电力干式变压器在线监测新方法的研究

摘要：在干式变压器的各种故障中，较常见的是绕组匝间短路。目前，干式变压器油中溶解气体的在线监测是监测干式变压器运行的主要手段。通过分析，发现干式变压器在线监测，特别是绕组在线监测的一个新的特征量：功率损耗。在此基础上，探讨了实现干式变压器绕组在线监测的可能性，并结合油量和气量分析提出了相应的监测和判断流程，初步探讨了新型电力干式变压器在线监测系统和干式变压器状态评估的框架。关键词：电力干式变压器；在线监测；匝间短路；功率损耗；状态评估

在变压器的各种故障中，绕组匝间短路是较常见的。目前，变压器油中溶解气体的在线监测是监测变压器运行的主要手段。通过分析，发现功率损耗是一个新的特征量，特别适用于绕组的在线监测。在此基础上，探讨了实现变压器绕组在线监测的可能性，提出了相应的监测和测定流程，并结合油中气体含量分析，初步探讨了一种新型的电力变压器在线监测系统和变压器评估框图。关键词：电力变压器；在线监控；匝间短路；功率损耗；状态评估

电力干式变压器是电力系统中重要的高压电气设备，担负着电压、电流的转换和电能的传输。它的性能直接影响电力系统的安全稳定运行，可以形象地将其视为电网的“心脏”。因此，确保电力干式变压器长期运行的可靠性是一个重要的问题。近年来，电力干式变压器制造材料、设计方法和制造技术的改进，在一定程度上提高了电力干式变压器的可靠性。但是，由于电力干式变压器的运行环境和目前的故障诊断手段还不完善，评估电力干式变压器设备绝缘状态可靠性的可靠性不高，当电力干式变压器发生故障时，无法准确判断电力干式变压器的故障，因此电力干式变压器的故障概率较高。目前，国内外学者对电力干式变压器的在线监测和故障诊断做了大量的研究工作。在线监测主要包括：油中气体含量在线监测(油色谱在线分析)、油中氢气浓度在线监测、干式变压器绕组局部放电在线监测、干式变压器绕组变形在线监测等。其中，较成熟、较重要的方法是在线监测油中气体含量，即气相色谱法(三比值法、特征气体法、罗杰斯法等。)，即监测运行中的电力干式变压器油中各种气体的含量来判断电力干式的电位然而，由于电力干式变压器结构复杂，且电力干式变压器的故障往往是由多种原因引起的，不同故障的症状有时具有相似性、随机性、人为干扰因素以及诊断设备和手段的误差等。因此，传统的电力干式变压器故障诊断方法远远不能满足现代故障诊断的要求。干式变压器的运行可以从油量、气量和电量两方面同时进行监测，提出了一种电力干式变压器在线运行监测的新方法。因为油气量的工作已经很成熟了，所以只侧重于电气量的研究。

1干式变压器绕组匝间短路的分析及在线监测原理干式变压器涉及电气量的主要部件是绕组。据统计资料显示，干式变压器中较常发生故障的部件之一是干式变压器的绕组，其损坏率约占干式变压器总故障的60% ~ 70%，其中由绝缘老化引起的绕组匝间短路、相间短路和绕组对地短路占总故障的70% ~ 80%。干式变压器绕组故障可归因于绕组匝间短路故障。随着输电电压的不断提高，人们发现传统的连续线圈已经不能满足超高压输电的需要，于是引入了纠缠线圈。缠结线圈的特点是在线圈的相邻匝之间插入数字序列的非相邻匝，形成相互缠绕的绞合线段，形成缠结线圈，从而增加线圈的纵向电容，从而大大改善了冲击梯度沿线圈轴向高度的分布特性，因此被广泛应用于各种高压线圈中。由于缠绕线圈相邻两匝之间的电压比连续线圈大n/2倍(n为缠绕线圈的匝数)，因此对其绝缘水平的要求也更高，更容易发生匝间短路。对于干式变压器绕组故障，尤其是匝间短路故障，需要找出新的故障特征，从而实现干式变压器绕组的在线监测。众所周知，干式变压器

