国民经济的不断增长，我国的电力行业近几年得到迅猛发展，仅广东省的用电需求量同比2000年增加了一倍多，而目前广东省总的装机容量不足40000 MW，还从三峡、云贵地区输入近8000 MW的电力容量，但仍存在近7000 MW的空缺，特别是夏季缺电高峰期拉闸限电时有发生，严重影响了国民经济的持续发展和人民生活的繁荣稳定。预计到2020年，广东省装机容量还要净增80000 MW，到时整个电网的容量和电压等级将会大幅提升。目前国内已经形成了以500 kV超高压线路为主干的电力传输网络，一些电力发达地区已经开始采用750 kV和1000 kV以上等级的特高压线路，作为输变电的重要设备—变压器的安全运行就显得非常的重要，它将直接影响到整个电力事业的发展方向和电力建设的前途。

2 大型变压器发展介绍
目前我国变压器企业数量较多，而有能力生产500 kV及以上电压等级的企业却屈指可数，传统国营企业象西变、保变、新疆特变（已收购了沈变）等，同时还有外资企业如东芝、ABB、西门子公司等，一些民营企业得到迅猛发展也逐渐走进这个市场。

2.1 变压器的容量和体积
变压器的电压等级往往随着容量的增加而增加，然而一个比较严重的问题就是其体积和重量也随之增加，不但在设计和制造时困难较大，最主要的是运输受到限制。在我国，由于内陆较多，传统运输主要依靠公路和铁路，一般公路运输受桥梁承重和隧道高度的限制，而铁路运输主要受高度限制，象秦岭段铁路就要求货物限高不超过4.5 m，这刚好是360 MVA左右变压器的极限高度，这就影响到了变压器容量和重量的增加。此外，在高海拔、污秽以及覆冰地区由于外绝缘相对偏低，需要加强绝缘以提高其电压等级，所以其电力发展也受到一定的限制。对于三相变压器而言，由于其同比投资要低于三台单相变压器，在条件满足的情况下，厂家还是主张采用三相变压器。目前，一些工艺相对比较先进的企业象ABB之类公司已经能够生产700 MVA/500 kV的紧凑型变压器，并已成功运输和安装到一些偏远山区。然而对于更大容量和电压等级的变压器目前还多采用单相变压器为主，在一些大型工程中特别是水电行业，已经采用了1000 MVA/1000 kV的单相自耦且中性点有载调压的变压器。

2.2 变压器的结构与制造工艺
变压器在设计中不光要考虑其绝缘强度，同时还要考虑到整个绕组的电位分布、循环油路、散热条件、整体密封性等，所以对于大容量、超高压、特高压变压器来说，其结构要求越简单越好，不但是内部电气部分的布局，还应该包括对器身、附件等设计的考虑。
以常州东芝500 kV变压器为例，如图1所示：

图1  500 kV三相变压器立体结构 Fig 1 The solid structure of 500 kV Three-phase Transformer

其主体仍然采用三相五柱式结构，它的铁芯结构采用框架夹持，上部铁轭是在整体成形后再叠上，夹件选材比较合理，铁芯柱采用高强度的环氧树脂绑带加固，铁芯上、下层各有一条油道，整个结构非常紧凑。东芝公司在考虑到变压器运输和安装的前提下采用现场不吊芯的整体封装结构，使得运输和安装过程中少了很多程序，不但可以防潮，防止异物进入本体，还有效的防止因箱沿处密封老化而引起的渗漏油。
厂家还会根据用户的需要设计相应的设备，尤其是对于某些发达地区土地和空间资源相对匮乏，要求器身乃至附件都必须满足紧凑型，有些地方还采用了独特的高层立体布置的散热装置，极大限度的节约了变压器安装空间。

2.3 变压器故障分析
从国内变压器运行的故障统计表明，主要表现在以下五个方面[1]：
⑴ 抗短路能力不足。由于器身结构相对紧缩，变压器的容量裕度相对较小，所以抵抗大电流的能力较弱，往往需要采用单独的电抗器进行补偿。特别是紧凑型变压器其过负荷能力较低，较低的超负荷都可能导致变压器过热而引起保护动作。
⑵ 绝缘故障。由于绕组结构紧缩，其相间和匝间距离减少，绝缘相对减弱，局部发热现象比较严重，特别是存在局部缺陷时内绝缘就显得比较脆弱，其耐受陡波和过电压冲击的能力下降。而外绝缘主要影响因素有污秽、海拔和潮湿天气，这是发生外绝缘闪络的主要原因，一般干燥天气下外绝缘强度是很高的。
⑶ 附件质量（套管、分接开关、冷却器等）。目前根据统计，变压器套管出现问题的数量在增加，原因有：套管本身的绝缘缺陷、引线接触不良发热、运输安装中的机械损伤等。
⑷ 非电量保护误动和拒动。
⑸ 安装、检修、运行维护中存在的问题，其中包括生产厂家产品严重质量问题；局部过热、振动、噪声较大、色谱不良、介损增大、渗漏油等。

