基于大數據的電力變壓器智能在線監測方法研究

李偉 郁章偉 李娜 林江 蔡會會

摘 要：文章通過闡述電力變壓器智能在線監測技術的現狀以及變壓器局部放電、油色譜分析、鐵芯接地等多種在線監測技術原理，提出一種基于大數據的電力變壓器智能在線監測方法，該方法融合了變壓器在線監測的多種原理，通過模塊化設計，智能采集電力變壓器的多種狀態信息，通過對數據的比對、分析，實現對變壓器的故障診斷和狀態評估。

關鍵詞：電力變壓器 智能監測 局部放電 油色譜分析 鐵芯接地

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0024-02

變壓器在電力系統中主要實現電能的分配、電壓的轉化以及轉移的作用。因為變壓器長期處于運行狀態，所以無法避免故障的出現，導致變壓器出現故障的原因很多，如變壓器在安裝、檢修、維護過程中，未嚴格按照規范要求操作，自然災害，變壓器長期運行使材質逐漸劣化等均會導致變壓器出現故障。因為故障無法避免，所以對變壓器故障實現早期監測及準確診斷非常重要。

1 變壓器監測發展概況

早期主要通過現場巡視油溫、油位及運行聲響，并結合定期檢修等對電力變壓器進行監測。定期檢修有自身的科學依據和合理性，但這種檢修模式存在以下弊端：工作量大，檢修成本高；缺陷檢出率不高；存在過度檢修，檢修中增加了產生新隱患的幾率；檢修需停電，增加了誤操作幾率；新技術發展導致原有檢修管理、規程及工藝與實際不符；計劃檢修周期與設備壽命及故障規律不符等。

基于變壓器等早期檢修模式存在的問題，國家電網公司于2006年初開始推行狀態檢修，2009年5月，又推出智能電網發展計劃。隨著智能電網建設的推進，變壓器智能在線監測技術成為智能電網的研究熱點之一。

目前，國內外對變壓器在線監測原理研究有多種方法，如變壓器局部放電、油色譜分析、鐵芯多點接地等在線監測系統，但大多依據單項原理進行產品開發或研究，若想獲得變壓器各種故障信息，現場需安裝多套設備及后臺裝置，存在占用空間過大及后臺裝置重復設置問題。

2 變壓器智能監測原理

2.1 變壓器局部放電的在線監測。

局部放電是指由于電場分布不均勻，局部電場過高，導致絕緣介質中局部范圍內的電氣放電或擊穿現象。局部放電逐漸發展會導致絕緣系統失效。對局部放電進行有效的在線監測，對于保障電力變壓器的安全穩定運行具有重要的意義。

變壓器在運行條件下發生局部放電時，會產生電脈沖、電磁輻射、超聲波、光、局部過熱，油中放電還將分解出氣體，產生能量損耗等。因此相應的監測方法有：脈沖電流法、超聲波法、超高頻法、氣相色譜法、光測量法、紅外監測法等[1]。通過傳感器采集局部放電時產生的特征量，送至數據處理裝置，可對變壓器局部放電實時在線監測。

（1）脈沖電流法。

脈沖電流監測法是通過監測阻抗來監測變壓器套管末屏接地線、外殼接地線、鐵芯接地線及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流而獲得視在放電量等局放特征量。

（2）超聲波法。

超聲傳感器固定在變壓器外殼上，利用壓電晶體作為聲電換能器，將變壓器內部局部放電產生的超聲脈沖信號轉換成電信號，放大后傳送至監測系統。

（3）超高頻法。

超高頻法的基本原理就是使用UHF天線來檢測局部放電產生的超高頻電磁波。具有靈敏度高，抗干擾能力強的優點，并能夠對放電源進行定位。

（4）氣相色譜法。

氣相色譜法是利用變壓器發生局部放電時內部固、液體絕緣材料因老化或缺陷而產生的如C2H2、C2H4、CH4、C2H6、H2、CO等各種特征氣體溶解在油中的含量進行測量分析來判斷其故障。

（5）紅外檢測法。

紅外檢測是基于局部放電引起的局部溫度升高，通過紅外探測器和熱成像來實現檢測。

（6）光測量法。

光檢測法是檢測局部放電產生的光輻射。

2.2 變壓器油色譜分析的在線監測。

變壓器油中溶解氣體色譜分析的在線監測方法是基于油中溶解氣體理論，它直接在現場實現油色譜的定時在線智能化監測與故障診斷。

在正常運行溫度下，油和固體絕緣材料老化過程主要產生CO和CO2；在油紙絕緣材料中存在局部放電時，油裂解主要產生H2和CH4；在故障溫度高于正常運行溫度不多時，油裂解的產物主要是CH4；隨著故障溫度的升高，主要產生C2H4和C2H6；在溫度高于1000℃時，油分解產生較多的C2H2；當故障涉及到固體絕緣材料時，會產生較多的CO和CO2。

2.3 變壓器鐵芯多點接地的在線監測

變壓器正常運行中，帶電繞組通過寄生電容的耦合作用，使鐵芯對地產生懸浮電位，存在著電位差，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產生放電。為了消除這種現象，把鐵芯與外殼可靠地連接起來，使它與外殼等電位，但當鐵芯或其他金屬構件有兩點或多點接地時，接地點就會形成閉合回路，造成的環流有時可達數十甚至上百安培，引起局部過熱，導致油分解，絕緣性能下降，甚至使鐵芯燒壞，造成變壓器重大事故。

因此在變壓器運行過程中，能實時監測變壓器鐵芯及夾件接地電流變化至關重要。變壓器鐵芯接地電流監測裝置通過檢測安裝在變壓器鐵芯接地線上的電流互感器信號，可實時監測變壓器鐵芯接地電流，并將監測數據傳輸到后臺，結合分析軟件實現在線監測及故障診斷。

3 基于大數據、多種原理的變壓器智能在線監測方法

近年來，基于變壓器故障類型采用局部放電、油色譜分析、鐵芯接地檢測等原理研制了各種在線監測系統，部分監測系統已經應用于生產現場，取得了良好的效果和經濟效益。但采用多種監測裝置對于同一臺變壓器進行在線監測存在現場空間占用過大、部分設備重復設置問題。本文提出的基于大數據的電力變壓器智能在線監測方法，通過對各監測裝置進行模塊化設計，并依托現有的EMS系統、監控系統、繼電保護及故障信息子站系統采集的變壓器運行負載趨勢及其他電氣數據，智能采集變壓器的多種狀態信息，依據大數據及專家系統，對獲取的海量和井噴式數據，進行抽取、集成、比對、分析，實現對變壓器的故障診斷和狀態評估。

4 結語

本文通過闡述變壓器局部放電、油中溶解氣體、鐵芯接地等在線監測的方法，提出融合多種原理的變壓器智能在線監測方法，通過使用大數據、專家系統分析，判斷變壓器運行狀態，為變壓器安全、可靠、經濟運行提供技術支撐。

參考文獻

[1] 楊永明.電力變壓器局部放電在線監測中干擾的識別和抑制方法的研究[D].重慶大學，1999.