智能電網下的變壓器繞組變形檢測技術研究

摘 要：結合變壓器檢修從故障檢修、計劃檢修到狀態檢修的過渡，全面介紹目前現有變壓器繞組變形檢測技術的應用及特點；在此基礎上重點探討構建“自愈、堅強”智能電網下，繞組變形在線監測面臨的新要求和未來發展方向。

關鍵詞：繞組變形；在線監測；狀態檢修；智能電網

中圖分類號：O4 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2013）36-0225-03

引言

電力變壓器在電能傳輸中起著樞紐作用，其故障會對電力系統供電可靠性和運行穩定性帶來嚴重影響。歷年變壓器故障統計資料表明[1～3]，每年繞組故障占變壓器故障的絕大部分，而繞組短路強度不夠是造成變壓器繞組故障的主要原因。繞組短路強度不夠時，變壓器近區或出口短路電流引起的電動力作用將導致變壓器繞組發生變形，變形程度與短路電流大小及作用時間長短有關。另外，變壓器在長途運輸和維護過程中由于人為因素發生碰撞、誤操作等，也可能導致繞組變形。嚴重變形時將直接造成變壓器損壞事故。輕微變形通常對變壓器正常運行影響不大，但當再次或多次遭受短路事故沖擊時，由于變形的累積效應，變壓器也可能在后繼的不太大的短路電流或過電壓作用下，甚至在正常運行條件下發生損壞事故，導致變壓器非正常停運，給變壓器正常運行帶來極大的安全隱患。

早期，變壓器設備檢修采用故障檢修模式，電力系統雖配置有繼電保護裝置，能可靠、快速地切除變壓器出口或近區短路故障，縮短繞組承受巨大短路電動力作用時間，進而減小由于繞組變形而導致的變壓器故障發生率，但僅為一定程度地減小故障發生率，并不能完全避免故障的發生。相應地，對變壓器繞組變形的檢測也僅在變壓器故障停運后的故障檢修中進行，是一種故障發生后的被動防御模式，屬于離線檢測法，不能提早發現變形缺陷。而后發展的變壓器計劃檢修采用定期檢修模式，對變壓器進行預防性維修，相對故障檢修雖有一定的進步，但由于事先變壓器狀態信息未知，難免出現“檢修不足”和“檢修過剩”的缺陷，造成大量的人力、物力和財力資源浪費，有時甚至在檢修過程中產生新的安全隱患。隨著電力系統的發展以及對電力設備不停電要求的逐漸提高，單單依靠故障檢修和計劃檢修，對變壓器繞組變形進行被動、盲目地檢測已不足以保證變壓器的安全運行。隨之發展的電力設備狀態檢修，根據設備的日常檢查，定期重點檢查在線狀態監測和故障診斷所提供的信息，經過分析處理判斷設備的健康和設備劣化狀況及發展趨勢，并在設備故障前和性能降低到不允許極限前有計劃安排檢修[4]，有效地減小了由于設備亞健康狀態積累而造成的發展性故障發生率，并在電力系統中日益普及。其中，為實現變電設備狀態檢修的繞組變形在線監測與故障診斷技術也迅速成為電力系統研究中的一個重要課題，同時，其發展也推動了變壓器繞組變形檢測由離線檢測向能實時獲取變壓器繞組狀態、及早發現變形隱患的在線監測的轉變。

同時，中國正構建的智能電網的一個重要特征是“自愈、堅強”，要求電網具有實時、在線連續的自我安全評估和分析能力，強大的亞健康預警控制系統和預防控制能力，自動故障診斷、故障隔離和系統自我恢復的能力[5]。作為實現智能電網的重要組成部分，電氣設備狀態檢修是增強電網自愈能力、減小設備故障發生率的有效方法[6]。而變壓器繞組變形在線監測則為變壓器的狀態檢修提供依據，是實現變壓器狀態檢修的前提，也是增強未來智能電網自愈能力的重要手段。本文結合變壓器檢修從故障檢修、計劃檢修和狀態檢修的過渡，全面介紹目前現有變壓器繞組變形檢測技術的應用及特點；在此基礎上重點探討構建“自愈、堅強”智能電網下，為實現電力設備狀態檢修，繞組變形在線監測所面臨的新要求和未來發展方向。

