变压器在线监测技术综述

摘要：变压器是电网中比较昂贵且重要的电气设备，其安全运行对于保证电网安全可靠运行意义重大。变压器故障主要由内部绝缘老化造成，本文根据变压器的各种机械和电气特性，从油中溶解气体分析、局部放电、铁心接地电流在线分析、绕组变形在线分析和振动分析等方面对变压器在线监测技术作一介绍。

关键词：变压器 在线监测 油中溶解气体 局部放电 铁心 接地电流 绕组变形 振动

1 概述

变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电力设备之一，随着电网电压等级的提高和输送容量的增加，变压器故障将对电网的安全稳定运行产生严重的影响。长期以来，电力系统内对变压器正常运行维护主要是采用事后维修和预防维修两种方式。但是，预防性维修需要停电检修，影响了供电的可靠性；定期检修中更换的设备一部分是没有必要更换的，降低了经济性。因此，常规的检测方法与现代化状态维护发展趋势不相适应，为了保证电力系统供电可靠性和经济性，电力设备的在线监测和故障诊断就应运而生。

电力变压器的在线监测方法主要分为两种形式：集中式监测和分布式监测。集中式监测可对所有被测设备定时或者巡回自动监测；分布式监测是利用专门的测试仪器测取信号就地测量。

变压器在线监测技术主要是根据变压器的各种机械和电气特性，采用油中溶解气体分析、局部放电、铁心接地电流在线分析、绕组变形在线分析和振动分析等方法监测其运行状态。本文拟对变压器在线监测方法逐一介绍。 2 变压器油中溶解气体分析

对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障, 如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同（见表1）, 从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测

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方法, 能准确地反映变压器的主要状况, 使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态, 以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。

表1 不同故障类型产生的油中溶解气体 故障类型 油过热 油和纸过热 油纸绝缘中局部放电 油中火花放电 油中电弧 油和纸中电弧 进水受潮或油中气泡 主要气体组分 CH4, C2H4 CH4, C2H4, CO,CO2 H2, CH4, C2H2, CO C2H2, H2 H2, C2H2 H2, C2H2, CO, CO2 H2 次要气体组分 H2, C2H6 H2, C2H6 C2H4, CO2 - CH4, C2H4, C2H6 CH4, C2H4, C2H6 -

2.1 油气分离技术

目前, 国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术, 无论是离线还是在线检测, 必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出, 再进行测量, 从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。

离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法) 和真空法(变径活塞泵全脱法) 。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题, 难以实现在线化。

在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。 2.1.1 薄膜/毛细管透气法

某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质, 适宜于在连续监测的情况下, 从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处,安装了高分子膜, 膜的一侧是变压器油, 另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时, 已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下, 经过一定时间后( 通常需要经过几十小时) 可达到动态平衡。达到平衡时, 气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。

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这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场测量。另外, 油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞, 因而需要经常更换薄膜。

目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜, 常规聚四氟乙烯膜渗透6 种气体（H2 、CO、CH4 、C2H2 、C2H4 、C2H6）需要100 h。日立公司采用PFA 膜, 又称四氟乙烯- 全氟烷基乙烯基醚共聚物, PFA 膜对6 种气体渗透性能较好, 渗透6 种气体组分所需时间为80 h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜,最优厚度为0.18 mm , 最优孔径为8～10μm , 透气性能优于PFA 膜, 渗透6 种气体组分所需时间为24 h。加拿大Morgan Schaffer 公司使用聚四氟乙烯尼龙管束, 渗透6 种气体组分所需时间为4 h[1]。Hydren 公司采用聚四氟乙烯及氟化乙丙稀。 2.1.2 真空脱气法

真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。

波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩,多次抽真空, 将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。

真空泵脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。河南中分仪器推出的色谱在线监测仪采用吹扫-捕集的方式脱出气体, 脱气率大于97 %[1]。

2.1.3 动态顶空脱气法

该方法在脱气的过程中, 采样瓶内的搅拌子不停地旋转, 搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中, 间隔测量气样的浓度, 当前后测量的值一致时, 认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间, 重复性较好, 有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。

