電力干式變壓器在線監測新方法的研究

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測是監測干式變壓器運行的主要手段。通過分析，發現干式變壓器在線監測，特別是繞組在線監測的一個新的特征量：功率損耗。在此基礎上，探討了實現干式變壓器繞組在線監測的可能性，并結合油量和氣量分析提出了相應的監測和判斷流程，初步探討了新型電力干式變壓器在線監測系統和干式變壓器狀態評估的框架。關鍵詞：電力干式變壓器；在線監測；匝間短路；功率損耗；狀態評估

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測是監測變壓器運行的主要手段。通過分析，發現功率損耗是一個新的特征量，特別適用于繞組的在線監測。在此基礎上，探討了實現變壓器繞組在線監測的可能性，提出了相應的監測和測定流程，并結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測系統和變壓器評估框圖。關鍵詞：電力變壓器；在線監控；匝間短路；功率損耗；狀態評估

電力干式變壓器是電力系統中重要的高壓電氣設備，擔負著電壓、電流的轉換和電能的傳輸。它的性能直接影響電力系統的安全穩定運行，可以形象地將其視為電網的“心臟”。因此，確保電力干式變壓器長期運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、設計方法和制造技術的改進，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行環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備絕緣狀態可靠性的可靠性不高，當電力干式變壓器發生故障時，無法準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，國內外學者對電力干式變壓器的在線監測和故障診斷做了大量的研究工作。在線監測主要包括：油中氣體含量在線監測(油色譜在線分析)、油中氫氣濃度在線監測、干式變壓器繞組局部放電在線監測、干式變壓器繞組變形在線監測等。其中，較成熟、較重要的方法是在線監測油中氣體含量，即氣相色譜法(三比值法、特征氣體法、羅杰斯法等。)，即監測運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構復雜，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、隨機性、人為干擾因素以及診斷設備和手段的誤差等。因此，傳統的電力干式變壓器故障診斷方法遠遠不能滿足現代故障診斷的要求。干式變壓器的運行可以從油量、氣量和電量兩方面同時進行監測，提出了一種電力干式變壓器在線運行監測的新方法。因為油氣量的工作已經很成熟了，所以只側重于電氣量的研究。

1干式變壓器繞組匝間短路的分析及在線監測原理干式變壓器涉及電氣量的主要部件是繞組。據統計資料顯示，干式變壓器中較常發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，人們發現傳統的連續線圈已經不能滿足超高壓輸電的需要，于是引入了糾纏線圈。纏結線圈的特點是在線圈的相鄰匝之間插入數字序列的非相鄰匝，形成相互纏繞的絞合線段，形成纏結線圈，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線圈大n/2倍(n為纏繞線圈的匝數)，因此對其絕緣水平的要求也更高，更容易發生匝間短路。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，從而實現干式變壓器繞組的在線監測。眾所周知，干式變壓器