发生匝间短路故障时，尽管短路匝电流很大，但流出一次侧电流非常小。 传统的保护措施是通过整定继电保护的参数来实现的，这对一些尚不致于产生保护动作的匝间短路故障的诊断就无能为力。对于瓦斯继电器，只有当气体积累到某一较小容积时才能动作，故瓦斯保护反应干式变压器内部这种匝间短路故障的速度慢、时间长。因此，如何在继电保护动作之前及时地监测这种潜伏性故障，避免干式变压器非正常退出运行就显得非常必要。 对干式变压器有功损耗物理机理的研究是新的干式变压器匝间短路故障在线监测方法的基础。电力干式变压器的有功损耗分为负载损耗和空载损耗两大部分，其中，负载损耗包括基本损耗（欧姆损耗）和由漏磁场引起的附加损耗（杂散损耗）；空载损耗（铁心损耗）包括基本损耗（涡流损耗和磁滞损耗）和由漏磁场引起的附加损耗。 空载损耗包括基本损耗和附加损耗两部分，前者包括磁滞损耗和涡流损耗，后者主要是由漏 磁场在干式变压器内部产生的各种附加损耗。干式变压器匝间短路后，一方面，由于短路匝中电流很大，造成铁心局部严重饱和，导致损耗增加；另一方面，由漏磁场的变化将直接影响到附加损耗的变化原理可知，绕组如果发生了匝间短路故障，将直接影响到漏磁场在干式变压器内部的分布，从而直接影响干式变压器内部附加功率损耗的大小。干式变压器绕组发生匝间短路后，故障相所引起的漏磁场变化很强烈，非故障相的不明显，从而可得到结论：干式变压器绕组发生匝间短路后，故障相的附加损耗就会发生比较大的变化，其他绕组的附加损耗也有变化，但是变化很小。总之，干式变压器绕组发生匝间短路故障后，由其内部磁场的变化所引起的功率损耗将会增大。 正常运行时，干式变压器的附加负载损耗是指干式变压器线圈导线中的涡流损耗，线圈内部的环流损耗以及结构件中的涡流损耗，这些附加损耗都是负载电流引起的漏磁通所感应产生的。 当干式变压器发生匝间短路时，会引起下列变化： ①由于短路使短路所在相绕组匝数减少了，短路后将产生一个短路电流，此短路电流使干式变压器产生一个附加的损耗，同时，在短路的线匝之间形成一个短路环，短路环的电流较大，也产生了一个附加的功率损耗。被短路的绕组相当于一个匝数等于短路匝数的短路环加在干式变压器的铁芯上，该短路绕组内的电流近似等于干式变压器的短路电流（环流），可以达额定电流的20倍以上（但干式变压器绕组引出线上的电流变化并不大）。短路环流引起干式变压器局部发热，造成铁心的局部饱和，也引起额外的功率损耗（与电流平方成正比），而且对于不同的匝间短路，此增加损耗不同，增加损耗随着短路匝数的增加而增大。 ②对多台干式变压器并联运行，若原方短路，则副方电压将略有升高，若副方短路，则副方电 压略有降低，这都会使并联运行的干式变压器之间产生环流，也将会使干式变压器损耗增加。 ③从能量的观点来分析，当干式变压器发生匝间短路故障后，在故障点将形成一个放电点，随 着弧光放电产生，必将消耗大量的功率损耗，其具体的数值将依赖于过渡电阻的大小。 综上所述，可以得出结论：当干式变压器绕组发生匝间短路，会使干式变压器的负载铁耗和空载损耗 均增加从而导致总损耗增加，而且对于匝间短路严重程度的不同，此增加损耗也不同，损耗会随着短路匝数的增加而增大，具体的数值依赖于短路故障的严重程度以及过渡电阻大小等因素。