2.1.4 血液透析装置

美国Severon 公司的TRUEGAS 采用医学上的血液透析装置, 透气快, 每4h 监测1次,最短可缩短到每2h监测1 次。 2.2 混合气体检测技术

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依据监测气体组分分类, 变压器油中溶解气体在线监测装置目前可分为4 类: 单组分气体(H2) 、总可燃气体( TCG) 、多组分气体及全组分气体。

目前单组分气体检测主要采用气敏传感器，利用靶栅场效应管对氢气具有良好的选择敏感特性, 用于制作单氢检测器；某些燃料电池型传感器对H2 、CO、C2H2 和C2H4 的选择敏感性是100 %、18 %、8 %和1.5 % , 可用于变压器的早期故障监测和判断。

总可燃气体检测采用催化燃烧型传感器, 该传感器对可燃气体选择具有敏感性, 但溶解气体中包含CO，影响了对烃类气体含量的监视。烃类气体在线监测则是将单氢离子火焰检测器的气相色谱仪应用到在线监测中, 需要很多的辅助设备，可靠性较差, 维护量较大,难以推广。

全组分在线监测技术由于其提供的信息量较充分, 与实验室DGA（油中溶解气体含量） 完全相同, 对全面分析变压器的绝缘状况较有利, 目前全组分气体分析检测技术主要有热导检测器、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。

2.3 在线监测产品

目前市面上的变压器油中溶解气体在线监测产品主要分为三大类:

第一类是以半透膜脱气,气敏半导体传感器为检测器的第一代产品。这类产品的缺点是:半透膜容易老化、破裂，发生堵塞；脱气平衡时间长,一般需要2～3 d；气敏半导体传感器容易被污染、老化，导致测试偏差；测试气体一般为混合气体,不能真实反映变压器内部的故障状态,容易出现误报警或拒报警。

第二类是以实验室的气相色谱技术为基础的第二代产品。二代产品的脱气方式多样，有真空脱气、顶空脱气和毛细管脱气。其中真空脱气的重复性较差；而毛细管脱气则容易发生堵塞、老化断裂等问题。这类产品大多需要载气和标气,需要更换的耗材较多，并且由于载气、标气以及色谱柱的应用,不能长期稳定的运行,维护工作量大。

第三类是以光谱技术为基础的第三代产品。基于光声光谱技术为基础的变压器油中溶解气体在线监测系统有如下优点: 1）无需载气、标气,没有色谱柱,系统完全免维护； 2）系统工作稳定可靠,寿命较长；3）系统响应速度快,最快检测速度可达1 次/ h ；4）除油中溶解气体,也可进行微水检测。

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3 变压器局部放电在线监测技术

在线监测变压器局部放电就是对运行中的电力变压器进行局部放电监测，在线分析处理相关数据，以期对变压器进行绝缘诊断，必要时提供报警。

局部放电在线监测技术，系根据超声波原理将高频声波传感器放在油箱外部，测取局部放电或电弧放电所产生的的暂态声波信号。

局部放电在线监测采用高性能传感器，例如，坡莫合金或铁氧体磁芯的电流电压转换型传感器，因为这种传感器可将传感信号与变压器一次侧有效隔离。

根据国内外运行经验，变压器若出现几千pC的局部放电量，仍然可以继续运行。但如果局部放电量达到10000 pC以上时，则表明变压器绝缘的缺陷已经十分严重[2]。从变压器内部出现局部放电到绝缘击穿，有一个演变过程。对局部放电监测的阈值报警和视在放电量的历史数据的发展趋势的分析，可以判断变压器内部的绝缘状况。阈值报警就是当高频信号的幅值和每周期脉冲个数达到设定的阈值，以及脉冲波形达到脉冲宽度和频度时，由局部放电监测装置自动发出的阈值报警信号。

根据变压器局放过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等现象, 相应出现了超声波检测法、光测法、电脉冲检测法、射频检测法和UHF超高频检测法。 3.1 超声检测法

用固定在变压器油箱壁上的超声传感器接收变压器内部局放产生的超声波来检测局放的大小和位置。通常采用的超声传感器为压电传感器, 为避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声，选用的频率范围为70～150 kHz 。

