浅谈电力变压器的在线监测技术

来源:用户上传      作者: 杜铁军

　　摘要：本文主要介绍了电力变压器油中溶解气体与局部放电在线监测技术，讨论了各种监测方法的机理与优缺点。
　　关键词：电力变压器在线监测
　　
　　电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换、电能分配和传输的任务，并提供各种电力服务。因此，变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。但由于变压器长期运行，故障和事故不可能完全避免。引发故障和事故的原因又是多方面的，如外力的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题及制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患。特别是电力变压器长期运行后造成的绝缘老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。故障诊断及维修涉及到变压器的运行机理、故障发生发展的机制、装置维护的现状、运行条件等诸方面因素，因而是一项复杂的技术性工作，具有非常重要的现实意义。
　　目前对油浸电力变压器比较有效的在线监测方法主要有溶解气体的色谱在线监测和局部放电在线监测。
　　一、变压器油中溶解气体的在线监测技术
　　变压器中气体离线色谱分析的基本做法是在现场从变压器中提取油样，将试油样送到化学分析实验室，用色谱仪进行分析和检测，试验环节较多，操作手续较繁，检测周期较长，而且难以发现类似匝间绝缘缺陷等故障。因而国内外都致力于在线色谱监测装置的研制，以实现连续监测，及时发现故障。
　　实现变压器油中气体在线监测的关键是在现场如何简便的从油中脱出气体，以及如何方便地测量出各气体的含量。
　　1. 现场油气分离技术
　　现场从油中脱出气体的方法主要有以下两类：
　　一类是利用某些合成材料薄膜（如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氟硅橡胶等）的透气性，让油中所溶解的气体经薄膜透析到气室里。而经薄膜渗透出的气体浓度与很多因素有关，如渗透薄膜的面积、薄膜厚度、渗透时间和接受透析出来气体的气室体积等。
　　当渗透时间相当长后，透析到气室的气体浓度将到达稳定，它与油中溶解气体的浓度成一定的比例关系。
　　此方法要比固定型色谱仪的脱气方法简单得多。但要注意塑料薄膜与变压器油长期接触后的老化问题，特别是安装在变压器油箱底部的半透性薄膜，它还要长期地承受很大的油压，因此国外有的在薄膜外侧覆盖以打有细孔的约0.5mm厚的金属层予以补强。
　　采用聚四氟乙烯高分子薄膜一般的透气平衡时间为72h，若采用带微孔的高分子薄膜平衡时间可提高到24h。
　　另一类简便的脱气方法是采用振荡脱气法或超声波脱气法。振荡脱气就是在一个容器里，加入一定量含有气体的油样。在一定的温度下，经过充分振荡，油中溶解的各种气体必然会在气油两相间建立动态平衡。分析气相组分的含量，根据道尔顿-亨利定律就可计算出油中原来气体的浓度。
　　超声脱气法是采用超声波装置，使汽液两相迅速达到平衡。一般超声波的产生方法采用压电法，即利用电声换能器，对压电晶体的逆压电效应，通过施加交变电压，使之发生交替的压缩和拉伸面引起振动。当振动的频率与所加交变电压相同时，使所加频率在超声的频率范围内（即大于20kHz），则产生超声频的振动，因而波长很短，可定向直线传播。超声波在介质中所引起的介质微粒振动，即使振幅极小，也足以使介质微粒间产生很大的相互作用力。
　　当液体绝缘油中存在空穴，而充油设备在正常或异常状态下，油中均会存在某些杂质和微小气泡，液体（油）中的空穴现象，在超声波的作用下，气体空穴是真正的“空化”作用，有空气或其他溶解气体时，实际上是除气过程。油内微汽泡越小，产生内压越大；液体中含气越少，空化越高；频率越高其空化也越高，这就是超声法脱气的理论基础。
　　2. 油中氢气在线监测
　　不论是放电性故障还是过热性故障都会产生氢气，由于输出氢气克服键能最低，所以最容易生成，换句话说，氢气既是各种形式故障中最先产生的气体，也是电力变压器内部气体各组成中最早发生变化的气体。所以若能找到一种对氢气有一定的灵敏度、又有较好稳定性的敏感元件，在电力变压器运行中监测油氢气的含量变化、及时预报，便能捕捉到早期故障。
　　一种早期的方法是将监测装置的气室安装在热虹吸器与本体连接的管路上，在这段管路上增加一段过渡管，并与监测单元相连接。脱气单元主要采用聚四氟乙烯透膜，安装在变压器侧面。监测单元包括气室和氢敏元件。诊断单元包括信号处理、报警和打印等功能。目前常用的氢敏元件有燃料电池或半导体氢敏元件。
　　二、 局部放电的在线监测
　　变压器油纸绝缘中如含有汽隙，由于气体介质的介电常数小而击穿场强比油、纸都低，因而在外施交流高压气隙将是最薄弱环节。但刚放电时，一般放电量较小，如不超过几百pC；当外施高压下油中夜出现局部放电时，放电量可能有几千到几十万pC。强烈的局部放电即使时间很短，也会引起纸层损坏。而持续时间较短强度不大的局部放电，并不会马上损伤纸层；但如果局部放电在工作电压下不断发展，会加速油质老化、气泡扩大，形成高分子量的蜡状物等，更促使局部放电的加剧。
　　目前变压器的在线监测方法主要采用脉冲电流法和超声检测法。脉冲电流法理论上能测量小至几pC的局部放电，但易受到外界电磁干扰。超声波法是通过安装在变压器油箱上的超声波传感器监测局部放电造成的超声压力波，其抗电磁干扰性能好，采用几个超声波传感器后还能对放电定位。但由于声波在设备内部的绝缘中的吸收和散射，灵敏度不如脉冲电流法高，并且机构振动（如风沙、雨滴敲击变压器外壳、铁芯电磁振动等）也会造成干扰。
　　结语：
　　总之，电力变压器在电力系统中占据着其重要地位，它的故障将对供电的可靠性和系统的正常运行产生严重影响。采用在线监测方法对运行中的变压器故障早发现、早诊断、早处理、消除隐患，使设备长期保持在正常或最佳工作状态，对有效避免重大供电事故的发生具有重要意义。
　　
　　参考文献：
　　[1]肖登明，张周胜，黄亦斌.《电力变压器在线监测的现状及前景探讨》.高科技与产业化，2009
　　[2]蔡建中.《略谈电力变压器的在线监测》.北京电力高等专科学校学报(自然科学版)，2010
　　[3]李娟，蔡晖.《电力变压器状态在线监测和故障诊断的新方法》.电力自动化设备，2002

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