變壓器鐵芯狀態綜合在線監測方案的探討

華能南京燃機發電有限公司 夏海明 吳淵恒

電力設備變壓器是作為電網輸電與電力配電運輸過程系統中的各種關鍵重要電力設備之一，其長期工作安全狀況直接影響著我國電網的安全和運行穩定性，因此為了充分滿足我國電力系統的持續現代化快速發展，必須對各種變壓器的運行狀況進行實施在線監測。

變壓器正常運行時因其繞組四周均應該具有一定電場，而繞組鐵芯與鐵芯夾件及其他金屬構件都處在此電場之中而產生了不同的接地電位，為了防止變壓器在正常運行時，因繞組鐵芯夾件與其他的金屬構件電位差而產生相對的接地線性放電，因此均需對鐵芯及其他金屬構件保護接地。投入使用的直流變壓器在正常接地工作電壓狀況下，鐵芯管在接地時對電壓值的變化極小，為毫安培一級，注意值為100毫安[1]。如果鐵芯出現了二點以上的接地情況，那么接地點之間就有可能形成環流。如果二點電位差超過足以穿透二者之間的絕緣層時便形成了斷續火花，放電并破壞電力變壓器內部的絕緣固件，進而將絕緣油分解，形成可燃的成分氣體，還可以直接將接地片熔斷，燒壞鐵芯，從而造成事故的發生。當鐵芯發生多點接地故障時，流過電力變壓器鐵芯接地線路上的輸出電流會大幅度的增加，于是通過檢測鐵芯引出線路上電流設定值的多少，就能夠精確而實時地檢測出鐵芯多點接地故障。

變壓器的內部局部放電，是指帶電變壓器絕緣內部運動所產生的氣泡、裂隙以及污染雜質等在高電壓下所運動引起的一種局部、反復的放電擊穿與熄滅現象。假如變壓器處于一個甚至多個這樣的微弱局部放電下工作，局部放電及其所直接產生的不良效果，就可能會引起整個電力變壓器絕緣的急劇老化，而日積月累則就很有可能直接造成整個高壓絕緣被完全外力擊穿，從而可能產生各種重大事故，對我們國民經濟將會造成新的巨大損失。

與傳統停電高壓局部放電檢測技術相比，在線局放裝置由于能夠長期且持續實時監控運行變壓器局部放電狀況，且當局部放電容量過大超過額定值時，可以及時停運并做進一步的檢查，其在經濟性、安全性等方面具都具備有較大的技術優越性，是目前唯一有效用于防止變壓器突然發生損壞事件的在線放電檢測技術手段。在線局放裝置反映的是電力變壓器實際狀態下絕緣局部放電狀況，比離線放電測試能更好地適應日常實際操作及檢查。在變壓器鐵芯接地處采用脈沖電流檢測法檢測，能夠高效的監測變壓器內部絕緣局部放電情況。

1 監測原理

在變壓器鐵芯接地銅排處，安裝在線監測裝置就能對變壓器鐵芯多點接地故障及變壓器局放故障進行在線監測，實現變壓器運行狀態的多狀態量監測。本節對這兩種監測原理進行闡述。

1.1 變壓器鐵芯接地電流監測原理

根據《Q/GDW1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監測裝置技術規范》等國家有關技術規范的具體規定，所有大型變壓器專用鐵芯回路接地穩壓電流在線測量檢測裝置設備必須達到可以完全達到5mA～10A 的接地電流在線檢測測量范圍，測量精度需要達到“±3%或1mA 兩者取大值”，具備測量電流范圍寬，測量精度要求高的特點，傳統的電流互感器無法滿足這一測量要求，針對變壓器鐵心接地電流的測量需要采用零磁通電流互感器。

利用有源零磁通控制技術有效地提升了小電流密度勵磁傳感器進行測量時的準確度，除了要采用比其他起始導體吸磁率更高、能量流動損失更少的特種導磁合金材料作為銅芯鐵芯主體材料之外，還充分利用有源電子勵磁信號圖像處理控制技術對銅芯鐵芯內部的靜電激磁場和磁勢密度變化信號實現了全自動的測量跟蹤值和補償，從而可以確保整個鐵芯中心一直工作于一個近乎理想的零磁通工作狀態。