超声检测法主要用于定性判断是否有局放信号, 结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。 3.2 光测法

光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中, 各种放电发出的光波长不同, 光电转换后, 通过检测光电流的特征可以实现局放的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展, 但由于光测法设备复杂、昂贵、灵敏度低, 在实际中并未直接使用。尽管如此, 光纤技术作为超声技术的辅助手段应用于局放检测, 将光纤伸入到变压器油中, 当变压器内部发生局放时, 超声波在油中传播, 这种机械力波挤压光纤, 引起

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光纤变形, 导致光纤折射率和光纤长度发生变化, 从而光波被调制, 通过适当的解调器即可测量出超声波, 实现放电定位。 3.3 电脉冲法

电脉冲法又称脉冲电流法, 通过检测阻抗、变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线及绕组中由于局放引起的脉冲电流, 获得视在放电量。

电脉冲法技术的关键是如何有效地识别和抑制干扰, 将真正的局放信号提取。

近年来, 人们在原有技术基础上, 又引入信号分析方法, 包括小波理论、神经网络、指纹分析、模糊诊断等方法, 使得基于电脉冲法的局放在线监测装置的性能有了长足的进步, 如德国AVO、LEMEC 及澳大利亚虹项等局放在线装置, 检测最小局放量达100 pC , 国内装置由于数字滤波技术不是很完善, 检测最小局放量为3 000 pC。 3.4 射频检测法

利用罗哥夫斯基线圈从电气设备的中性点处测取信号, 测量的信号频率可达30 MHz , 提高了局放的测量频率。该测试系统安装方便, 检测设备不改变电力系统运行方式。但对于三相变压器而言, 该测试系统得到的信号是三相局放量的总和, 无法进行分辨, 信号容易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展, 该方法在局放在线监测中已有较广泛的应用, 尤其是在发电机在线监测领域。 3.5 超高频检测法

针对传统检测方法的不足, 近几年出现了一种新的检测方法——超高频检测方法。超高频局放检测通过检测变压器内部局放产生的超高频(300～3 000 MHz) 电信号, 实现局部放电的检测和定位, UHF 法和脉冲电流法不同, 脉冲电流法的频率测量范围一般不超过1 MHz , UHF 法的频率范围为300～3 000 MHz[3]。脉冲电流法中将试品看作一个集中参数的对地电容, 发生一次局放时, 试品电容两端产生一个瞬时的电压变化, 通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流；而UHF 法中传感器并非起电容耦合的作用, 而是接收超高频信号的天线。

超高频局放检测技术近年来得到了较快发展,在一些电力设备(如GIS、电机、电缆) 的检测中已得到应用。该方法应用于GIS 局放在线检测，灵敏度可达到1 pC。UHF 法在电机、电缆在线监测中也有较成功的应用, 有的已形成产品。对电

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力变压器而言, 局放一般发生在变压器内油—隔板绝缘部位中, 由于绝缘结构复杂, 电磁波在其中传播时会发生多次折射、反射及衰减,同时变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响, 增加了局放超高频电磁波检测的难度。 因此,深入研究油—隔板绝缘和箱壁对超高频电磁波传播机理的影响十分必要。 4 绕组变形在线监测

有关变压器的故障分析表明，绕组是发生故障较多的部件之一。变压器绕组变形是指在机械力或电动力的作用下，绕组的尺寸或形状发生了不可逆转的变化，如轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组扭曲鼓包、匝间短路等。造成变压器绕组变形的原因主要是：① 变压器绕组承受不住其运行中遭受的各种短路故障的冲击，尤其是变压器出口或近距离短路故障引起的巨大冲击；②变压器在运输和安装过程中发生的意外碰撞。

