在線監(jiān)測(cè)及紅外診斷在變壓器故障分析中的應(yīng)用

在線監(jiān)測(cè)及紅外診斷在變壓器故障分析中的應(yīng)用

摘要
隨著電力建設(shè)的大力發(fā)展，電網(wǎng)容量和電壓等級(jí)也隨之增長(zhǎng)，而作為電網(wǎng)中輸變電的重要設(shè)備變壓器，從設(shè)計(jì)到制作都發(fā)生了較大的變化。本文對(duì)目前大型變壓器的制作和發(fā)展進(jìn)行了介紹，以及運(yùn)行中變壓器出現(xiàn)故障的分析，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的知識(shí)，提出了大型變壓器在運(yùn)行中利用油色譜在線監(jiān)測(cè)以及紅外成像技術(shù)進(jìn)行故障診斷的綜合措施。

關(guān)鍵詞：變壓器  在線監(jiān)測(cè)  紅外成像  故障診斷
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
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)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(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)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(guó)營(yíng)企業(yè)象西變、保變、***特變（已收購(gòu)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(yíng)企業(yè)得到迅猛發(fā)展也逐漸走進(jìn)這個(gè)市場(chǎng)。

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(wèn)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(guó)，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(guò)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(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)要求越簡(jiǎn)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：

圖1  500 kV三相變壓器立體結(jié)構(gòu) Fig 1 The solid structure of 500 kV Three-phase Transformer

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(shù)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(chǎng)不吊芯的整體封裝結(jié)構(gòu)，使得運(yùn)輸和安裝過(guò)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(guó)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(guò)負(fù)荷能力較低，較低的超負(fù)荷都可能導(dǎo)致變壓器過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)、冷卻器等）。目前根據(jù)統(tǒng)計(jì)，變壓器套管出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題，其中包括生產(chǎn)廠家產(chǎn)品嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題；局部過(guò)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(guò)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(guò)電壓或過(guò)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***其上層油溫，不允許超過(guò)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(méi)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(guò)低。
⑹ 負(fù)載異常。正常過(guò)載控制在規(guī)定范圍內(nèi)對(duì)變壓器危害較小，而事故過(guò)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(guò)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(wú)法通過(guò)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(wèn)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(guó)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(guò)熱性故障、放電性故障、過(guò)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(lái)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(lái)通過(guò)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(guó)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(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guó)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(guó)代理）設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)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(guó)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(guò)其現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)在0.75～1000 μm之間，按波長(zhǎng)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(chǎng)，相應(yīng)有一個(gè)溫度分布場(chǎng)。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(guò)對(duì)物體表面溫度及溫度場(chǎng)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(lái)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(guò)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(guò)熱；油路管道堵塞或閥門未能開(kāi)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(lái)的。

4 總結(jié)
曾經(jīng)在一段時(shí)間，國(guó)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(méi)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(guò)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(guò)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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作者簡(jiǎn)介：
米朝清，1972年生，2004年重慶大學(xué)高電壓專業(yè)研究生畢業(yè)，工學(xué)碩士，講師、工程師。從事多年高電壓技術(shù)方面課題研究和工程應(yīng)用。