在线监测及红外诊断在变压器故障分析中的应用

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。