變壓器繞組在線監測方法的發展狀況綜述

◇天府興隆湖實驗室 李 偉

變壓器作為電力系統中的重要設備，其安全運行對電力系統的穩定性和可靠性具有重要意義。繞組是變壓器的核心部件之一，其正常運行對保證變壓器的長期穩定運行至關重要。因此，對變壓器繞組進行在線監測具有非常重要的意義。本文對當前常用的變壓器繞組在線監測技術進行了綜述。

變壓器是電力系統中不可或缺的設備，在電能的傳輸和分配中起著重要作用。然而，由于處于長期的運行和惡劣的工作環境中，變壓器在使用過程中可能會產生各種故障，如繞組短路、局部放電、油液污染等，這些故障可能導致變壓器損壞或甚至引發火災等事故[1]。因此，為了保障電網的安全穩定運行和延長變壓器的使用壽命，必須采取有效措施及時檢測和診斷變壓器繞組的故障。

隨著信息技術和電力自動化技術的發展，變壓器繞組在線監測技術也得以迅速發展，其監測方法也日益多樣化和智能化[2]。電力變壓器在線監測是指通過各種傳感器、監測設備及軟件系統對變壓器的運行狀態進行實時監測和數據采集，并將數據進行分析和處理，以實現對變壓器健康狀況的評估和故障預警。變壓器在線監測通常包括溫度監測、氣體監測、振動監測、頻譜監測以及基于物聯網和人工智能的監測技術。目前，變壓器繞組在線監測方法主要有油溫監測法、頻率響應分析法、短路電抗分析法、振動信號檢測法以及物聯網和人工智能的在線監測技術。這些監測技術的不斷發展也為變壓器的運行提供了安全可靠的保障。基于此，本文對變壓器繞組在線監測的現實意義與監測方法進行了綜述，以促進檢測技術的進一步發展。

1 變壓器繞組在線監測的現實意義

變壓器繞組是變壓器的重要組成部分，是電能轉換和傳遞的關鍵。具體來說，變壓器繞組是變壓器的重要組成部分，主要負責電能的轉換和傳遞，如果發生故障，將會導致設備停機、影響生產甚至造成安全事故。然而，傳統的離線檢測方法需要設備停機進行檢測和維修，這無法保證設備的連續運行和安全性。通過變壓器繞組在線監測技術，可以對變壓器的運行狀態進行實時監測和診斷，有效防止因故障引發的設備損壞和生產事故，以此提高設備可靠性和運行安全性。在線監測技術能夠提高設備的利用率和運行效率，并且有效縮減設備停機時間和維護成本。在減少風險和經濟損失的同時，也更加環保和節能，符合我國可持續發展的理念。

2 變壓器繞組在線監測方法

2.1 油溫監測法

溫度是反映變壓器內部工作狀態的重要指標之一。變壓器的正常運行需要保持合適的溫度范圍，過高或過低都會影響變壓器的性能。油溫監測是變壓器在線監測方法之一，可以通過在變壓器油箱內設置溫度傳感器來實時監測變壓器繞組油的溫度變化[3]。當繞組油溫超過設定值時，會發出報警信號，提示操作人員進行檢修或停機維護。油溫監測實時性高，適用于各種規模的變壓器監測。

傳統的油溫監測方法包括熱敏電阻、熱電偶、非接觸式測溫儀等。其中，熱電偶法精度和穩定性最高，但需要直接接觸繞組油，操作較為復雜；而非接觸式測溫儀可在遠距離對表面溫度進行測量，來判斷繞組油的溫度。溫度監測需要關注以下參數[4]：

（1）最高溫度：表示變壓器繞組油的最高溫度值，通常會設定數據警戒值，當超過該溫度設定時，需要增加冷卻量或減少負載等方式進行控制。

（2）溫度梯度：表示變壓器油箱內各部位的溫差，如果溫度梯度過大，則可能存在過載或故障情況。

（3）變化率：表示溫度變化的速率，溫度變化較快，代表出現了異常情況。

優點：溫度傳感器技術成熟，安裝方便，價格較低。

缺點：溫度監測不能發現絕大多數變壓器內部故障，如局部放電等。

2.2 頻率響應分析法

基于在線監測的頻率響應分析法因其優異的靈敏度而受到了廣泛關注[5]。該技術是通過對變壓器繞組內部掃頻信號的頻譜分析。基本原理是因為變壓器在不同的工作狀態下，其繞組內部產生的信號會有所改變。當頻率較高時（超過1kHz），變壓器繞組可以充當由電容、感抗、漏阻等等信號組成的無源線性雙口網絡，這些信號可以反映出變壓器繞組的工作狀態和故障情況[6]。頻率響應分析可以采用多種方法，如使用低壓串聯注入（LVI）技術、掃頻分析（SFRA）等方式進行監測。其中，LVI技術是一種直接注入電流信號的方法，適用于小型變壓器；而SFRA技術則是一種無需直接注入電流、通過對變壓器繞組內部信號的掃頻測量來分析其頻率響應的方法，適用于中大型變壓器[7]。頻率響應分析需要關注以下參數：

