華能南京燃機(jī)發(fā)電有限公司 夏海明 吳淵恒

電力設(shè)備變壓器是作為電網(wǎng)輸電與電力配電運(yùn)輸過程系統(tǒng)中的各種關(guān)鍵重要電力設(shè)備之一，其長(zhǎng)期工作安全狀況直接影響著我國(guó)電網(wǎng)的安全和運(yùn)行穩(wěn)定性，因此為了充分滿足我國(guó)電力系統(tǒng)的持續(xù)現(xiàn)代化快速發(fā)展，必須對(duì)各種變壓器的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)施在線監(jiān)測(cè)。

變壓器正常運(yùn)行時(shí)因其繞組四周均應(yīng)該具有一定電場(chǎng)，而繞組鐵芯與鐵芯夾件及其他金屬構(gòu)件都處在此電場(chǎng)之中而產(chǎn)生了不同的接地電位，為了防止變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，因繞組鐵芯夾件與其他的金屬構(gòu)件電位差而產(chǎn)生相對(duì)的接地線性放電，因此均需對(duì)鐵芯及其他金屬構(gòu)件保護(hù)接地。投入使用的直流變壓器在正常接地工作電壓狀況下，鐵芯管在接地時(shí)對(duì)電壓值的變化極小，為毫安培一級(jí)，注意值為100毫安[1]。如果鐵芯出現(xiàn)了二點(diǎn)以上的接地情況，那么接地點(diǎn)之間就有可能形成環(huán)流。如果二點(diǎn)電位差超過足以穿透二者之間的絕緣層時(shí)便形成了斷續(xù)火花，放電并破壞電力變壓器內(nèi)部的絕緣固件，進(jìn)而將絕緣油分解，形成可燃的成分氣體，還可以直接將接地片熔斷，燒壞鐵芯，從而造成事故的發(fā)生。當(dāng)鐵芯發(fā)生多點(diǎn)接地故障時(shí)，流過電力變壓器鐵芯接地線路上的輸出電流會(huì)大幅度的增加，于是通過檢測(cè)鐵芯引出線路上電流設(shè)定值的多少，就能夠精確而實(shí)時(shí)地檢測(cè)出鐵芯多點(diǎn)接地故障。

變壓器的內(nèi)部局部放電，是指帶電變壓器絕緣內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的氣泡、裂隙以及污染雜質(zhì)等在高電壓下所運(yùn)動(dòng)引起的一種局部、反復(fù)的放電擊穿與熄滅現(xiàn)象。假如變壓器處于一個(gè)甚至多個(gè)這樣的微弱局部放電下工作，局部放電及其所直接產(chǎn)生的不良效果，就可能會(huì)引起整個(gè)電力變壓器絕緣的急劇老化，而日積月累則就很有可能直接造成整個(gè)高壓絕緣被完全外力擊穿，從而可能產(chǎn)生各種重大事故，對(duì)我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)將會(huì)造成新的巨大損失。

與傳統(tǒng)停電高壓局部放電檢測(cè)技術(shù)相比，在線局放裝置由于能夠長(zhǎng)期且持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行變壓器局部放電狀況，且當(dāng)局部放電容量過大超過額定值時(shí)，可以及時(shí)停運(yùn)并做進(jìn)一步的檢查，其在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面具都具備有較大的技術(shù)優(yōu)越性，是目前唯一有效用于防止變壓器突然發(fā)生損壞事件的在線放電檢測(cè)技術(shù)手段。在線局放裝置反映的是電力變壓器實(shí)際狀態(tài)下絕緣局部放電狀況，比離線放電測(cè)試能更好地適應(yīng)日常實(shí)際操作及檢查。在變壓器鐵芯接地處采用脈沖電流檢測(cè)法檢測(cè)，能夠高效的監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部絕緣局部放電情況。

1 監(jiān)測(cè)原理

在變壓器鐵芯接地銅排處，安裝在線監(jiān)測(cè)裝置就能對(duì)變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障及變壓器局放故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的多狀態(tài)量監(jiān)測(cè)。本節(jié)對(duì)這兩種監(jiān)測(cè)原理進(jìn)行闡述。

1.1 變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)《Q/GDW1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》等國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)范的具體規(guī)定，所有大型變壓器專用鐵芯回路接地穩(wěn)壓電流在線測(cè)量檢測(cè)裝置設(shè)備必須達(dá)到可以完全達(dá)到5mA～10A 的接地電流在線檢測(cè)測(cè)量范圍，測(cè)量精度需要達(dá)到“±3%或1mA 兩者取大值”，具備測(cè)量電流范圍寬，測(cè)量精度要求高的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的電流互感器無(wú)法滿足這一測(cè)量要求，針對(duì)變壓器鐵心接地電流的測(cè)量需要采用零磁通電流互感器。