一、傳統的繞組變形離線檢測

變壓器繞組在較高頻率（≥1KHz）的電壓作用下，其鐵芯基本上不起作用，繞組可視為一個由線性電阻、電感（互感）、電容等分布參數構成的無源線性雙口網絡。當繞組發生機械變形時，勢必導致變形部分相對空間位置的變化，從而引起變形部分的電感、縱向電容、對地電容和互感等分布參數發生變化，導致網絡特性發生改變，同時由于漏磁路徑的改變，也使該處的漏磁場尤其是徑向漏磁場發生大的變化。目前，基于這一點的變壓器繞組變形檢測法有頻率響應法（FRA）、低壓脈沖法（LVI）和短路阻抗法（SCR）。

使用以上方法時，變壓器均需退出運行，測試環境簡單，不受系統運行因素的影響，現場易于實施，多用于變壓器出廠試驗、故障檢修和計劃檢修中。然而，由于需使變壓器退出運行，測試環境與變壓器運行環境不同，試驗結果并不能準確反映變壓器運行時的真實狀況。

二、繞組變形在線監測

變壓器的持續、穩定工作是現代電力系統安全運行的前提，而變壓器在運行過程中，不可避免地遭受各種各樣的內、外故障電流沖擊，使繞組承受短路電動力而永久變形。統計資料表明，源于變形的發展性或突發性故障而導致的變壓器非正常停運占變壓器停運的大多數。而離線檢測法多在變壓器故障或者故障隱患相當嚴重以后進行，屬于一種被動檢測行為，不能隨時監測繞組狀態并及時發現故障。隨著電力系統的發展，適用于故障檢修和計劃檢修的離線檢測法已不能滿足日益提高的供電設備不停電要求，變壓器設備檢修向狀態檢修的轉變已成為必然，隨之，對變壓器繞組變形在線監測的研究也愈受重視。

目前，電力系統常用的繞組變形在線監測原理有振動法、基于漏電感（短路電抗）參數辨識的在線監測和頻率響應在線監測等[6～8]，原理上均是通過實時采集變壓器運行時的非電氣量或電氣量信息，獲取衡量繞組健康狀態的特征量，根據其相對健康值的變化幅度，診斷繞組變形程度，預測繞組發展趨勢，及時、正確地發現某些早期變形缺陷，減少故障發生率。提高變壓器設備監督的技術水平，真正意義上實現了變壓器檢修從故障檢修、計劃檢修到狀態檢修的過渡。

然而，盡管繞組變形在線監測對變壓器安全運行具有重要意義，長期以來，由于現場裝備條件以及原理方面有待完善等方面的限制，繞組變形在線監測仍擱淺于理論研究階段。首先，由于測試環境的復雜，以及其數據采集的實時性、連續性，在線監測結果的精度及穩定性受周圍干擾因素影響較大。其次，目前電力系統廣泛采用的傳統電磁式互感器，由于存在鐵芯飽和磁滯現象，其測量數據傳變誤差偏大仍為制約在線監測系統提高測試精度的瓶頸問題。再者，在線監測在具體實現上仍存在以下問題：特征量基準值（健康變壓器短路電抗或漏電感）的精確獲取，原理上的假設和簡化給變形監測也帶來一定的誤差；特征量測量值偏差量與繞組變形程度之間定量關系的確定；繞組變形后，在不同溫度、負荷電流情況下變壓器殘余壽命的計算問題。其中，第三點棘手之處在于偏差量的大小與發生變形的大小、種類和位置都相關，而不同大小、種類和發生位置的變形給變壓器帶來的安全隱患大小亦各不相同。也就是說偏差量與變形引起的安全隱患大小之間關系復雜，并不存在簡單的線性關系，這就造成變壓器繞組在線監測中偏差量報警值確定的一個難點。

三、智能電網下的繞組變形在線監測

（一）智能電網下在線監測面臨新要求

如上所述，繞組變形在線監測是實現變壓器狀態檢修的前提和依據，也是實現智能化變電站的重要手段。然而，如同變壓器在線監測僅應用于變壓器狀態檢修，目前發展的在線監測技術也僅限于電網中某一類裝備本身，主要集中在發電設備、變電設備和輸電線路等方面的具體設備狀態檢修上，監測范圍的孤立、局部性決定其應用效果也是單一、狹隘的。

