電力干式變壓器在線監(jiān)測(cè)新方法的研究

摘要：在干式變壓器的各種故障中，較常見(jiàn)的是繞組匝間短路。目前，干式變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)干式變壓器運(yùn)行的主要手段。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)干式變壓器在線監(jiān)測(cè)，特別是繞組在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)新的特征量：功率損耗。在此基礎(chǔ)上，探討了實(shí)現(xiàn)干式變壓器繞組在線監(jiān)測(cè)的可能性，并結(jié)合油量和氣量分析提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和判斷流程，初步探討了新型電力干式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和干式變壓器狀態(tài)評(píng)估的框架。關(guān)鍵詞：電力干式變壓器；在線監(jiān)測(cè)；匝間短路；功率損耗；狀態(tài)評(píng)估

在變壓器的各種故障中，繞組匝間短路是較常見(jiàn)的。目前，變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行的主要手段。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)功率損耗是一個(gè)新的特征量，特別適用于繞組的在線監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，探討了實(shí)現(xiàn)變壓器繞組在線監(jiān)測(cè)的可能性，提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和測(cè)定流程，并結(jié)合油中氣體含量分析，初步探討了一種新型的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和變壓器評(píng)估框圖。關(guān)鍵詞：電力變壓器；在線監(jiān)控；匝間短路；功率損耗；狀態(tài)評(píng)估

電力干式變壓器是電力系統(tǒng)中重要的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換和電能的傳輸。它的性能直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以形象地將其視為電網(wǎng)的“心臟”。因此，確保電力干式變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性是一個(gè)重要的問(wèn)題。近年來(lái)，電力干式變壓器制造材料、設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)的改進(jìn)，在一定程度上提高了電力干式變壓器的可靠性。但是，由于電力干式變壓器的運(yùn)行環(huán)境和目前的故障診斷手段還不完善，評(píng)估電力干式變壓器設(shè)備絕緣狀態(tài)可靠性的可靠性不高，當(dāng)電力干式變壓器發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷電力干式變壓器的故障，因此電力干式變壓器的故障概率較高。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電力干式變壓器的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷做了大量的研究工作。在線監(jiān)測(cè)主要包括：油中氣體含量在線監(jiān)測(cè)(油色譜在線分析)、油中氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)、干式變壓器繞組局部放電在線監(jiān)測(cè)、干式變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)等。其中，較成熟、較重要的方法是在線監(jiān)測(cè)油中氣體含量，即氣相色譜法(三比值法、特征氣體法、羅杰斯法等。)，即監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的電力干式變壓器油中各種氣體的含量來(lái)判斷電力干式的電位然而，由于電力干式變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電力干式變壓器的故障往往是由多種原因引起的，不同故障的癥狀有時(shí)具有相似性、隨機(jī)性、人為干擾因素以及診斷設(shè)備和手段的誤差等。因此，傳統(tǒng)的電力干式變壓器故障診斷方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代故障診斷的要求。干式變壓器的運(yùn)行可以從油量、氣量和電量?jī)煞矫嫱瑫r(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出了一種電力干式變壓器在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)的新方法。因?yàn)橛蜌饬康墓ぷ饕呀?jīng)很成熟了，所以只側(cè)重于電氣量的研究。