随着我国电网容量的日益增大，短路容量也随之增大，变电站进出线路运行环境恶劣，各种过电压、外部短路时有发生。变压器发生突然短路故障时，在变压器绕组内流过很大的短路电流，短路电流在与漏磁场的相互作用下，产生很大的电动力，虽然这种暂态持续时间很短，但是变压器还是可能会遭到损坏，其绕组很可能发生变形。变压器绕组发生变形后，有的会立即发生损坏事故，但更多的是仍能继续运行。这样可能会形成某些已经发生绕组变形的变压器仍看成是正常的变压器在电网中运行的局面。由于变压器绕组变形存在累积效应，如果不及时发现和修复变形，就埋藏了事故隐患，遇到过电压等情况，就可能引发较大的事故。因此，开展变压器绕组变形的研究具有重要的意义。

对于已经发生绕组变形的变压器，用目前的常规试验方法如频响分析法、短路阻抗法等可以发现问题，其主要方法是在现场采取吊罩检查的方法，通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法，测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法，测量变压器频率响应并比较其变化的频响分析法。这些方法需要变压器退出运行，即离线检测方法，不能在线监测变压器绕组状况以便及时发现故障。

基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，近年来，通过在线检测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术逐渐得到重视。低压脉冲法和频响分析法都需在变压器绕组的一端施加与运行电压相异的激励信号，实施相对复杂，并且脉冲法重复性较差。短路电抗法在线监测过程中无

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需额外施加激励量，因而很受重视。

最近又有人提出了一种通过在线测量变压器三相电压和电流量，采用递推最小二乘法辨识变压器的短路电抗和电阻的方法来进行变压器绕组在线监测[4]。

仿真测试结果表明，用参数辨识的方法在线辨识变压器的电抗和电阻，实现对绕组变形的在线监测是可行的。特别是当变压器受到短路电流的冲击之后，测量短路阻抗，通过分析其值的变化来判断变压器绕组是否存在变形、位移或短路放电等问题，无疑是有其现实意义的。由于绕组绝缘损坏造成的匝间短路会引起绕组的感性变化和电阻的变化，因此，该方法除了能够监测绕组变形外，也可以结合其它的一些检测方法作为判别变压器内部故障的一种手段。 5 铁心接地在线检测

变压器运行的时候,铁心周围存在着交变磁场,在磁场的作用下,铁心带电绕组受到寄生电容的耦合作用,对地产生悬浮电位。悬浮电位过高会击穿变压器各组件之间的绝缘层,产生局部放电,对变压器造成损害,也会威胁现场人员的人身安全。为消除悬浮电位的影响,一般将变压器铁心通过外壳工作接地,使其与大地等电位,但仅允许一点接地,如果有两点或者两点以上同时接地,则铁心与大地之间将形成电流回路,产生环流,电流最大能达到几十安培。铁心多点接地造成的危害主要有：1）使铁心损耗增加，铁心局部过热，甚至烧坏；2）过热造成的温升，将使变压器油分解，产生的气体溶于油中，可能会引起绝缘油性能下降；油中气体不断增加并析出，可能导致气体继电器动作而使变压器跳闸。因此，及早地发现和处理铁心接地问题对系统的安全运行有非常重要的意义。

监测变压器铁心多点接地的方法主要有三种，即监测变压器绝缘油特征气体的色谱分析法，基于铁心局部发热的红外法和直接监测铁心接地电流的电气法。

油色谱分析法运用最为广泛，技术上也非常成熟，但投资较大，并且只有在变压器油中特征气体达到警示值时才能进行判断，在故障不是很严重时无法及时发现问题，存在滞后性，并且当特征气体的比值不是标准值时，很难准确的判断故障的类型。

红外法作为一种新型方法一般只适用于干式变压器，对于油浸式变压器，红外线很难穿透其外壳和绝缘层，运用起来有一定的局限性。

电气法是通过监测铁心接地线上的电流变化来反映铁心运行状况，是各种方

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法中最迅速、最直接、最灵敏的方式。传统电气法是在变压器铁心接地端装设电流表，靠运行人员的巡视来发现问题。因此，设计一套实时在线监测变压器接地电流状况的遥测装置意义重大。

东北电力大学和广东佛山南海供电局共同开发了一套采用GSM 的变压器铁心多点接地电流在线监测系统[5]。该系统选择新型穿心型无源电流互感器,采用特制的高导磁材料作电磁感应核心元件和电补偿技术,具有线性范围宽(1mA～5A)、测量准确、灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强、外部接线简单等特点。

