變壓器故障在線監測的一種方法

林偉哲 周偉波

摘 ?要： 變壓器油中氣體在線監測技術是以油中溶解氣體為監測對象，應用該技術可及時掌握變壓器的運行狀況，發現和跟蹤存在的潛伏性故障。配合計算機系統對故障進行診斷，可以避免部分災難性事故，實現狀態檢修、降低維護成本、提高自動化程度，提高變電站運行管理水平。使用開源軟件開發了在線監測軟件，該軟件具有模塊化及安全、靈活的數據庫操作和跨平臺特性，經實驗檢驗達到了設計的目標。

關鍵詞： 變壓器; 故障; 在線; 監測; 傳感器

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2015）01-35-03

A method of online monitoring of transformer fault

Lin Weizhe 1， Zhou Weibo2

（1. National 12th Hydro-Power Engineering Bureau， Electricity Install Branch， Lishui， Zhejiang 323000， China; 2. Lishui Tiandi Environment Company）

Abstract： The monitoring technology of gas in oil in the transformer takes the dissolved gases in oil as the monitoring object. The operating condition of the transformer can be monitored timely to discover and track the presence of latent failures. Some catastrophic accident can be prevented with the computer system fault diagnosis， realizing condition-based maintenance， reducing maintenance costs and increasing the degree of automation and improving operational management of the substation. Online monitoring softwareis developed using the open source software， which is modular， has secure， flexible database operations and cross-platform features.The experiment showed that it can satisfy the design goal.

Key words： transformer; fault; online; monitoring; sensor

0 引言

電力系統中最為重要的裝置是變壓器，變壓器在轉換電壓等級方面發揮了重要作用。變壓器中固體和液體絕緣材料被廣泛使用，以絕緣紙形式為特點的固體絕緣用來包裹變壓器的線圈。在以高電場為特征的電力變壓器操作過程中，電弧可能會降低變壓器油以及固體絕緣材料的絕緣性，并可能提高變壓器油中溶解的氣體量。變壓器油中溶解氣體的分析成為檢測變壓器狀態的一個重要方法[1]。本文探討實驗狀態下對變壓器油中溶解氣體的監測，因為光纖是高絕緣的，傳輸的是光信號能避免電場和磁場的干擾，該實驗通過光纖技術，用光纖傳感器監測變壓器油中溶解的氣體，達到監測變壓器狀態的目的。

1 系統設計

采用油氣分離實現自動脫氣，油中脫出的氣體在相關控制電路作用下自動進樣，進入特制色譜柱進行分離，對于分離出的氣體使用特定監測器對其進行監測[2]。監測單元配有通信協議供二次開發[3]。監測單元的主機都可以采用RS-485總線、ModBus通信協議，使用LabVIEW進行編程，將采集到的數據存儲到數據庫服務器中，實現智能化控制。通過Transfix在線油中溶解氣體分析儀利用動態頂空平衡法脫氣，使用光聲光譜法技術作氣樣監測，在變壓器內部自動采樣，得到油中氣體及溶解水的實時數據信息[4]。

1.1 Transfix技術的應用

英國Kelman公司的Transfix在線油中溶解氣體分析儀利用動態頂空平衡法脫氣，使用光聲光譜法（Photoacoustic Spectroscopy， PAS）技術作氣樣監測，克服了環境變化、儀器恒溫、信號干擾、機械振動等各種難題，成功地實現在線監測變壓器油中的八種故障氣體及微水。可以直接安裝在變壓器現場，連續自動采樣，自動監測油中氣體及微水。該分析儀可以通過有線或無線的方式與主控電腦通信，獲取油中氣體及溶解水的實時數據信息[5]。

1.2 ModBus技術的應用

ModBus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，控制器之間以及控制器經局域網絡和其他設備通過此協議通信[6]。不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，它描述了控制器請求訪問其他設備的過程和如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。在ModBus網絡上通信時，每個控制器需要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。回應時控制器生成反饋信息并用ModBus協議發出。通信使用主從技術，主設備初始化傳輸（查詢），從設備根據主設備提供的數據作出反應。包括確認要行動的域、要返回的數據、錯誤監測域。如果在消息接收過程中發生錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立錯誤消息并把它作為回應發送出去。查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息。代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量[7]。錯誤監測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法[8]。從設備正常的回應是查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據如寄存器值或狀態。如果有錯誤發生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤監測域允許主設備確認消息內容是否可用。

1.3 LabVIEW技術的應用

虛擬儀器是基于計算機的儀器，按照儀器的需求組織數據采集系統。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了虛擬儀器及函數的執行順序[9]。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。對應的控件與DLL（動態鏈接庫）的內容完全相同，用戶界面使用圖標和連線，通過編程對前面板上的對象進行控制。