1干式變壓器繞組匝間短路的分析及在線監(jiān)測(cè)原理干式變壓器涉及電氣量的主要部件是繞組。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，干式變壓器中較常發(fā)生故障的部件之一是干式變壓器的繞組，其損壞率約占干式變壓器總故障的60% ~ 70%，其中由絕緣老化引起的繞組匝間短路、相間短路和繞組對(duì)地短路占總故障的70% ~ 80%。干式變壓器繞組故障可歸因于繞組匝間短路故障。隨著輸電電壓的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的連續(xù)線圈已經(jīng)不能滿足超高壓輸電的需要，于是引入了糾纏線圈。纏結(jié)線圈的特點(diǎn)是在線圈的相鄰匝之間插入數(shù)字序列的非相鄰匝，形成相互纏繞的絞合線段，形成纏結(jié)線圈，從而增加線圈的縱向電容，從而大大改善了沖擊梯度沿線圈軸向高度的分布特性，因此被廣泛應(yīng)用于各種高壓線圈中。由于纏繞線圈相鄰兩匝之間的電壓比連續(xù)線圈大n/2倍(n為纏繞線圈的匝數(shù))，因此對(duì)其絕緣水平的要求也更高，更容易發(fā)生匝間短路。對(duì)于干式變壓器繞組故障，尤其是匝間短路故障，需要找出新的故障特征，從而實(shí)現(xiàn)干式變壓器繞組的在線監(jiān)測(cè)。眾所周知，干式變壓器

發(fā)生匝間短路故障時(shí)，盡管短路匝電流很大，但流出一次側(cè)電流非常小。 傳統(tǒng)的保護(hù)措施是通過(guò)整定繼電保護(hù)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)一些尚不致于產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作的匝間短路故障的診斷就無(wú)能為力。對(duì)于瓦斯繼電器，只有當(dāng)氣體積累到某一較小容積時(shí)才能動(dòng)作，故瓦斯保護(hù)反應(yīng)干式變壓器內(nèi)部這種匝間短路故障的速度慢、時(shí)間長(zhǎng)。因此，如何在繼電保護(hù)動(dòng)作之前及時(shí)地監(jiān)測(cè)這種潛伏性故障，避免干式變壓器非正常退出運(yùn)行就顯得非常必要。 對(duì)干式變壓器有功損耗物理機(jī)理的研究是新的干式變壓器匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)。電力干式變壓器的有功損耗分為負(fù)載損耗和空載損耗兩大部分，其中，負(fù)載損耗包括基本損耗（歐姆損耗）和由漏磁場(chǎng)引起的附加損耗（雜散損耗）；空載損耗（鐵心損耗）包括基本損耗（渦流損耗和磁滯損耗）和由漏磁場(chǎng)引起的附加損耗。 空載損耗包括基本損耗和附加損耗兩部分，前者包括磁滯損耗和渦流損耗，后者主要是由漏 磁場(chǎng)在干式變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的各種附加損耗。干式變壓器匝間短路后，一方面，由于短路匝中電流很大，造成鐵心局部嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致?lián)p耗增加；另一方面，由漏磁場(chǎng)的變化將直接影響到附加損耗的變化原理可知，繞組如果發(fā)生了匝間短路故障，將直接影響到漏磁場(chǎng)在干式變壓器內(nèi)部的分布，從而直接影響干式變壓器內(nèi)部附加功率損耗的大小。干式變壓器繞組發(fā)生匝間短路后，故障相所引起的漏磁場(chǎng)變化很強(qiáng)烈，非故障相的不明顯，從而可得到結(jié)論：干式變壓器繞組發(fā)生匝間短路后，故障相的附加損耗就會(huì)發(fā)生比較大的變化，其他繞組的附加損耗也有變化，但是變化很小。總之，干式變壓器繞組發(fā)生匝間短路故障后，由其內(nèi)部磁場(chǎng)的變化所引起的功率損耗將會(huì)增大。 正常運(yùn)行時(shí)，干式變壓器的附加負(fù)載損耗是指干式變壓器線圈導(dǎo)線中的渦流損耗，線圈內(nèi)部的環(huán)流損耗以及結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗，這些附加損耗都是負(fù)載電流引起的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生的。 當(dāng)干式變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，會(huì)引起下列變化： ①由于短路使短路所在相繞組匝數(shù)減少了，短路后將產(chǎn)生一個(gè)短路電流，此短路電流使干式變壓器產(chǎn)生一個(gè)附加的損耗，同時(shí)，在短路的線匝之間形成一個(gè)短路環(huán)，短路環(huán)的電流較大，也產(chǎn)生了一個(gè)附加的功率損耗。被短路的繞組相當(dāng)于一個(gè)匝數(shù)等于短路匝數(shù)的短路環(huán)加在干式變壓器的鐵芯上，該短路繞組內(nèi)的電流近似等于干式變壓器的短路電流（環(huán)流），可以達(dá)額定電流的20倍以上（但干式變壓器繞組引出線上的電流變化并不大）。短路環(huán)流引起干式變壓器局部發(fā)熱，造成鐵心的局部飽和，也引起額外的功率損耗（與電流平方成正比），而且對(duì)于不同的匝間短路，此增加損耗不同，增加損耗隨著短路匝數(shù)的增加而增大。 ②對(duì)多臺(tái)干式變壓器并聯(lián)運(yùn)行，若原方短路，則副方電壓將略有升高，若副方短路，則副方電 壓略有降低，這都會(huì)使并聯(lián)運(yùn)行的干式變壓器之間產(chǎn)生環(huán)流，也將會(huì)使干式變壓器損耗增加。 ③從能量的觀點(diǎn)來(lái)分析，當(dāng)干式變壓器發(fā)生匝間短路故障后，在故障點(diǎn)將形成一個(gè)放電點(diǎn)，隨 著弧光放電產(chǎn)生，必將消耗大量的功率損耗，其具體的數(shù)值將依賴(lài)于過(guò)渡電阻的大小。 綜上所述，可以得出結(jié)論：當(dāng)干式變壓器繞組發(fā)生匝間短路，會(huì)使干式變壓器的負(fù)載鐵耗和空載損耗 均增加從而導(dǎo)致總損耗增加，而且對(duì)于匝間短路嚴(yán)重程度的不同，此增加損耗也不同，損耗會(huì)隨著短路匝數(shù)的增加而增大，具體的數(shù)值依賴(lài)于短路故障的嚴(yán)重程度以及過(guò)渡電阻大小等因素。