根据变压器运行经验，总结出六点运行中异常的判断方法：
⑴ 外观异常。套管出现闪络放电、器身表面出现渗漏油、油位表和油流计指示不到等。
⑵ 颜色、气味异常。套管连接端部发热氧化而颜色发暗、放电产生臭氧气味、密封不严或玻璃罩破损造成呼吸器硅胶变色、过热或放电使得气体继电器内有气体等。
⑶ 声音异常。由于出现过电压或过负荷使得交流声增大、出现杂声和放电声、油温和油位急剧上升使得变压器出现沸腾声、内部被击穿而出现的爆裂声。
⑷ 温度异常。变压器运行中需要监视其上层油温，不允许超过温升最大值，当处于同一条件下，变压器的温度比平常高出10℃，或者负荷不变情况下，温度持续上升则可判断变压器内部异常，其大致原因有：内部发热故障、散热器阀门堵塞、冷却器故障、变压器严重缺油。
⑸ 油位异常。运行中油位计损坏，浮子或胶囊破裂出现假油位、变压器严重渗漏或多次检修放油后没有补充，或者环境温度较低，油枕容积偏小等会导致油面过低。
⑹ 负载异常。正常过载控制在规定范围内对变压器危害较小，而事故过载将严重减少变压器寿命，在下列情况下不允许变压器过载运行：持续处于满载运行的变压器；变压器冷却系统不正常；发生严重渗漏油、内部存在异常或缺陷。

3 变压器在线监测及故障诊断
由于变压器是电力系统中非常重要的电气设备，对其进行监测和保护就显得特别重要，比较成熟的有传统的变压器继电保护，它包括主保护，后备保护和附加保护等，这些保护对变压器的安全运行起到非常重要的作用，特别是再结合相关电气和物理化学试验，基本上能保证变压器正常运行。然而许多缺陷只有在运行状态下才能有效发现，设备故障前常常会出现一些异常状态，而这些状态无法通过传统的保护检测到，而在线监测方式可以较好的解决这个问题，维护人员可以及时得到最新和最准确的变压器运行状态。这就是目前得到国内外专家认同的设备的状态监测。变压器状态监测，涉及到的主体部件为：磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘、（气体绝缘）和冷却系统。拟诊断的故障为：过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障[1]。在新的南方电网制定的预防性试验规程中，已经把油色谱在线监测和红外成像诊断写入规程中。

3.1 变压器油色谱在线监测
多年来通过离线采样分析油中溶解气体组分含量的变化，结合电气试验诊断设备内部故障，是国内外公认不二的有效手段，为设备的安全运行作出了巨大贡献。然而，现行的监测技术存在一定的局限性。我国2001年修订的GB/T7252油中溶解气体分析和判断导则，肯定了这种趋势，将油中溶解气体的在线监测作为其他方法予以推荐，旨在引起重视和规范。

经过多年实践得出油中溶解气体在线监测的特点[4]：
⑴ 监测仪器可靠性要高，能长期稳定运行；
⑵ 监测仪必须尽可能检测流动油，保证结果的及时性和准确性；
⑶ 在线监测的诊断方法；
⑷ 在线监测要求有一定的自动化程度；
⑸ 在线监测仪的造价要低。

目前对气体进行的采样还多采用薄膜渗透法，而对气体的检测也有多种方法，比较先进的传感器是采用色谱柱载气分离法，结合相应的诊断方法，如三比值法、基于模糊理论、基于神经网络、基于灰色理论、基于专家系统的诊断方法，在实际应用中已取得较好效果。

目前国内外研究和制造油色谱设备的厂家不少，测试手段和取样侧重点各不相同，如中能公司（加拿大公司中国代理）设计的简易在线色谱仪主要监测变压器的单氢和总烃；重庆海吉公司对气体组分进行神经网络分析及专家系统诊断；而河南中分及宁波理工两家在国内采用在线色谱柱分离油中溶解气体，能够定性和定量测出氢气、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2、CO七种气体组分，通过其现场MIS系统能迅速的把测量结果传输到工作站和管理者联网的计算机中，为准确得出变压器运行状态提供了比较可靠的数据分析。根据现场安装后的效果反馈，定量分析气体组分的设备更能够准确提供变压器的运行状态，是以后的重点发展方向，目前一些有实力的公司和研究室正在致力于研究光声传感器，使得在线色谱仪中不再携带载气装置，延长设备使用寿命和监测精确度。
虽然油色谱在线监测技术也存在一些缺陷，如安装位置受变压器自身条件限制，测量需要载气条件，不能完全代替现在的气相色谱分析等，但它毕竟代表一种方向，随着经济的发展，国内外对电力设备的安全运行给予了极大的重视，因此对在线监测提出了更高的期望。例如，监测系统必须有效地检测好几种形式的故障(热，机械，介质等)，该系统必须把误报警减到最少并能可靠和长期稳定运行，这涉及到了各个科研生产部门，如化工、冶金、材料、半导体、电讯、计算机等。但是迄今为止，现有系统的进展还远远不够完善和先进，还不能满足应用到多种目的的技术经济要求，有待于今后进一步研究和开发新型的、可靠的和多功能的监测装置。

