電力干式變壓器在線監(jiān)測新方法的研究

摘要：在干式變壓器的各種故障中，較常見的是繞組匝間短路。目前，干式變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測是監(jiān)測干式變壓器運(yùn)行的主要手段。通過分析，發(fā)現(xiàn)干式變壓器在線監(jiān)測，特別是繞組在線監(jiān)測的一個新的特征量：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)測和判斷流程，初步探討了新型電力干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)和干式變壓器狀態(tài)評估的框架。關(guān)鍵詞：電力干式變壓器；在線監(jiān)測；匝間短路；功率損耗；狀態(tài)評估

在變壓器的各種故障中，繞組匝間短路是較常見的。目前，變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測是監(jiān)測變壓器運(yùn)行的主要手段。通過分析，發(fā)現(xiàn)功率損耗是一個新的特征量，特別適用于繞組的在線監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，探討了實(shí)現(xiàn)變壓器繞組在線監(jiān)測的可能性，提出了相應(yīng)的監(jiān)測和測定流程，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)測系統(tǒng)和變壓器評估框圖。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期運(yùn)行的可靠性是一個重要的問題。近年來，電力干式變壓器制造材料、設(shè)計方法和制造技術(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，無法準(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，國內(nèi)外學(xué)者對電力干式變壓器的在線監(jiān)測和故障診斷做了大量的研究工作。在線監(jiān)測主要包括：油中氣體含量在線監(jiān)測(油色譜在線分析)、油中氫氣濃度在線監(jiān)測、干式變壓器繞組局部放電在線監(jiān)測、干式變壓器繞組變形在線監(jiān)測等。其中，較成熟、較重要的方法是在線監(jiān)測油中氣體含量，即氣相色譜法(三比值法、特征氣體法、羅杰斯法等。)，即監(jiān)測運(yùn)行中的電力干式變壓器油中各種氣體的含量來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、氣量和電量兩方面同時進(jìn)行監(jiān)測，提出了一種電力干式變壓器在線運(yùn)行監(jiān)測的新方法。因為油氣量的工作已經(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))，因此對其絕緣水平的要求也更高，更容易發(fā)生匝間短路。對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。眾所周知，干式變壓器

發(fā)生匝間短路故障時，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)措施是通過整定繼電保護(hù)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這對一些尚不致于產(chǎn)生保護(hù)動作的匝間短路故障的診斷就無能為力。對于瓦斯繼電器，只有當(dāng)氣體積累到某一較小容積時才能動作，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、時間長。因此，如何在繼電保護(hù)動作之前及時地監(jiān)測這種潛伏性故障，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)部磁場的變化所引起的功率損耗將會增大。 正常運(yùn)行時，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，會引起下列變化： 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)生一個短路電流，此短路電流使干式變壓器產(chǎn)生一個附加的損耗，同時，在短路的線匝之間形成一個短路環(huán)，短路環(huán)的電流較大，也產(chǎn)生了一個附加的功率損耗。被短路的繞組相當(dāng)于一個匝數(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對多臺干式變壓器并聯(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，這都會使并聯(lián)運(yùn)行的干式變壓器之間產(chǎn)生環(huán)流，也將會使干式變壓器損耗增加。 ③從能量的觀點(diǎn)來分析，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)值將依賴于過渡電阻的大小。 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，而且對于匝間短路嚴(yán)重程度的不同，此增加損耗也不同，損耗會隨著短路匝數(shù)的增加而增大，具體的數(shù)值依賴于短路故障的嚴(yán)重程度以及過渡電阻大小等因素。

2干式變壓器在線監(jiān)測原理的提出 如果能夠檢測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，這對電力干式變壓器繞組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了一個非常有效的方法，對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，計算出干式變壓器的功率，進(jìn)而得到其損耗的變化，同時，由于干式變壓器在運(yùn)行過程中，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——按照躲過干式變壓器正常運(yùn)行時損耗值確定，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條件不一樣，并且隨著運(yùn)行時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，因此可以利用這個特點(diǎn)來進(jìn)行干式變壓器繞組在線監(jiān)測的初步定相，即計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)相對應(yīng)，式中的每一個變量代表每相的值。 對于Yy連接的雙繞組干式變壓器，其模型如圖1所示：

對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得，故可以利用測得的電壓電流 直接計算干式變壓器每相繞組的功率。   對于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,為對稱時副邊相電流，ip為不對稱時感應(yīng)到副邊側(cè)的環(huán)流。如果三相電路對稱，原邊電壓不含零序分量，線電流iA，iB，iC中不含零序電流，這時候中線電流等于零，因此不在副邊感應(yīng)零序電勢，故ip＝0。 實(shí)際系統(tǒng)電力系統(tǒng)不可能做到完全對稱，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)測部分只能測出副邊的線電流，不可能測到三角形連接繞組內(nèi)部的環(huán)流，為了解決這個問題，決定采用正序分量來計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，計算每一相的功率損耗就容易了。把測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，對于正序分量，由KCL有：  由式(3)很容易推出： 計算出每相繞組的電流后，再利用直接測得每相繞組的電壓就可以計算每相繞組的功率了。 YYd連接的干式變壓器繞組的計算，這里就不再贅述。 整個干式變壓器繞組在線監(jiān)測流程如圖3所示。

3總結(jié)與展望 提出的在線監(jiān)測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，研制開發(fā)應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的一套新的干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)。其工作只是一個初步的嘗試，要想提高在線監(jiān)測的準(zhǔn)確度和可行度，還有許多方面的工作特別是現(xiàn)場試驗及現(xiàn)場工作需要完善，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)測量，實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障的定性和定量的研究。 2) 對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)場試驗取得的實(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)行模式識別的問題。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，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。 來源：四川電力技術(shù)