2干式變壓器在線監(jiān)測(cè)原理的提出 如果能夠檢測(cè)出干式變壓器功率損耗的變化，就基本上能夠確定出干式變壓器繞組是否正常以及故障的嚴(yán)重程度，這對(duì)電力干式變壓器繞組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了一個(gè)非常有效的方法，對(duì)提高干式變壓器故障診斷的準(zhǔn)確率非常有意義。所以可以利用干式變壓器各側(cè)的電壓、電流量，計(jì)算出干式變壓器的功率，進(jìn)而得到其損耗的變化，同時(shí)，由于干式變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)載電流的變化而導(dǎo)致負(fù)載損耗的變化，為了不影響判斷，可以剔除掉干式變壓器的負(fù)載損耗中的較基本的歐姆損耗，得到具體判別表達(dá)式如下： 式中：P1—— 干式變壓器一次側(cè)流入功率； P2—— 干式變壓器二次側(cè)流出功率； β1、β2——負(fù)載系數(shù)（實(shí)際電流與額定電流比值）； △PL1、△PL2——干式變壓器原副邊繞組在額定電流下的短路損耗值； ε——按照躲過(guò)干式變壓器正常運(yùn)行時(shí)損耗值確定，實(shí)際運(yùn)行中可以調(diào)整。 從理論上講，上式中的W(t)就是干式變壓器的空載損耗，但干式變壓器在實(shí)際運(yùn)行中，由于運(yùn)行條件 與干式變壓器出廠試驗(yàn)條件不一樣，并且隨著運(yùn)行時(shí)間其空載損耗也要發(fā)生變化，因此在實(shí)際運(yùn)行中，W(t)是不等于干式變壓器空載損耗。 干式變壓器繞組匝間故障后，其功率損耗的增大主要表現(xiàn)在故障相上，由于磁場(chǎng)耦合的關(guān)系，非故障相也應(yīng)該有不同程度的增大，但是不如故障相那么明顯，因此可以利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行干式變壓器繞組在線監(jiān)測(cè)的初步定相，即計(jì)算干式變壓器原副方繞組的功率，利用功率差進(jìn)行判斷，判別表達(dá)式(1)相應(yīng)變?yōu)椋? 與式(1)相對(duì)應(yīng)，式中的每一個(gè)變量代表每相的值。 對(duì)于Yy連接的雙繞組干式變壓器，其模型如圖1所示：