發生匝間短路故障時，盡管短路匝電流很大，但流出一次側電流非常小。 傳統的保護措施是通過整定繼電保護的參數來實現的，這對一些尚不致于產生保護動作的匝間短路故障的診斷就無能為力。對于瓦斯繼電器，只有當氣體積累到某一較小容積時才能動作，故瓦斯保護反應干式變壓器內部這種匝間短路故障的速度慢、時間長。因此，如何在繼電保護動作之前及時地監測這種潛伏性故障，避免干式變壓器非正常退出運行就顯得非常必要。 對干式變壓器有功損耗物理機理的研究是新的干式變壓器匝間短路故障在線監測方法的基礎。電力干式變壓器的有功損耗分為負載損耗和空載損耗兩大部分，其中，負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部產生的各種附加損耗。干式變壓器匝間短路后，一方面，由于短路匝中電流很大，造成鐵心局部嚴重飽和，導致損耗增加；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，繞組如果發生了匝間短路故障，將直接影響到漏磁場在干式變壓器內部的分布，從而直接影響干式變壓器內部附加功率損耗的大小。干式變壓器繞組發生匝間短路后，故障相所引起的漏磁場變化很強烈，非故障相的不明顯，從而可得到結論：干式變壓器繞組發生匝間短路后，故障相的附加損耗就會發生比較大的變化，其他繞組的附加損耗也有變化，但是變化很小。總之，干式變壓器繞組發生匝間短路故障后，由其內部磁場的變化所引起的功率損耗將會增大。 正常運行時，干式變壓器的附加負載損耗是指干式變壓器線圈導線中的渦流損耗，線圈內部的環流損耗以及結構件中的渦流損耗，這些附加損耗都是負載電流引起的漏磁通所感應產生的。 當干式變壓器發生匝間短路時，會引起下列變化： ①由于短路使短路所在相繞組匝數減少了，短路后將產生一個短路電流，此短路電流使干式變壓器產生一個附加的損耗，同時，在短路的線匝之間形成一個短路環，短路環的電流較大，也產生了一個附加的功率損耗。被短路的繞組相當于一個匝數等于短路匝數的短路環加在干式變壓器的鐵芯上，該短路繞組內的電流近似等于干式變壓器的短路電流（環流），可以達額定電流的20倍以上（但干式變壓器繞組引出線上的電流變化并不大）。短路環流引起干式變壓器局部發熱，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的增加而增大。 ②對多臺干式變壓器并聯運行，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，這都會使并聯運行的干式變壓器之間產生環流，也將會使干式變壓器損耗增加。 ③從能量的觀點來分析，當干式變壓器發生匝間短路故障后，在故障點將形成一個放電點，隨 著弧光放電產生，必將消耗大量的功率損耗，其具體的數值將依賴于過渡電阻的大小。 綜上所述，可以得出結論：當干式變壓器繞組發生匝間短路，會使干式變壓器的負載鐵耗和空載損耗 均增加從而導致總損耗增加，而且對于匝間短路嚴重程度的不同，此增加損耗也不同，損耗會隨著短路匝數的增加而增大，具體的數值依賴于短路故障的嚴重程度以及過渡電阻大小等因素。

2干式變壓器在線監測原理的提出 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重程度，這對電力干式變壓器繞組狀態監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確率非常有意義。所以可以利用干式變壓器各側的電壓、電流量，計算出干式變壓器的功率，進而得到其損耗的變化，同時，由于干式變壓器在運行過程中，由于負載電流的變化而導致負載損耗的變化，為了不影響判斷，可以剔除掉干式變壓器的負載損耗中的較基本的歐姆損耗，得到具體判別表達式如下： 式中：P1—— 干式變壓器一次側流入功率； P2—— 干式變壓器二次側流出功率； β1、β2——負載系數（實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行時損耗值確定，實際運行中可以調整。 從理論上講，上式中的W(t)就是干式變壓器的空載損耗，但干式變壓器在實際運行中，由于運行條件 與干式變壓器出廠試驗條件不一樣，并且隨著運行時間其空載損耗也要發生變化，因此在實際運行中，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在故障相上，由于磁場耦合的關系，非故障相也應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來進行干式變壓器繞組在線監測的初步定相，即計算干式變壓器原副方繞組的功率，利用功率差進行判斷，判別表達式(1)相應變為：  與式(1)相對應，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為不對稱時感應到副邊側的環流。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，因此不在副邊感應零序電勢，故ip＝0。 實際系統電力系統不可能做到完全對稱，每一相中除了正序分量外，還有負序分量和零序分 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，但在三角形內部將產生環流。由于在線監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部的環流，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測流程如圖3所示。

3總結與展望 提出的在線監測干式變壓器繞組新特征量－功率損耗，還可以結合油氣量的在線監測，研制開發應用于現場生產實際的一套新的干式變壓器在線監測系統。其工作只是一個初步的嘗試，要想提高在線監測的準確度和可行度，還有許多方面的工作特別是現場試驗及現場工作需要完善，建議今后的工作重點放在： 1) 進一步研究干式變壓器故障機理，提出更加可靠有效、全面的狀態監測量，實現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，下一步的工作是結合現場試驗取得的實際數據以及干式變壓器油氣量在線監測結果，進一步分析干式變壓器在線功率損耗的特點，以求能夠給出一個較為準確合理的結果。 在當前電氣設備的故障信息難以全面獲取的情況下，對設備的故障診斷實際上可以看成是利用不完備信息進行模式識別的問題。隨著人工智能技術的發展，一些新的理論如灰色理論、粗糙集理論、數據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據中發現隱含知識，由不完備信息推出盡可能準確的結論，將這些新理論與模式識別技術相結合，應用到電氣設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