在線監測及紅外診斷在變壓器故障分析中的應用

摘要
隨著電力建設的大力發展，電網容量和電壓等級也隨之增長，而作為電網中輸變電的重要設備變壓器，從設計到制作都發生了較大的變化。本文對目前大型變壓器的制作和發展進行了介紹，以及運行中變壓器出現故障的分析，同時結合相關的知識，提出了大型變壓器在運行中利用油色譜在線監測以及紅外成像技術進行故障診斷的綜合措施。

關鍵詞：變壓器  在線監測  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
隨著國民經濟的不斷增長，我國的電力行業近幾年得到迅猛發展，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容量不足40000 MW，還從三峽、云貴地區輸入近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有發生，嚴重影響了國民經濟的持續發展和人民生活的繁榮穩定。預計到2020年，廣東省裝機容量還要凈增80000 MW，到時整個電網的容量和電壓等級將會大幅提升。目前國內已經形成了以500 kV超高壓線路為主干的電力傳輸網絡，一些電力發達地區已經開始采用750 kV和1000 kV以上等級的特高壓線路，作為輸變電的重要設備—變壓器的安全運行就顯得非常的重要，它將直接影響到整個電力事業的發展方向和電力建設的前途。

2 大型變壓器發展介紹
目前我國變壓器企業數量較多，而有能力生產500 kV及以上電壓等級的企業卻屈指可數，傳統國營企業象西變、保變、***特變（已收購了沈變）等，同時還有外資企業如東芝、ABB、西門子公司等，一些民營企業得到迅猛發展也逐漸走進這個市場。

2.1 變壓器的容量和體積
變壓器的電壓等級往往隨著容量的增加而增加，然而一個比較嚴重的問題就是其體積和重量也隨之增加，不但在設計和制造時困難較大，最主要的是運輸受到限制。在我國，由于內陸較多，傳統運輸主要依靠公路和鐵路，一般公路運輸受橋梁承重和隧道高度的限制，而鐵路運輸主要受高度限制，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、污穢以及覆冰地區由于外絕緣相對偏低，需要加強絕緣以提高其電壓等級，所以其電力發展也受到一定的限制。對于三相變壓器而言，由于其同比投資要低于三臺單相變壓器，在條件滿足的情況下，廠家還是主張采用三相變壓器。目前，一些工藝相對比較先進的企業象ABB之類公司已經能夠生產700 MVA/500 kV的緊湊型變壓器，并已成功運輸和安裝到一些偏遠山區。然而對于更大容量和電壓等級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，已經采用了1000 MVA/1000 kV的單相自耦且中性點有載調壓的變壓器。

2.2 變壓器的結構與制造工藝
變壓器在設計中不光要考慮其絕緣強度，同時還要考慮到整個繞組的電位分布、循環油路、散熱條件、整體密封性等，所以對于大容量、超高壓、特高壓變壓器來說，其結構要求越簡單越好，不但是內部電氣部分的布局，還應該包括對器身、附件等設計的考慮。
以常州東芝500 kV變壓器為例，如圖1所示：

圖1  500 kV三相變壓器立體結構 Fig 1 The solid structure of 500 kV Three-phase Transformer

其主體仍然采用三相五柱式結構，它的鐵芯結構采用框架夾持，上部鐵軛是在整體成形后再疊上，夾件選材比較合理，鐵芯柱采用高強度的環氧樹脂綁帶加固，鐵芯上、下層各有一條油道，整個結構非常緊湊。東芝公司在考慮到變壓器運輸和安裝的前提下采用現場不吊芯的整體封裝結構，使得運輸和安裝過程中少了很多程序，不但可以防潮，防止異物進入本體，還有效的防止因箱沿處密封老化而引起的滲漏油。
廠家還會根據用戶的需要設計相應的設備，尤其是對于某些發達地區土地和空間資源相對匱乏，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特的高層立體布置的散熱裝置，極大限度的節約了變壓器安裝空間。

2.3 變壓器故障分析
從國內變壓器運行的故障統計表明，主要表現在以下五個方面[1]：
⑴ 抗短路能力不足。由于器身結構相對緊縮，變壓器的容量裕度相對較小，所以抵抗大電流的能力較弱，往往需要采用單獨的電抗器進行補償。特別是緊湊型變壓器其過負荷能力較低，較低的超負荷都可能導致變壓器過熱而引起保護動作。
⑵ 絕緣故障。由于繞組結構緊縮，其相間和匝間距離減少，絕緣相對減弱，局部發熱現象比較嚴重，特別是存在局部缺陷時內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，這是發生外絕緣閃絡的主要原因，一般干燥天氣下外絕緣強度是很高的。
⑶ 附件質量（套管、分接開關、冷卻器等）。目前根據統計，變壓器套管出現問題的數量在增加，原因有：套管本身的絕緣缺陷、引線接觸不良發熱、運輸安裝中的機械損傷等。
⑷ 非電量保護誤動和拒動。
⑸ 安裝、檢修、運行維護中存在的問題，其中包括生產廠家產品嚴重質量問題；局部過熱、振動、噪聲較大、色譜不良、介損增大、滲漏油等。