利用有源零磁通控制技術(shù)有效地提升了小電流密度勵(lì)磁傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度，除了要采用比其他起始導(dǎo)體吸磁率更高、能量流動(dòng)損失更少的特種導(dǎo)磁合金材料作為銅芯鐵芯主體材料之外，還充分利用有源電子勵(lì)磁信號(hào)圖像處理控制技術(shù)對(duì)銅芯鐵芯內(nèi)部的靜電激磁場(chǎng)和磁勢(shì)密度變化信號(hào)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的測(cè)量跟蹤值和補(bǔ)償，從而可以確保整個(gè)鐵芯中心一直工作于一個(gè)近乎理想的零磁通工作狀態(tài)。

1.2 變壓器局放監(jiān)測(cè)原理

變壓器的電是局部高頻放電[2]，具有高頻放電脈沖、電磁波、超聲波以及弧光等多種表現(xiàn)形式，同時(shí)信號(hào)帶寬覆蓋從幾十K 到3G 等很寬的頻率范圍。隨著我國(guó)電力交流變壓器在大局部的開放使用過程中不斷產(chǎn)生的還有電脈沖、電磁輻射、超聲紋波檢測(cè)等新技術(shù)、光等創(chuàng)新現(xiàn)象，而與其相應(yīng)發(fā)展產(chǎn)生的還有電脈沖紋波檢測(cè)法、超聲激光傳感器紋波檢測(cè)法、光紋波測(cè)量方法及光等射頻激光檢測(cè)法，以及UHF 等超高頻激光電子標(biāo)簽及光檢測(cè)法等技術(shù)。

電流放小脈沖放大法中文簡(jiǎn)稱[3]脈沖電流法，通過直接測(cè)量開關(guān)電阻、變壓器供電套管的開關(guān)末端元件接地線、機(jī)殼元件接地線、鐵芯元件接地線和開關(guān)繞組回路中的電流局放所連接產(chǎn)生的脈沖電流，獲得視在電流放大配電法中的測(cè)量。該檢測(cè)方法無(wú)疑是目前研發(fā)最早、使用最普遍的一種分子檢測(cè)病毒方式。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）也為此問題制定了許多相關(guān)技術(shù)規(guī)范。相對(duì)于其他檢測(cè)方法，由于檢測(cè)的是電脈沖信號(hào)，具備抗干擾能力強(qiáng)，局放類型識(shí)別準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)。變壓器局部脈沖電流信號(hào)的頻率范圍一般集中在3M～30MHz，需要采用高頻的電流互感器對(duì)脈沖電流信號(hào)進(jìn)行采集。采用羅氏線圈能夠有效實(shí)現(xiàn)高頻電流脈沖信號(hào)的有效采集。

羅氏接收電路線圈的閉合工作感應(yīng)機(jī)理根據(jù)法拉第定理，描述的就是在一個(gè)閉合接收電路中它所感應(yīng)的總磁和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和其中所有的連接閉合電路的總磁通道容量和隨時(shí)間溫度變化率之間的一個(gè)正比關(guān)。羅科夫斯基線圈和驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)互感器很相似，其驅(qū)動(dòng)電流被直接導(dǎo)入第二導(dǎo)電線圈中，且在此處和一個(gè)流過絕緣導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)電流之間成正比例的關(guān)系。重要技術(shù)差別之一就是羅科夫斯基線圈鋼芯具有空心磁殼，這一點(diǎn)和導(dǎo)磁電流移動(dòng)互感器正好完全相反，后者通過超高導(dǎo)磁大功率繞制鋼芯和第二導(dǎo)電繞制鋼芯進(jìn)行空心電磁場(chǎng)的耦合。而兩個(gè)空心磁殼則同樣可用于通過更少量的插入量和抗阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到更快的控制信號(hào)輸出響應(yīng)速度以及更加可線性的控制信號(hào)輸出電壓?？招碾妶?chǎng)磁芯將通過輸入輸出線圈，以磁循環(huán)形式的方式被直接放在一條帶有大電流的中心導(dǎo)線周圍[4]，而由大量交流電和直電流所驅(qū)動(dòng)形成的空心磁場(chǎng)也將直接給出輸入線圈中心所感應(yīng)到的電流。羅科夫斯基線圈環(huán)路產(chǎn)生的和在整個(gè)線圈內(nèi)部環(huán)路中驅(qū)動(dòng)電流量的變化率(電流導(dǎo)數(shù))通常成正比的驅(qū)動(dòng)電流。

綜上所述，有源零磁通互感器與羅氏線圈的安裝方法相同，都可以套到變壓器鐵心接地銅排上，以進(jìn)行對(duì)變壓器鐵心接地輸出電流和變壓器的高頻率脈沖電流局放等信息的采集。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用

2.1 變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文基于SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1）。設(shè)備采用了一體化的集成電路設(shè)計(jì)，產(chǎn)品中內(nèi)置了零磁通互感器和霍爾傳感器，同時(shí)還對(duì)交流變壓器鐵芯泄露電流信息和高頻脈沖電流局開放信息進(jìn)行了高速采集和綜合分析處理，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合分析判斷之后對(duì)變壓器的工作狀況做出了綜合診斷評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取華能南京發(fā)電有限公司220kV #1主變。通過SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)的試點(diǎn)安裝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器鐵芯狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，裝置實(shí)時(shí)采集變壓器鐵芯的泄露電流信號(hào)和流經(jīng)鐵芯處的高頻脈沖電流局放信號(hào)，并通過遠(yuǎn)程通信手段定時(shí)上送給監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析診斷。