1.2 變壓器局放監測原理

變壓器的電是局部高頻放電[2]，具有高頻放電脈沖、電磁波、超聲波以及弧光等多種表現形式，同時信號帶寬覆蓋從幾十K 到3G 等很寬的頻率范圍。隨著我國電力交流變壓器在大局部的開放使用過程中不斷產生的還有電脈沖、電磁輻射、超聲紋波檢測等新技術、光等創新現象，而與其相應發展產生的還有電脈沖紋波檢測法、超聲激光傳感器紋波檢測法、光紋波測量方法及光等射頻激光檢測法，以及UHF 等超高頻激光電子標簽及光檢測法等技術。

電流放小脈沖放大法中文簡稱[3]脈沖電流法，通過直接測量開關電阻、變壓器供電套管的開關末端元件接地線、機殼元件接地線、鐵芯元件接地線和開關繞組回路中的電流局放所連接產生的脈沖電流，獲得視在電流放大配電法中的測量。該檢測方法無疑是目前研發最早、使用最普遍的一種分子檢測病毒方式。國際電工委員會（IEC）也為此問題制定了許多相關技術規范。相對于其他檢測方法，由于檢測的是電脈沖信號，具備抗干擾能力強，局放類型識別準確可靠的特點。變壓器局部脈沖電流信號的頻率范圍一般集中在3M～30MHz，需要采用高頻的電流互感器對脈沖電流信號進行采集。采用羅氏線圈能夠有效實現高頻電流脈沖信號的有效采集。

羅氏接收電路線圈的閉合工作感應機理根據法拉第定理，描述的就是在一個閉合接收電路中它所感應的總磁和感應電動勢，和其中所有的連接閉合電路的總磁通道容量和隨時間溫度變化率之間的一個正比關。羅科夫斯基線圈和驅動交流電機的電流驅動互感器很相似，其驅動電流被直接導入第二導電線圈中，且在此處和一個流過絕緣導體的驅動電流之間成正比例的關系。重要技術差別之一就是羅科夫斯基線圈鋼芯具有空心磁殼，這一點和導磁電流移動互感器正好完全相反，后者通過超高導磁大功率繞制鋼芯和第二導電繞制鋼芯進行空心電磁場的耦合。而兩個空心磁殼則同樣可用于通過更少量的插入量和抗阻的結構設計，達到更快的控制信號輸出響應速度以及更加可線性的控制信號輸出電壓。空心電場磁芯將通過輸入輸出線圈，以磁循環形式的方式被直接放在一條帶有大電流的中心導線周圍[4]，而由大量交流電和直電流所驅動形成的空心磁場也將直接給出輸入線圈中心所感應到的電流。羅科夫斯基線圈環路產生的和在整個線圈內部環路中驅動電流量的變化率(電流導數)通常成正比的驅動電流。

綜上所述，有源零磁通互感器與羅氏線圈的安裝方法相同，都可以套到變壓器鐵心接地銅排上，以進行對變壓器鐵心接地輸出電流和變壓器的高頻率脈沖電流局放等信息的采集。

2 監測數據及應用

2.1 變壓器鐵芯狀態綜合在線監測系統

本文基于SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態綜合在線監測系統構建實驗平臺（圖1）。設備采用了一體化的集成電路設計，產品中內置了零磁通互感器和霍爾傳感器，同時還對交流變壓器鐵芯泄露電流信息和高頻脈沖電流局開放信息進行了高速采集和綜合分析處理，在進行數據的綜合分析判斷之后對變壓器的工作狀況做出了綜合診斷評價。

實驗對象選取華能南京發電有限公司220kV #1主變。通過SQ/B-TXJD-50A 型變壓器鐵芯狀態綜合在線監測裝置在現場的試點安裝，實現了對變壓器鐵芯狀態的實時在線監測功能，裝置實時采集變壓器鐵芯的泄露電流信號和流經鐵芯處的高頻脈沖電流局放信號，并通過遠程通信手段定時上送給監控系統，由監控系統對監測數據進行綜合分析診斷。