未來的智能電網將是全網的智能化，其核心內容是以物理電網為基礎，現代先進傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術和控制技術為支持，實現涵蓋發電、輸電、配電和用電等的全網數字化、信息化、自動化和互動化。其中，作為智能電網的重要環節，智能化變電站要求變壓器等主設備智能化，能夠按電網要求輸出本設備的狀態信息量，以網絡形式接入變電站自動化系統，送往變電站維護中心的主設備在線狀態分析和診斷系統，實時分析和監控變壓器等主設備，及時提出分析和診斷報告，實現提前預先處理設備隱患[9]。可見，未來智能電網下，電力設備狀態檢修作為全網智能化的重要手段，又對電力設備的監測及診斷技術提出新的要求，要求在線監測具有基于全網的廣域性、綜合性，不應僅局限于本身的技術狀態和運行狀態，還應考慮電網運行條件的約束；不應僅考慮設備本身的可靠性，應將設備置于全網，全方位考慮整個電網的可靠性，實現全網綜合效益的最大化。

（二）智能電網下在線監測的發展方向

作為實施變壓器狀態檢修的前提和構建智能變電站的重要手段，變壓器繞組變形在線監測在智能電網的實現中不可或缺。綜觀目前的變壓器繞組變形在線監測，在順應未來電網智能化的要求上，還存在很大的發展空間。以下從在線監測系統的信息采集、數據處理、決策控制三個環節展開分析：

首先，在信息采集環節，目前繞組變形在線監測系統的信息采集部分多采用傳統的電磁式互感器，存在磁飽和、鐵磁諧振和暫態特性差等缺點，造成測量結果不穩定、誤差較大、抗干擾能力差。為實現智能化變電站，這就需要采用無飽和現象、頻道寬、準確性高、維護成本低的光電式電壓和電流互感器等智能裝置，獲取更高精度的變壓器運行信息。另外，如同變壓器狀態監測信息采集范圍狹隘，僅限于本設備信息，目前電網中其他設備的狀態監測也都是僅針對設備本身，系統電網信息采集量雖大，但多為信息孤島，缺乏數據共享，對數據的利用也是割裂、離散的，不能形成一個有機的統一整體，造成整個電網信息的獲取和利用水平較低。

其次，在數據處理環節，數據傳送和處理過程容易發生故障，造成數據異常[10]。目前繞組變形在線監測裝置與一次設備之間使用電纜通信，互感器故障時，由于沒有校驗信息的信號，監測裝置收到錯誤信息，導致監測結果異常。智能變電站中，繞組變形在線監測信息的傳輸則依靠先進的計算機通訊技術，通信系統在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗碼，出現通信故障或互感器故障時，在線監測裝置會因收不到正確的校樣碼而直接判斷互感器異常，從而避免由于測量儀器異常導致的繞組狀態誤判斷。

再次，在診斷決策環節，傳統電網中的變壓器繞組變形監測裝置在檢測出繞組存在中度變形時，通常選擇繼續運行，并在合適時機安排變壓器退出運行進行維護檢修，繞組存在嚴重變形時則直接停機。是否停機以及何時停機決策的做出僅參考變壓器自身狀態信息，對變壓器停機后系統是否穩定、電網是否堅強則考慮不多。分析2003年8月14日的美國大停電事故，電網中各元件保護裝置是否動作僅取決于本元件是否過載等孤立信息，各元件保護裝置之間并無配合，進而發生連續過載跳閘，最終導致系統崩潰。可見，用于決策控制環節的參考信息不應是僅限于單一設備的局部、分散、孤立信息，應具有廣域、全景、全方位、同一斷面、準確可靠的特征。智能電網中，各設備均提供大量系統監視和控制數據，這就需要未來變壓器繞組變形在線監測裝置以高速、雙向、實時、集成的通信系統為基礎，對涵蓋電網中發電側、電網側、用戶側的大量狀態信息，進行關聯分析、診斷、研判和決策，實現變壓器運行的最優控制，這也是適應中國構建“堅強智能電網”的必然要求。

綜上可見，無論是酌情目前電力系統現場運行的要求，還是計劃檢修向狀態檢修的轉變，抑或是未來“自愈、堅強”智能電網的構建，變壓器繞組變形監測作為一個復雜的工程，近期上需要盡可能提高測試精度，尋求新的繞組變形特征量，并明確偏差值與變形危急程度之間的關系；長遠上需要以先進傳感測量技術、信息技術、計算機技術和控制技術為支持，高速、雙向、實時、集成的通信系統為基礎，形成監測網絡，擴大監測范圍、增大信息量，結合完備的專家診斷系統，實現變電站乃至全網的智能化，這也必將成為未來變壓器繞組變形監測的發展方向。

參考文獻：

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[責任編輯 王玉妹]