2 硬件安裝和故障分析

2.1 硬件安裝

把半導晶體光纖傳感器預埋在變壓器內部需要監測的熱點位置，通過法蘭盤引到變壓器外部。在線圈中安裝傳感器需要解決安裝時機、探頭安裝位置、如何固定、線圈中如何布線等問題。變壓器有低壓、中壓、高壓、調壓四個線圈，傳感器要安裝在高壓和中壓線圈上，所以傳感器要在線圈套裝時安裝。光纖半導體探頭位于光纖線纜末端，為監測線圈溫度，探頭應安全地與線圈熱點相鄰，線圈電流突變時不至于被擠壓。綜合變壓器熱點位置分析和安裝工藝性得出中壓繞組的安裝位置為高壓側第一十八和第一十九餅之間，高壓繞組的安裝位置為高壓側第一十四和第一十五餅之間的絕緣墊片上。將絕緣墊塊做成帶有豁口的成型墊塊，把傳感器探頭和丹尼松紙用絕緣電工膠固定在一起，然后再把它們用膠粘在成型墊塊的開口處。當光纖引出到線圈表面后，用丹尼松紙帶把光纖固定在線餅表面，留有一定的松弛裕度。穿過線圈壓板為其預留的圓孔后，順著壓板表面引到油箱上的法蘭盤，通過法蘭盤與外部光纖連接。

色譜分析單元硬件安裝：變壓器油中氣體分析單元利用動態頂空平衡法進行油樣的脫氣，然后采用光聲光譜技術進行監測特征氣體和微水的含量。色譜分析單元是一種外部安裝的監測設備，制造變壓器時需在箱體上預留兩個閥門，在現場安裝變壓器時再安裝油中氣體分析單元。

2.2 特征氣體故障分析

⑴ 三比值

本系統采用三比值法判斷充油電氣設備故障類型，當根據各種氣體含量的閾值或氣體增長率的閾值有理由判斷設備可能存在故障時，對氣體比值計算。如果氣體比值發生變化，有可能新故障與老故障或正常老化重疊。為了得到僅僅相應于新故障的氣體比值，要從上一次的分析結果中減去上一次的分析數據，并重新計算比值。一定要在相同的負荷和溫度等情況下在相同的位置取樣。由于溶解氣體本身存在的實驗誤差，導致氣體比值也存在某些不確定性。對氣體濃度大于10μL/L的氣體，兩次的測試誤差不應大于平均值的10%，而在計算氣體比值時，誤差提高到20%。當氣體濃度低于10μL/L時，誤差會更大，使比值的精確度迅速降低。因此在使用比值法判斷設備故障性質時，應注意各種可能降低精度的因素。

⑵ 區分一氧化碳和二氧化碳

當故障涉及到固體絕緣時，會引起一氧化碳和二氧化碳含量明顯增長。固體絕緣的正常老化過程與故障情況下的劣化分解，表現在油中一氧化碳和二氧化碳的含量上，沒有嚴格的界限。這主要是由于從空氣中吸收的二氧化碳固體絕緣老化及油的長期氧化形成一氧化碳和二氧化碳的基值過高造成的。開放式變壓器溶解空氣的飽和量為10%，設備里可以含有來自空氣中的300μL/L的二氧化碳在密封設備里，空氣也可能經泄漏而進入設備油中，油中的二氧化碳濃度將以空氣的比率存在。設備固體絕緣材料老化時，二氧化碳除以一氧化碳的比率，該比率大于7。當懷疑故障涉及到固體絕緣材料時，該比率小于3，還應該從最后一次的測試結果中減去上一次的測試數據，重新計算比值，以確定故障是否涉及到了固體絕緣。當懷疑紙或紙板過度老化時，應適當地測試油中糠醛含量，并同時測試紙樣的聚合度。

⑶ 氣體增長率

由于故障的不確定性，數據分析結果不應該作為對故障做出正確判斷的惟一依據。故障常常有個過程，如以低能量的潛伏性故障開始，若不及時采取相應的措施，可能會發展成較嚴重的高能量故障。必須考慮故障的發展趨勢，即故障點的產氣速率。產氣速率與故障消耗能量大小、故障部位、故障點的溫度等情況有直接關系。

3 軟件開發

3.1 MySQL數據庫

MySQL是一個小型關系型數據庫管理系統，廣泛地應用在中小型數據庫中。由于MySQL體積小、速度快、成本低，許多中小型網站為了降低網站總體擁有成本而選擇了其作為數據庫。MySQL既能夠作為一個單獨的應用程序應用在客戶端服務器網絡環境中，也能夠作為一個庫而嵌入到其他的軟件中提供多語言支持，常見的編碼如中文簡體的GB2312、繁體的BIG5、日文的Shift_JIS等都可以用作數據表名和數據列名。MySQL管理可以使用命令行工具管理MySQL數據庫，也可以從MySQL的網站下載圖形管理工具MySQL Administrator。本系統在數據庫中建立代表用戶注冊、權限、溫度、比值、氣體、故障六個數據庫表。