根據變壓器運行經驗，總結出六點運行中異常的判斷方法：
⑴ 外觀異常。套管出現閃絡放電、器身表面出現滲漏油、油位表和油流計指示不到等。
⑵ 顏色、氣味異常。套管連接端部發熱氧化而顏色發暗、放電產生臭氧氣味、密封不嚴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有氣體等。
⑶ 聲音異常。由于出現過電壓或過負荷使得交流聲增大、出現雜聲和放電聲、油溫和油位急劇上升使得變壓器出現沸騰聲、內部被擊穿而出現的爆裂聲。
⑷ 溫度異常。變壓器運行中需要***其上層油溫，不允許超過溫升最大值，當處于同一條件下，變壓器的溫度比平常高出10℃，或者負荷不變情況下，溫度持續上升則可判斷變壓器內部異常，其大致原因有：內部發熱故障、散熱器閥門堵塞、冷卻器故障、變壓器嚴重缺油。
⑸ 油位異常。運行中油位計損壞，浮子或膠囊破裂出現假油位、變壓器嚴重滲漏或多次檢修放油后沒有補充，或者環境溫度較低，油枕容積偏小等會導致油面過低。
⑹ 負載異常。正常過載控制在規定范圍內對變壓器危害較小，而事故過載將嚴重減少變壓器壽命，在下列情況下不允許變壓器過載運行：持續處于滿載運行的變壓器；變壓器冷卻系統不正常；發生嚴重滲漏油、內部存在異常或缺陷。

3 變壓器在線監測及故障診斷
由于變壓器是電力系統中非常重要的電氣設備，對其進行監測和保護就顯得特別重要，比較成熟的有傳統的變壓器繼電保護，它包括主保護，后備保護和附加保護等，這些保護對變壓器的安全運行起到非常重要的作用，特別是再結合相關電氣和物理化學試驗，基本上能保證變壓器正常運行。然而許多缺陷只有在運行狀態下才能有效發現，設備故障前常常會出現一些異常狀態，而這些狀態無法通過傳統的保護檢測到，而在線監測方式可以較好的解決這個問題，維護人員可以及時得到最新和最準確的變壓器運行狀態。這就是目前得到國內外專家認同的設備的狀態監測。變壓器狀態監測，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。擬診斷的故障為：過熱性故障、放電性故障、過熱兼放電故障、機械故障和進水受潮等。常用的局部放電監測與診斷，多采用電脈沖信號法和超聲法。對電信號和聲信號聯合監測取得理想的定量和定位效果，根據視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來判斷故障[1]。在新的南方電網制定的預防性試驗規程中，已經把油色譜在線監測和紅外成像診斷寫入規程中。

3.1 變壓器油色譜在線監測
多年來通過離線采樣分析油中溶解氣體組分含量的變化，結合電氣試驗診斷設備內部故障，是國內外公認不二的有效手段，為設備的安全運行作出了巨大貢獻。然而，現行的監測技術存在一定的局限性。我國2001年修訂的GB/T7252油中溶解氣體分析和判斷導則，肯定了這種趨勢，將油中溶解氣體的在線監測作為其他方法予以推薦，旨在引起重視和規范。

經過多年實踐得出油中溶解氣體在線監測的特點[4]：
⑴ 監測儀器可靠性要高，能長期穩定運行；
⑵ 監測儀必須盡可能檢測流動油，保證結果的及時性和準確性；
⑶ 在線監測的診斷方法；
⑷ 在線監測要求有一定的自動化程度；
⑸ 在線監測儀的造價要低。

目前對氣體進行的采樣還多采用薄膜滲透法，而對氣體的檢測也有多種方法，比較先進的傳感器是采用色譜柱載氣分離法，結合相應的診斷方法，如三比值法、基于模糊理論、基于神經網絡、基于灰色理論、基于專家系統的診斷方法，在實際應用中已取得較好效果。

目前國內外研究和制造油色譜設備的廠家不少，測試手段和取樣側重點各不相同，如中能公司（加拿大公司中國代理）設計的簡易在線色譜儀主要監測變壓器的單氫和總烴；重慶海吉公司對氣體組分進行神經網絡分析及專家系統診斷；而河南中分及寧波理工兩家在國內采用在線色譜柱分離油中溶解氣體，能夠定性和定量測出氫氣、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2、CO七種氣體組分，通過其現場MIS系統能迅速的把測量結果傳輸到工作站和管理者聯網的計算機中，為準確得出變壓器運行狀態提供了比較可靠的數據分析。根據現場安裝后的效果反饋，定量分析氣體組分的設備更能夠準確提供變壓器的運行狀態，是以后的重點發展方向，目前一些有實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，延長設備使用壽命和監測精確度。
雖然油色譜在線監測技術也存在一些缺陷，如安裝位置受變壓器自身條件限制，測量需要載氣條件，不能完全代替現在的氣相色譜分析等，但它畢竟代表一種方向，隨著經濟的發展，國內外對電力設備的安全運行給予了極大的重視，因此對在線監測提出了更高的期望。例如，監測系統必須有效地檢測好幾種形式的故障(熱，機械，介質等)，該系統必須把誤報警減到最少并能可靠和長期穩定運行，這涉及到了各個科研生產部門，如化工、冶金、材料、半導體、電訊、計算機等。但是迄今為止，現有系統的進展還遠遠不夠完善和先進，還不能滿足應用到多種目的的技術經濟要求，有待于今后進一步研究和開發新型的、可靠的和多功能的監測裝置。

