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變壓器在線監測技術及其發展探索

發布時間:2020/3/11 來源:《電力設備》 作者:郝雪峰

摘要:隨著我國科技和經濟的不斷發展,我國的電力事業得到了迅速的發展。但與此同時,人們生活質量提高和經濟的發展也給國家電力系統設備的運行可靠性提出了更高的要求。變....
摘要:隨著我國科技和經濟的不斷發展,我國的電力事業得到了迅速的發展。但與此同時,人們生活質量提高和經濟的發展也給國家電力系統設備的運行可靠性提出了更高的要求。變壓器作為電力系統中的關鍵性設備,其運行的好壞影響整個電力系統運行的質量,因此電力部門要加大對變壓器的重視程度,將變壓器的在線檢測和診斷技術作為重點的科研攻關項目,只有確保了變壓器的穩定、安全運行,才能減少電力系統事故的發生,進一步保障電力系統的運行。本文重點講述了變壓器在線檢測技術的原理和發展現狀,并對其的發展趨勢做了簡單概述。

關鍵詞:變壓器;在線監測技術;原理;形狀;發展

1變壓器在線監測技術的原理

變壓器早期故障的特征氣體是油中的一氧化碳和氫氣,它們主要是變壓器內的有機絕緣材料和絕緣油伴隨著變壓器運行時間的增加并在熱和電的長期作用下老化、分解產生的,與它們一起產生的氣體還有二氧化碳和烴類氣體,這些氣體大多數都是溶解在變壓器油中。變壓器在線監測裝置的工作原理是變壓器油中的特征氣體通過與變壓器本體直接相連的傳感器內部的滲透膜選擇性地進入到氣體檢測器中,并通過與傳感器內部燃料電池和空氣中氧氣發生化學反應來產生一個與反應速率成比例的輸出電信號,再經過整流放大輸出電信號和溫度補償電信號后,最后在裝置顯示屏上以體積分數值μL/L形式向技術人員顯示[1]。其中,傳感器是無源元件,無轉動部分,也不需任何試劑或其它材料,其所需要的燃料是特征氣體。

滲透膜的選擇性及燃料電池對氫氣、一氧化碳、乙炔和乙烯的敏感程度分別是100%、(

18±3)%、(8±2)%、(1.5±0.5)%,因而顯示值與DGA的關系是:顯示值=H2(DGA)×100%+CO(DGA)×18%+C2H2(DGA)×8.5%+C2H4(DGA)×1.5%。而變壓器在線監測裝置主要是通過對顯示值是否與基線速率相偏離的監測來預測變壓器是否將存在故障早期。因而,該裝置具有安全可靠、安裝方便、維護量小等優點。

2.變壓器在線監測技術現狀

變壓器在線監測技術包括:油中溶解氣體測量與分析(DGA),局部放電(PD)及光纖測溫、鐵芯接地、套管介質、有載開關的觸頭磨損等技術。

2.1油中溶解氣體測量與分析

通過監測確定特征氣體,油中溶解氣體分析已被證明對發現油浸變壓器內部潛伏性故障相當有效和可靠。安裝油中特征氣體傳感器能夠進行連續監測,可監測到早期的潛伏性故障征兆,從而有助于用戶盡可能采取正確的檢修措施,但該方法對突發性故障反應并不靈敏。現有的DGA技術能夠確定氣體的類型、濃度、趨勢及氣體的產生速率,油中溶解氣體的變化速率在判斷故障發展嚴重性方面很有參考價值。

目前就國內外專業技術而言,變壓器油色譜在線監測裝置從監測功能上分為兩類。第一類屬于定性檢測,即通過檢測單一組分或2種組分來監測變壓器的運行狀況[2]。第二類屬于定量檢測,即對油中多組分的氣體進行分離檢測。由于定性檢測難以適應電力設備高精度的檢測要求,目前已逐步被定量檢測取代。在定量檢測中,關鍵技術主要集中在油氣分離和氣體含量檢測2個方面。

