4.7　變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)

變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，本節(jié)介紹變壓器在線監(jiān)測(cè)涉及的基本概念，分析兩種基本的監(jiān)測(cè)方法，局部放電法和變壓器油色譜分析法，討論這兩種方法的機(jī)理及性質(zhì)，論述局部放電模式識(shí)別的過程、所采用的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及變壓器油色譜分析法的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r。

1）工作原理

絕緣損壞是引起變壓器故障的主要原因，在故障發(fā)生前會(huì)產(chǎn)生局部放電，并伴隨下列信號(hào)：電波、超聲波、電流脈沖、超高頻電磁波、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆、CH₄、H₂、CO等氣體。通過測(cè)量上述5種信號(hào)，可以確定變壓器內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度。因此5種信號(hào)的監(jiān)測(cè)都有人研究。其中，最靈敏的是電流脈沖法。但由于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)的干擾較大，因此采用該法很難進(jìn)行測(cè)量。而超聲波法及油中氣體分析法現(xiàn)場(chǎng)干擾較少，但超聲波法靈敏度低，很難檢測(cè)到那些深藏在絕緣內(nèi)部的放電故障。

2）檢測(cè)方法

（1）差動(dòng)平衡法：利用中性點(diǎn)傳感器與變壓器鐵芯接地傳感器對(duì)測(cè)得的兩路信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號(hào)，它會(huì)在上述兩個(gè)傳感器上產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的電流脈沖。而當(dāng)干擾信號(hào)經(jīng)過變壓器外部時(shí)，也會(huì)在這兩個(gè)傳感器上產(chǎn)生方向相同的電流脈沖，通過調(diào)整頻率，并比較這兩個(gè)信號(hào)，就可以對(duì)電暈干擾加以抑制。

（2）超聲波檢測(cè)法：在變壓器外殼上安裝超聲波傳感器，可用于檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)檢測(cè)到電流脈沖信號(hào)，而聲波信號(hào)也會(huì)被分布在油箱壁上的數(shù)個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到。但這個(gè)聲波信號(hào)會(huì)比電脈沖延遲，根據(jù)這個(gè)延遲時(shí)間，就能確定放電發(fā)生點(diǎn)和傳感器之間的距離，從而確定放電點(diǎn)的位置。

（3）電氣定位法：利用放電脈沖在繞組中的傳輸過程及超聲波傳播的方向和時(shí)間來確定放電位置的定位方法。

3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

（1）變壓器內(nèi)部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

變壓器內(nèi)部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖4－16所示［26］。

圖4－16　放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

圖4－17監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，每臺(tái)變壓器上可裝3個(gè)固定式超聲傳感器和10個(gè)脈沖電流傳感器；其中，電流傳感器分別串接在：220kV側(cè)高壓出線套管末端和中性點(diǎn)套管末端，110kV側(cè)高壓出線套管末端和中性點(diǎn)套管末端，變壓器外殼和鐵芯接地線（如只有一根接地線的話）上。而另外的3個(gè)移動(dòng)式超聲傳感器可精確定位故障點(diǎn)。戶外測(cè)量箱的溫度保持在10℃～40℃，它由獨(dú)立的數(shù)字溫控儀調(diào)節(jié)溫度。由上位機(jī)控制信號(hào)采集箱電源的通斷。

圖4－17　電流傳感器原理框圖

（2）硬件電路工作原理。

①脈沖電流傳感器：

電流傳感器原理框圖如圖4－17所示。

通常由鐵氧體磁芯繞制而成的脈沖電流傳感器，有源寬帶型傳感器，其帶寬約為4kHz～1.2MHz。設(shè)計(jì)了放大倍數(shù)為1或10的前置放大器。

②超聲傳感器：

超聲傳感器原理框圖為圖4－18所示。

圖4－18　超聲傳感器原理框圖

超聲傳感器的頻帶為20～300kHz，放大器增益為40dB，其探頭材料采用鋯鈦酸壓電晶體作為換能組件。由于巴克豪森噪聲和磁聲發(fā)射噪聲是運(yùn)行中變壓器的主要高頻噪聲，其頻率均在70kHz以下，因此把超聲傳感器3dB帶寬定為70～180kHz，以便將上述噪聲和低頻振動(dòng)噪聲的干擾進(jìn)行抑制。

③信號(hào)隔離模塊：

隔離模塊原理框圖如圖4－19所示。

如果直接將傳感器信號(hào)送入采集裝置，會(huì)由于各傳感器接地點(diǎn)的電位不等（即使只有毫伏級(jí)的差異）而引起不同傳感器通道接地線之間產(chǎn)生干擾電流，從而影響系統(tǒng)的正常工作甚至無法工作，故在傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置之間設(shè)有一個(gè)放大倍數(shù)為1、由隔離變壓器作為隔離組件的隔離單元。

圖4－19　隔離單元電氣原理框圖

④衰減器和放大器單元：

衰減器、放大器的原理框圖如圖4－20所示。

圖4－20　衰減器、放大器原理框圖

為獲得更佳的頻率特性，由衰減倍率為1、1/2、1/4、1/8的阻容網(wǎng)絡(luò)組成衰減器；放大器有2級(jí)，放大倍數(shù)為1、2、4、8?？蛇^程控制衰減和放大倍數(shù)，且放大器3dB帶寬為10kHz～2MHz。圖中“KK”為繼電器控制信號(hào)，由地址譯碼電路產(chǎn)生。

⑤組合濾波器單元：

組合濾波器如圖4－21所示，包含帶通濾波器、帶阻濾波器、窄寬濾波器、高通濾波器和寬帶通道，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾抑制。

圖4－21　組合濾波器原理框圖

⑥模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）：

A/D的分辨率為12位，采樣頻率為（0.5～10）Msa/s，A/D板上高速緩存容量為4MB/通道。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)監(jiān)測(cè)模式時(shí)，采樣頻率設(shè)為5Msa/s，因此，每次采樣過程均可連續(xù)采集5個(gè)工頻周期長(zhǎng)的放電信號(hào)。

變壓器整機(jī)放電試驗(yàn)如圖4－22所示。

圖4－22　變壓器高壓耐壓試驗(yàn)