對(duì)Yy連接的干式變壓器，其每相繞組的電壓電流都可以直接測(cè)得，故可以利用測(cè)得的電壓電流 直接計(jì)算干式變壓器每相繞組的功率。   對(duì)于Yd連接干式變壓器，其繞組連接如圖2所示：



圖2中：iA，iB，iC為原邊線（相）電流，ila，ilb，ilc，為副邊線電流，ia,ib,ic,為對(duì)稱(chēng)時(shí)副邊相電流，ip為不對(duì)稱(chēng)時(shí)感應(yīng)到副邊側(cè)的環(huán)流。如果三相電路對(duì)稱(chēng)，原邊電壓不含零序分量，線電流iA，iB，iC中不含零序電流，這時(shí)候中線電流等于零，因此不在副邊感應(yīng)零序電勢(shì)，故ip＝0。 實(shí)際系統(tǒng)電力系統(tǒng)不可能做到完全對(duì)稱(chēng)，每一相中除了正序分量外，還有負(fù)序分量和零序分 量，從而在副邊也將有這些分量。對(duì)于零序分量而言，盡管副邊是三角形連接，零序電流不可能流通到外部線電流去，但在三角形內(nèi)部將產(chǎn)生環(huán)流。由于在線監(jiān)測(cè)部分只能測(cè)出副邊的線電流，不可能測(cè)到三角形連接繞組內(nèi)部的環(huán)流，為了解決這個(gè)問(wèn)題，決定采用正序分量來(lái)計(jì)算干式變壓器原副方繞組的功率，即正序功率差。 采用正序功率后，計(jì)算每一相的功率損耗就容易了。把測(cè)得的每一相的線電流分解成正序分量、負(fù)序分量和零序分量，對(duì)于正序分量，由KCL有：  由式(3)很容易推出： 計(jì)算出每相繞組的電流后，再利用直接測(cè)得每相繞組的電壓就可以計(jì)算每相繞組的功率了。 YYd連接的干式變壓器繞組的計(jì)算，這里就不再贅述。 整個(gè)干式變壓器繞組在線監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

3總結(jié)與展望 提出的在線監(jiān)測(cè)干式變壓器繞組新特征量－功率損耗，還可以結(jié)合油氣量的在線監(jiān)測(cè)，研制開(kāi)發(fā)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的一套新的干式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其工作只是一個(gè)初步的嘗試，要想提高在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和可行度，還有許多方面的工作特別是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工作需要完善，建議今后的工作重點(diǎn)放在： 1) 進(jìn)一步研究干式變壓器故障機(jī)理，提出更加可靠有效、全面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障的定性和定量的研究。 2) 對(duì)本文所提出的新的特征量功率損耗，下一步的工作是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得的實(shí)際數(shù)據(jù)以及干式變壓器油氣量在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步分析干式變壓器在線功率損耗的特點(diǎn)，以求能夠給出一個(gè)較為準(zhǔn)確合理的結(jié)果。 在當(dāng)前電氣設(shè)備的故障信息難以全面獲取的情況下，對(duì)設(shè)備的故障診斷實(shí)際上可以看成是利用不完備信息進(jìn)行模式識(shí)別的問(wèn)題。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，一些新的理論如灰色理論、粗糙集理論、數(shù)據(jù)挖掘理論等被提出并逐步得到人們的重視，這些理論可以從不完備的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含知識(shí)，由不完備信息推出盡可能準(zhǔn)確的結(jié)論，將這些新理論與模式識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到電氣設(shè)備的故障診斷方面可望取得一些有用的成果。 來(lái)源：四川電力技術(shù)