3.2 变压器故障的红外诊断
红外技术是随着近代光电子技术发展而产生的一门崭新的技术领域，它的主要原理是基于：任何高于绝对零度（－273.15℃）的物体都会因自身分子运动而辐射出红外线。红外线是一种电磁波，其波长在0.75～1000 μm之间，按波长范围分近红外（0.75～3 μm）、中红外（3～6 μm）、远红外（6～15 μm）、极远红外（15～1000 μm）。由于物体表面由许许多多单元组成，所以物体表面都存在一个热辐射能量场，相应有一个温度分布场。红外成像仪就是利用对物体表面红外辐射强弱进行探测而呈现出物体表面形状轮廓及温度分布情况，以便人眼观察的仪器。红外图像的亮暗反映出物体表面温度的高低，通过对物体表面温度及温度场的检测便可以判断设备是否存在缺陷[2]。
红外检测作为一种先进检测手段，是电力系统各单位近年来大力推广应用的新技术。对运行中电气设备热故障进行红外检测，具有不停电、远距离、安全可靠、准确高效地发现设备热故障地有点，是实现带电检测，进而实现设备状态检修的最有效手段之一。高压电气设备在正常运行情况下，将有部分电能以不同损耗形式转化为热能，使电气设备温度升高，这些电能损耗主要包括由于电阻的电流效应引起的发热；由于电压作用在绝缘介质上引起的发热；由于铁芯的磁滞、涡流等电磁效应引起的发热。高压电气设备存在外部和内部故障，外部故障可分为：电气接头连接不良；表面污秽或机械力作用造成外绝缘下降。而内部故障主要发生在导电回路和绝缘介质上，一般可概括为：导体连接或接触不良；介质损耗增大；电压分布不均或泄漏电流过大；绝缘老化、受潮、缺油等产生局部放电、磁回路不正常。

对于变压器而言，红外诊断主要能发现的故障有[3]：
⑴ 箱体涡流损耗发热。主要由于漏磁产生的涡流引起箱体或部分连接螺杆发热。
⑵ 变压器内部异常发热。这时的热谱图不具有环流形状，常常伴有变压器内部油的气化，可结合油色谱进行综合分析。
⑶ 冷却装置及油回路异常。常出现潜油泵过热；油路管道堵塞或阀门未能开启；油枕缺油或假油位；油枕内有积水。
⑷ 高压套管缺陷。介质损耗增大；套管缺油；导电回路连接件接触不良。
⑸ 铁芯绝缘不良。干式变压器的热谱图比较明显，而油浸式变压器需要在吊罩后施加一定试验电压才能观测到铁芯绝缘损坏情况。
目前红外诊断技术已在电力系统广泛应用，及时发现了较多的故障隐患，为电力系统安全运行提供了可靠保证。据初步统计，2002年第三季度～2003年第二季度，广电集团所属各分公司共发现重大和紧急缺陷2222项，其中发热引起的缺陷约317项，占全部缺陷的14.3%，而这些发热缺陷大部分是采用红外成像技术诊断出来的。

4 总结
曾经在一段时间，国内外一些专家和厂家都提出侧重于电力一次设备的制造工艺，并预言在线监测技术没有太大的发展前景。而在实际工作中，设备从设计、制造、运输、安装到最后的运行需要经历多个环节，不可避免的会产生一系列的缺陷和隐患，有些缺陷在常规试验中很难被发现，并且在运行过程中各种状态千变万化，不能只凭常规的试验和二次保护就能够完全保证设备的运行安全。实践也证明了在线监测可以很好解决设备的状态监测，及时、准确的为设备提供可靠的状态分析。目前，变压器试验已逐渐由常规的电气试验向状态检修过渡，结合多种方法及时对其故障进行监测和分析，力图把隐患消除在萌芽状态。

参考文献：
〖1〗. 2005年广东省度电机工程协会变压器及在线监测研讨会资料汇编.
〖2〗. 2005年广东省度电力系统红外诊断技术应用研讨会资料汇编.
〖3〗.上海市电力公司。“电力设备红外诊断图谱及应用规范”，中国电力出版社，2004.
〖4〗.孙才新，陈伟根，廖瑞金。“电气设备绝缘在线监测及故障诊断技术”，2004.

作者简介：
米朝清，1972年生，2004年重庆大学高电压专业研究生毕业，工学硕士，讲师、工程师。从事多年高电压技术方面课题研究和工程应用。