實(shí)現(xiàn)了變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流信號(hào)的有效采集后，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和分析，是我們需要探討的問題。過去的一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范雖然對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了一些要求，但往往只停留在監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)范圍和監(jiān)測(cè)精度層面，對(duì)于如何基于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和故障判斷標(biāo)準(zhǔn)中涉獵較少。下面針對(duì)變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的數(shù)據(jù)綜合處理和分析，進(jìn)行介紹。

2.2 鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析

《Q/GDW 1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中首次給出的對(duì)交流變壓器的全鐵心基波接地輸入電流輸出電壓在線檢測(cè)裝置要求就是計(jì)算全基波輸出接地電壓和基波輸入接地電壓的具體規(guī)定。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和《Q/GDW 1168-2013輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范中,對(duì)輸變鐵芯設(shè)備接地交流電壓的狀態(tài)報(bào)警和測(cè)值范圍作出了明確規(guī)定。

但在鐵芯接地電流的日常檢測(cè)中，僅是這些要求不能完全反應(yīng)變壓器的真實(shí)工況，且要求提的問題不全面還為變壓器鐵芯接地電流的日常巡檢造成了一些困擾。規(guī)范中規(guī)定了，必須對(duì)鐵芯接地電流的全電流與基波電流分別進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)全電流檢測(cè)中所必須監(jiān)測(cè)到的高諧波電流頻率卻未做規(guī)定，造成了現(xiàn)場(chǎng)使用不同的電流表或不同的鐵芯接地電流在線檢測(cè)設(shè)備，對(duì)變壓器鐵芯接地電流全電流的檢測(cè)結(jié)果并不統(tǒng)一。這就對(duì)電流的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了質(zhì)疑，對(duì)鐵芯接地電流數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來(lái)了困擾。

根據(jù)筆者對(duì)不同電壓等級(jí)變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，以及復(fù)雜工況下變壓器可能產(chǎn)生的諧波分量，規(guī)定變壓器的接地電流監(jiān)測(cè)需要能夠覆蓋20次諧波信號(hào)。并對(duì)接地電流的頻譜信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算不同次諧波下電流信號(hào)的分布情況，對(duì)變壓器鐵芯接地電流測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，對(duì)變壓器的運(yùn)行工況更深入的了解。

2.3 高頻脈沖局放信號(hào)的數(shù)據(jù)分析

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高頻采樣技術(shù)日漸成熟，采用高速采樣ADC 能夠?qū)崿F(xiàn)高頻脈沖電流局放信號(hào)波形的完整采集，為數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析提供基礎(chǔ)。針對(duì)最大頻率30M 的高頻脈沖電流局放信號(hào)，采用大于60M 的數(shù)據(jù)采樣率就能實(shí)現(xiàn)局放信號(hào)的完整采集?；谧儔浩骶址欧烹娤辔?、放電幅值以及放電次數(shù)等信息的PRPD、PRPS 譜圖數(shù)據(jù)，以及根據(jù)譜圖特征的變壓器不同放電故障的類型識(shí)別，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均有定義。如何將有效局放信號(hào)和環(huán)境噪音區(qū)分，如何通過有效算法實(shí)現(xiàn)變壓器局放的模式識(shí)別是變壓器局放數(shù)據(jù)的分析目標(biāo)。采用數(shù)字濾波器和脈沖聚類算法，能夠有效實(shí)現(xiàn)特定頻率背景噪音的濾除以及局放信號(hào)的識(shí)別功能。將局放信號(hào)提取后，生成有效的PRPD 和PRPS 譜圖，再根據(jù)譜圖的特征判斷具體的局放故障類型。同時(shí)對(duì)典型的放電波形進(jìn)行記錄，便于后期對(duì)局放故障的原因分析提供依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的監(jiān)測(cè)原理及方案，以及數(shù)據(jù)處理和分析進(jìn)行了闡述。通過安裝方式一致的零磁通互感器和羅氏線圈，采集變壓器鐵芯接地銅排處的鐵芯接地電流信號(hào)及高頻局放信號(hào)。實(shí)現(xiàn)20次諧波的接地電流全電流采集，同時(shí)對(duì)接地電流信號(hào)的各次的諧波分量進(jìn)行計(jì)算分析，能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)變壓器的接地電流和運(yùn)行工況。通過大于60M 的數(shù)據(jù)采樣率的高頻電流局放信號(hào)采集，能夠完整保留局放信號(hào)的信息，通過算法實(shí)現(xiàn)局放信號(hào)與環(huán)境噪音的有效分離。通過圖譜特征對(duì)變壓器局放類型進(jìn)行有效判斷，同時(shí)保留典型的局放波形，為了往后進(jìn)一步的故障分析和處理提供了數(shù)據(jù)和理論支撐。通過這一方案，實(shí)現(xiàn)了變壓器接地電流、變壓器多點(diǎn)接地故障、變壓器運(yùn)行諧波工況、變壓器局放故障的多狀態(tài)量的綜合監(jiān)測(cè)。