3.2 變壓器故障的紅外診斷
紅外技術是隨著近代光電子技術發展而產生的一門嶄新的技術領域，它的主要原理是基于：任何高于絕對零度（－273.15℃）的物體都會因自身分子運動而輻射出紅外線。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）、遠紅外（6～15 μm）、極遠紅外（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熱輻射能量場，相應有一個溫度分布場。紅外成像儀就是利用對物體表面紅外輻射強弱進行探測而呈現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，通過對物體表面溫度及溫度場的檢測便可以判斷設備是否存在缺陷[2]。
紅外檢測作為一種先進檢測手段，是電力系統各單位近年來大力推廣應用的新技術。對運行中電氣設備熱故障進行紅外檢測，具有不停電、遠距離、安全可靠、準確高效地發現設備熱故障地有點，是實現帶電檢測，進而實現設備狀態檢修的最有效手段之一。高壓電氣設備在正常運行情況下，將有部分電能以不同損耗形式轉化為熱能，使電氣設備溫度升高，這些電能損耗主要包括由于電阻的電流效應引起的發熱；由于電壓作用在絕緣介質上引起的發熱；由于鐵芯的磁滯、渦流等電磁效應引起的發熱。高壓電氣設備存在外部和內部故障，外部故障可分為：電氣接頭連接不良；表面污穢或機械力作用造成外絕緣下降。而內部故障主要發生在導電回路和絕緣介質上，一般可概括為：導體連接或接觸不良；介質損耗增大；電壓分布不均或泄漏電流過大；絕緣老化、受潮、缺油等產生局部放電、磁回路不正常。

對于變壓器而言，紅外診斷主要能發現的故障有[3]：
⑴ 箱體渦流損耗發熱。主要由于漏磁產生的渦流引起箱體或部分連接螺桿發熱。
⑵ 變壓器內部異常發熱。這時的熱譜圖不具有環流形狀，常常伴有變壓器內部油的氣化，可結合油色譜進行綜合分析。
⑶ 冷卻裝置及油回路異常。常出現潛油泵過熱；油路管道堵塞或閥門未能開啟；油枕缺油或假油位；油枕內有積水。
⑷ 高壓套管缺陷。介質損耗增大；套管缺油；導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電壓才能觀測到鐵芯絕緣損壞情況。
目前紅外診斷技術已在電力系統廣泛應用，及時發現了較多的故障隱患，為電力系統安全運行提供了可靠保證。據初步統計，2002年第三季度～2003年第二季度，廣電集團所屬各分公司共發現重大和緊急缺陷2222項，其中發熱引起的缺陷約317項，占全部缺陷的14.3%，而這些發熱缺陷大部分是采用紅外成像技術診斷出來的。

4 總結
曾經在一段時間，國內外一些專家和廠家都提出側重于電力一次設備的制造工藝，并預言在線監測技術沒有太大的發展前景。而在實際工作中，設備從設計、制造、運輸、安裝到最后的運行需要經歷多個環節，不可避免的會產生一系列的缺陷和隱患，有些缺陷在常規試驗中很難被發現，并且在運行過程中各種狀態千變萬化，不能只憑常規的試驗和二次保護就能夠完全保證設備的運行安全。實踐也證明了在線監測可以很好解決設備的狀態監測，及時、準確的為設備提供可靠的狀態分析。目前，變壓器試驗已逐漸由常規的電氣試驗向狀態檢修過渡，結合多種方法及時對其故障進行監測和分析，力圖把隱患消除在萌芽狀態。

參考文獻：
〖1〗. 2005年廣東省度電機工程協會變壓器及在線監測研討會資料匯編.
〖2〗. 2005年廣東省度電力系統紅外診斷技術應用研討會資料匯編.
〖3〗.上海市電力公司。“電力設備紅外診斷圖譜及應用規范”，中國電力出版社，2004.
〖4〗.孫才新，陳偉根，廖瑞金。“電氣設備絕緣在線監測及故障診斷技術”，2004.

作者簡介：
米朝清，1972年生，2004年重慶大學高電壓專業研究生畢業，工學碩士，講師、工程師。從事多年高電壓技術方面課題研究和工程應用。