华中科技大学与汕头供电局合作，共同开发了一套主变压器铁心接地在线监测分析系统[6]。该装置以电流检测法为基础，能够对变压器铁心接地电流进行在线监测，经电流互感器转换为变压器铁心接地线中的电流信号，首先被转换成模拟电压信号，然后被采集卡转换成数字信号输入到工控机，工控机对信号进行分析和处理，在发生故障时给出报警信号。 6 变压器振动频谱在线监测

电力变压器油箱表面的振动与使其振动的变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，故在线测量油箱表面振动可反映有载调压开关、绕组和铁心的机械性缺陷，也可对内部局放进行检测和定位。目前，美国、俄罗斯和加拿大等几个国家正在研究利用振动信号分析法在线监测变压器，且俄罗斯已进入现场试用，结果证实该法适于各类变压器，准确率高达80%～90%。其不足在于：未充分研究绕组振动特性，如测试位置对振动信号测量的影响及不同压紧状况下绕组振动信号的特征等。

振动监测常采用压电式加速度传感器，安装在变压器铁壳外，频率从几Hz到20kHz，最高80kHz。通常加速度传感器的灵敏度在10-1至102mV/(m/s2)数量级[7]。

俄罗斯研制成功的带电监测变压器器身振动的频谱分析专家系统。它采用频谱分析仪，由振动发送器记录信号；从运行中的电力变压器油箱表面测取振动信号。用这种系统在空载和有载两种情况下测量，进而确定变压器的状况。该系统已在多台大型充油变压器上实际应用。我国一些科研单位和电力公司也开始相关研究。

7 变压器在线监测技术的发展前景和方向

变压器的在线监测可以提早发现设备内部可能存在的缺陷或性能劣化，为检修提供判断，提高供电可靠性和经济性。因此，变压器的在线监测具有十分广阔

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的发展前景。

其发展方向主要有：

1）由对单台的设备进行监测向整个系统的在线监测延伸，并根据系统设备的运行情况，由专家系统判定最优化的运行计划。

2）实现设备的远程监测。

3）状态监测系统和其他系统联网，增强系统的安全性和可操作性。 虽然包括变压器在线监测在内的电力设备在线监测技术已经发展了几十年，但在线监测系统的选型、日常运行、判据分析、状态评价等方面仍缺乏相应的标准、规范和导则，运行单位对在线监测系统按电力设备的日常管理、维护工作有待规范。还有抗干扰等技术问题、设备的可靠运行和维护问题、经济效益（投入在线监测设备所产生的经济效益和成本）问题等。随着科学技术的不断发展进步，国内外标准的发布执行，电力设备的在线监测必将是未来高电压设备检测研究的重点。

（科技信息所 葛春定）

参考文献：

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[3] 电力变压器状态在线监测技术.秦申蓓.电力需求侧管理.2000(2) [4] 在线监测变压器局部放电.邱建军.农村电气化.2007(4) [5] 变压器局部放电在线监测技术.王东升等.东北电力技术.2007(3) [6]变压器绕组变形在线监测方法的研究.李邦云等.变压器.2003(10) [7]输变电设备在线监测方法及系统选用.李莉华等.电世界.2006(6)

[8]变压器油中溶解气体在线监测技术发展与展望.许坤等.高电压技术.2005(8) [9]一种新兴的变压器铁心多点接地在线监测装置.李国庆等.东北电力大学学报.2006(1) [10]大型变压器铁芯接地在线监测技术的研究. 陈卫中等.广东输电与变电技术.2007(2) [11]浅谈电力变压器故障的在线监测.徐杰.技术与市场.2006(6)

[12]变压器油中溶解气体在线监测技术的研究.阴昌华等.科技情报开发与经济.2007(1) [13]变压器局部放电在线监测技术分析.刘海萍等.中国农村水利水电.2007(3) [14]变压器绕组变形在线监测研究与仿真分析.李强.电子质量.2004(10) [15]振动法在线监测变压器绕组及铁心状况.程锦等.高电压技术.2005(4)

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