氣體分離的技術主要采用的是動態頂空(吹掃—捕集)脫氣和滲透膜脫氣(包括特殊加工的虹吸毛細膜和陶瓷膜);氣體含量檢測方面目前主要有氣相色譜和基于紅外吸收原理的光聲(光譜燃料電池盒)。目前,應用比較普遍和有效的是氣相色譜技術,而光譜技術屬于比較前沿的檢測技術,未得到一致性的認可和推廣[3]。

2.2局部放電

PD不僅是絕緣老化的現象和表征,而且是促使絕緣老化的一個重要因素,故需要進行PD在線監測。研究表明:超高壓變壓器在工作電壓下長期運行壽命的長短與其絕緣中有無PD密切相關,即PD越弱,則正常運行的壽命越長。同時,在線監測PD可及時預防或發現突發性故障,這也是其優于DGA的關鍵。

現有PD在線測量方法主要有電脈沖測量和超聲波測量,近期國內外又出現了甚高頻(VHF)、超高頻(UHF)測量等方法,但其中應用最廣泛、技術最成熟的則是依據離線測量標準IEC270(或IEC60270)的電脈沖測量方法。應用電脈沖測量方法的系統不盡相同,其主要差異在于羅高夫斯基傳感器的安放位置、系統的檢測頻帶、抗脈沖型干擾方法等方面,而在數據采集、信號處理及顯示上并無太大區別。

目前國內PD在線監測系統的水平和國外比較接近,基本使用嵌式傳感器,不需改變變壓器的接線,這一點受到了用戶的歡迎。

武漢高壓研究所研制的PD系統,采用帶寬為10~1000 kHz的電流傳感器,從套管末屏、中性點及鐵芯等接地線處耦合脈沖信號,組成平衡對以消除外來脈沖干擾,同時獲得局部放電脈沖幅值及次數。西安交通大學研究的BYT型PD系統,測量頻帶為40 kHz~2 MHz,在每相高壓套管底座及套管末屏處分別安裝“一大一小”2路傳感器,系統通過鑒別2路脈沖信號的極性來定向耦合變壓器內部的PD信號,從而有效抑制外來干擾。

變壓器局部放電在線監測的靈敏度一般為1000 pC以上,高于離線下的變壓器出廠試驗規定值。所以,現有系統主要依據PD的長期發展趨勢對變壓器絕緣狀況進行分析,而不完全根據某次的單一測量值。此外,還可利用局部放電橢圓圖、二維譜圖、三維譜圖等對局部放電的類型進行分析。

2.3其他測量技術

還可以通過對變壓器鐵芯接地電流進行在線監測,以此判斷變壓器鐵芯是否出現多點接地故障。GE公司生產的LTC-MAP系統可在線監測變壓器有載調壓開關的狀況及測量套管的介質損耗等,但無法實現對變壓器油中微水、繞組溫度分布(決定繞組最熱點溫度)及其紙絕緣的老化參量(如糠醛)等的在線監測。目前國內外都在積極探索新技術。

變壓器在線監測研究發展趨勢及研究方向

①儀器上:發展了光學器件如分紅氣體分析器,紅外氣體分析器的特點是能測量多種氣體含量。測量范圍寬,靈敏度高精度高,響應快,選擇性良好可靠性高,壽命長,可以實現連續分析和自動控制。紅外氣體分析器的工作原理基于吸光度定律,從物理特征上可以劃分為不分光型、分光型、傅立葉紅外型以及基于微機電系統技術的微型紅外氣體分析器[4]。分光型紅外氣體分析器是利用分光系統從光源發出的連續紅外譜中分出單色光,使通過介質層的紅外線波長與被測組分的特征吸收光譜相吻合而進行測定的。不分光型紅外氣體分析器(NDIR)指光源發出的連續紅外譜全部通過固定厚度的含有被測混合氣體的氣體層。由于被測氣體的含量不同,吸收固定紅外線的能量就不同。

②理論工具上:模糊理論,人工神經網絡,專家系統及灰色理論在DGA的分析中都有應用。

總之,在線監測技術是一項有效維護變壓器穩定運行的技術,具有安全可靠、安裝方便、維護量小、能降低檢修維護成本等優點。電力部門要在需求增加的要求下,合理、有效的運用在線監測技術,保障變壓器的正常正常運行,才能保障電力企業的正常運作,延長機械的使用壽命,維護電力企業的良性、健康發展。

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