通過ModBus通信協議接收的數據解除捆綁后數據換成一維數組，每個數據的高低位分別是一維數組中一個元素。然后把這個數據的高低位交織成一維數組，再把它轉換為簇，這樣就可以把數據強制轉換為單精度32位實數型數據。曲線描繪溫度監測單元為每個傳感器繪制一條曲線。波形圖表所接收的數據類型和結果圖表之間的處理，接收的數據為實數型數據，所以不能直接連接到圖表，只能把每個通道的數據看成一個信號，然后把每個信號合并再連接到圖表，這樣在圖表中就可以將每個通道以曲線的形式顯示。

3.2 程序的設計

PHP是一種服務器端、跨平臺、被廣泛應用的開源式多用途語言，它是瀏覽器/服務器體系結構，屬于三層結構。服務器啟動后，用戶可以不使用相應的客戶端軟件，只使用瀏覽器即可訪問，既保持了圖形化的用戶界面，又大大減少了應用維護量。

PHP是開源軟件，每個人都可以看到所有PHP的源代碼，程序代碼與Apache編譯在一起的方式也可以讓它具有靈活的安全設定。PHP具有公認的安全性能。在流行的企業應用LAMP平臺中，Linux、Apache、MySQL、PHP都是免費軟件，這種開源免費的框架結構可以為經營者節省很大一筆開支。PHP實現程序邏輯與用戶界面分離。支持面向對象和過程的兩種開發風格.。

⑴ 用戶界面和I/O功能

用戶分為系統管理員和普通用戶，用戶使用本系統需要登錄和密碼驗證，系統提供歷史、當前數據查詢的數據庫組合查詢，并構造各指標值走勢圖。數據可以選擇文本格式*.txt或Excel格式*.xls保存，可選擇屏幕顯示或輸出到打印機。

⑵ 使用EXPLAIN使SELECT查詢更加清晰

使用EXPLAIN關鍵字可以了解MySQL正在進行什么樣的查詢操作，這可以發現瓶頸的所在，并顯示出查詢或表結構在哪里出了問題。EXPLAIN查詢的結果，告訴哪些索引正在被引用，表是如何被掃描和排序的等等。實現一個SELECT查詢，在里面添加上關鍵詞解釋，在這里使用phpMyAdmin，會給出表中的結果。

⑶ 優化MySQL查詢緩存

在MySQL服務器上進行查詢，可以啟用高速查詢緩存。讓數據庫引擎在后臺悄悄地處理是提高性能的最有效方法之一。當同一個查詢被執行多次時，如果結果是從緩存中提取，速度將會相當快。

⑷ 始終指定需要的列

完全避免SELECT *命令。從表中讀取越多的數據，查詢就會變得越慢，增加了磁盤需要操作的時間，在數據庫服務器與Web服務器連用情況下，將會經歷非常漫長的網絡延遲，僅僅是因為數據不必要地在服務器之間傳輸。

⑸ 保證連接的索引相同類型

在應用程序中包含多個連接查詢，要確保鏈接的列在兩邊的表上都被索引。這將影響MySQL如何優化內部聯接操作，加入的列必須是同一類型。例如，當在一個表中加入一個需要鏈接的Decimal列，而同時加入另一個表中的卻為int列，MySQL將無法使用其中至少一個指標。

3.3 實驗效果

該在線監測系統在水利水電第十二工程局某變電站的變壓器上實驗運行，我們將實驗室分析與本系統在線溶解氣體測試值進行對比分析，除去實驗室人為取樣造成測試值誤差外，在線監測系統與實驗室測試值基本上相同，在線監測系統一定程度上可為變壓器安全提供支持。

4 結束語

本文研究的變壓器故障監測裝置具有安裝簡單、監測靈敏、24小時在線、與變壓器無直接電氣連接以及安全可靠等特點。該監測裝置把采集的數據送到中心數據服務器，服務器端可以通過運行專家系統軟件對所收到的數據進行分析，報告變壓器工作狀態、故障提示并決定維修、更換設備的最佳時間。該系統在變壓器上實驗結果與實驗室測試值基本上相同，可為變壓器提供一定程度上的安全支持。該系統可以進一步借助于先進的計算機網絡對電力系統進行分布式的長期監測，實現較低成本的一對多監控體系結構。

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