2干式变压器在线监测原理的提出 如果能够检测出干式变压器功率损耗的变化，就基本上能够确定出干式变压器绕组是否正常以及故障的严重程度，这对电力干式变压器绕组状态监测和故障诊断提供了一个非常有效的方法，对提高干式变压器故障诊断的准确率非常有意义。所以可以利用干式变压器各侧的电压、电流量，计算出干式变压器的功率，进而得到其损耗的变化，同时，由于干式变压器在运行过程中，由于负载电流的变化而导致负载损耗的变化，为了不影响判断，可以剔除掉干式变压器的负载损耗中的较基本的欧姆损耗，得到具体判别表达式如下： 式中：P1—— 干式变压器一次侧流入功率； P2—— 干式变压器二次侧流出功率； β1、β2——负载系数（实际电流与额定电流比值）； △PL1、△PL2——干式变压器原副边绕组在额定电流下的短路损耗值； ε——按照躲过干式变压器正常运行时损耗值确定，实际运行中可以调整。 从理论上讲，上式中的W(t)就是干式变压器的空载损耗，但干式变压器在实际运行中，由于运行条件 与干式变压器出厂试验条件不一样，并且随着运行时间其空载损耗也要发生变化，因此在实际运行中，W(t)是不等于干式变压器空载损耗。 干式变压器绕组匝间故障后，其功率损耗的增大主要表现在故障相上，由于磁场耦合的关系，非故障相也应该有不同程度的增大，但是不如故障相那么明显，因此可以利用这个特点来进行干式变压器绕组在线监测的初步定相，即计算干式变压器原副方绕组的功率，利用功率差进行判断，判别表达式(1)相应变为：  与式(1)相对应，式中的每一个变量代表每相的值。 对于Yy连接的双绕组干式变压器，其模型如图1所示：

对Yy连接的干式变压器，其每相绕组的电压电流都可以直接测得，故可以利用测得的电压电流 直接计算干式变压器每相绕组的功率。   对于Yd连接干式变压器，其绕组连接如图2所示：



图2中：iA，iB，iC为原边线（相）电流，ila，ilb，ilc，为副边线电流，ia,ib,ic,为对称时副边相电流，ip为不对称时感应到副边侧的环流。如果三相电路对称，原边电压不含零序分量，线电流iA，iB，iC中不含零序电流，这时候中线电流等于零，因此不在副边感应零序电势，故ip＝0。 实际系统电力系统不可能做到完全对称，每一相中除了正序分量外，还有负序分量和零序分 量，从而在副边也将有这些分量。对于零序分量而言，尽管副边是三角形连接，零序电流不可能流通到外部线电流去，但在三角形内部将产生环流。由于在线监测部分只能测出副边的线电流，不可能测到三角形连接绕组内部的环流，为了解决这个问题，决定采用正序分量来计算干式变压器原副方绕组的功率，即正序功率差。 采用正序功率后，计算每一相的功率损耗就容易了。把测得的每一相的线电流分解成正序分量、负序分量和零序分量，对于正序分量，由KCL有：  由式(3)很容易推出： 计算出每相绕组的电流后，再利用直接测得每相绕组的电压就可以计算每相绕组的功率了。 YYd连接的干式变压器绕组的计算，这里就不再赘述。 整个干式变压器绕组在线监测流程如图3所示。

3总结与展望 提出的在线监测干式变压器绕组新特征量－功率损耗，还可以结合油气量的在线监测，研制开发应用于现场生产实际的一套新的干式变压器在线监测系统。其工作只是一个初步的尝试，要想提高在线监测的准确度和可行度，还有许多方面的工作特别是现场试验及现场工作需要完善，建议今后的工作重点放在： 1) 进一步研究干式变压器故障机理，提出更加可靠有效、全面的状态监测量，实现干式变压器故障的定性和定量的研究。 2) 对本文所提出的新的特征量功率损耗，下一步的工作是结合现场试验取得的实际数据以及干式变压器油气量在线监测结果，进一步分析干式变压器在线功率损耗的特点，以求能够给出一个较为准确合理的结果。 在当前电气设备的故障信息难以全面获取的情况下，对设备的故障诊断实际上可以看成是利用不完备信息进行模式识别的问题。随着人工智能技术的发展，一些新的理论如灰色理论、粗糙集理论、数据挖掘理论等被提出并逐步得到人们的重视，这些理论可以从不完备的数据中发现隐含知识，由不完备信息推出尽可能准确的结论，将这些新理论与模式识别技术相结合，应用到电气设备的故障诊断方面可望取得一些有用的成果。 来源：四川电力技术