實現了變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流信號的有效采集后，如何對數據進行有效處理和分析，是我們需要探討的問題。過去的一些標準和規范雖然對監測數據提出了一些要求，但往往只停留在監測量、監測范圍和監測精度層面，對于如何基于數據進行分析和故障判斷標準中涉獵較少。下面針對變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的數據綜合處理和分析，進行介紹。

2.2 鐵芯接地電流監測量和數據分析

《Q/GDW 1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監測裝置技術規范》中首次給出的對交流變壓器的全鐵心基波接地輸入電流輸出電壓在線檢測裝置要求就是計算全基波輸出接地電壓和基波輸入接地電壓的具體規定。技術標準規范和《Q/GDW 1168-2013輸變電設備狀態檢修試驗規程》等相關規范中,對輸變鐵芯設備接地交流電壓的狀態報警和測值范圍作出了明確規定。

但在鐵芯接地電流的日常檢測中，僅是這些要求不能完全反應變壓器的真實工況，且要求提的問題不全面還為變壓器鐵芯接地電流的日常巡檢造成了一些困擾。規范中規定了，必須對鐵芯接地電流的全電流與基波電流分別進行檢測，但對全電流檢測中所必須監測到的高諧波電流頻率卻未做規定，造成了現場使用不同的電流表或不同的鐵芯接地電流在線檢測設備，對變壓器鐵芯接地電流全電流的檢測結果并不統一。這就對電流的測量結果產生了質疑，對鐵芯接地電流數據應用帶來了困擾。

根據筆者對不同電壓等級變壓器鐵芯接地電流監測的經驗，以及復雜工況下變壓器可能產生的諧波分量，規定變壓器的接地電流監測需要能夠覆蓋20次諧波信號。并對接地電流的頻譜信號進行計算分析，計算不同次諧波下電流信號的分布情況，對變壓器鐵芯接地電流測量數據進行深度挖掘，對變壓器的運行工況更深入的了解。

2.3 高頻脈沖局放信號的數據分析

隨著半導體技術的發展，高頻采樣技術日漸成熟，采用高速采樣ADC 能夠實現高頻脈沖電流局放信號波形的完整采集，為數據進一步的分析提供基礎。針對最大頻率30M 的高頻脈沖電流局放信號，采用大于60M 的數據采樣率就能實現局放信號的完整采集。基于變壓器局放放電相位、放電幅值以及放電次數等信息的PRPD、PRPS 譜圖數據，以及根據譜圖特征的變壓器不同放電故障的類型識別，在相關標準中均有定義。如何將有效局放信號和環境噪音區分，如何通過有效算法實現變壓器局放的模式識別是變壓器局放數據的分析目標。采用數字濾波器和脈沖聚類算法，能夠有效實現特定頻率背景噪音的濾除以及局放信號的識別功能。將局放信號提取后，生成有效的PRPD 和PRPS 譜圖，再根據譜圖的特征判斷具體的局放故障類型。同時對典型的放電波形進行記錄，便于后期對局放故障的原因分析提供依據。

3 結語

本文對變壓器鐵芯接地電流和高頻脈沖電流局放的監測原理及方案，以及數據處理和分析進行了闡述。通過安裝方式一致的零磁通互感器和羅氏線圈，采集變壓器鐵芯接地銅排處的鐵芯接地電流信號及高頻局放信號。實現20次諧波的接地電流全電流采集，同時對接地電流信號的各次的諧波分量進行計算分析，能夠更準確的反應變壓器的接地電流和運行工況。通過大于60M 的數據采樣率的高頻電流局放信號采集，能夠完整保留局放信號的信息，通過算法實現局放信號與環境噪音的有效分離。通過圖譜特征對變壓器局放類型進行有效判斷，同時保留典型的局放波形，為了往后進一步的故障分析和處理提供了數據和理論支撐。通過這一方案，實現了變壓器接地電流、變壓器多點接地故障、變壓器運行諧波工況、變壓器局放故障的多狀態量的綜合監測。