（1）頻率響應曲線：表示變壓器繞組不同頻率下的阻抗、相位等參數變化情況，可以反映出變壓器的短路沖擊、電氣特性和故障狀態，是頻率響應分析的重點。

（2）變形量比較：表示將被測變壓器與同類型的正常變壓器進行比較，以判斷是否存在異常的頻率響應曲線。

優點：該方法實現了監測的自動化與智能化，同時不會影響變壓器的正常運行，此外，具有非接觸式、實時性強、無需停機的優點，適用于各種規模的變壓器監測，應用前景廣闊。

缺點：頻率會受到許多干擾因素，這可能會使結果失真，具有不確定性。

2.3 短路電抗分析法

變壓器繞組短路抗阻是當變壓器繞組發生短路時，變壓器內部的等值抗阻[1,8]。通常情況下，短路抗阻由電抗分量和電阻分量組成。短路電抗是變壓器的重要參數，也是繞組監測的重要指標。變壓器繞組短路抗阻分析方法通常包括以下步驟[9]：

（1）測量繞組電阻：可以使用電阻測試儀器測量變壓器繞組的電阻，或通過繞組長度和導體截面積來計算。

（2）計算直流電路中的有效電阻：將變壓器模型化為一個電路圖，其中包含繞組電阻、鐵心損耗電阻和其他內部電阻。通過計算這些電阻的總和，可以得到變壓器在直流電路中的有效電阻。

（3）測量繞組電感：使用LCR測試儀器來測量變壓器繞組的電感。

（4）計算交流電路中的等效電路參數：包含電感、電容和電阻等，使用這些參數來計算等效電路參數（復阻抗和相角等）。

（5）計算短路抗阻：使用等效電路參數和理論公式計算變壓器的短路抗阻。

優點：短路電抗分析法原理簡單且無需停止機器運行。

缺點：該方法靈敏度較低，及易出現誤判。

2.4 振動信號檢測法

變壓器繞組振動信號分析法是一種非接觸式的監測方法，與電力系統間無需電氣連接[10-11]。可以在變壓器內部設置振動傳感器，對變壓器的振動情況進行監測，當發現變壓器存在異常振動或機械故障時，及時預警并檢查處理，該方法可以安全可靠監測變壓器的狀態。測試系統由以下部分組成：

（1）振動傳感器：通過分布在變壓器的不同測試點，將振動信號轉化為電力信號在進行處理。

（2）動態信號測定系統：進行多通道振動信號的同步測試。

（3）信號源控制系統：用于信號測試系統的參數設置及操作控制。

（4）信號分析系統：用于變壓器振動測試信號的各種實時分析以及處理。

優點：該方法無需電氣連接，可以實現持續監測。

缺點：在變壓器運行過程中，振動信號會受環境因素等影響，其可重復性有待提高。

因此，為確保測定結果的準確性，通常會在變壓器上同時安裝多個信號傳感器。

2.5 物聯網和人工智能監測

隨著物聯網技術和人工智能算法的快速發展，基于物聯網和人工智能的在線監測技術在電力變壓器監測領域得到了廣泛應用。這種技術通過對變壓器進行實時監測和數據采集，將數據傳輸到云端或本地服務器進行存儲和分析，以實現對變壓器健康狀況的評估和故障預警。具體來講，該技術主要有以下幾個方面的特點：

（1）多種監測指標：利用各種傳感器、監測設備等技術手段，可以對變壓器的多個指標進行監測，包括溫度、振動、氣體、濕度等，從而全面掌握變壓器的運行狀態。

（2）實時監測：監測設備與云端或本地服務器相連接，實現數據的即時傳輸和處理，可以實時監測變壓器的狀態，并及時發現潛在的問題。

（3）故障預警：通過人工智能算法對采集到的數據進行分析和處理，可以判斷變壓器存在的故障類型和位置，并給出預警信息，為后續的檢修提供重要參考。

（4）遠程管理：利用物聯網技術，可以對變壓器進行遠程監測和管理，實現對全國甚至全球范圍內的變壓器進行實時監測和管理。

（5）數據分析：通過大數據分析和挖掘技術，可以對變壓器運行數據進行深入分析和挖掘，從而為電力變壓器的維護提供更加精準、智能化、可持續的解決方案。

基于物聯網和人工智能的在線監測技術已經得到廣泛應用，并在變壓器監測領域發揮越來越重要的作用。未來，該技術將不斷完善和創新，推動電力變壓器監測的發展，為保障電力系統安全穩定運行做出更大的貢獻。

3 結束語

隨著我國電力行業的發展，變壓器繞組在線監測技術已經逐漸成熟并廣泛應用于電力系統中。傳統的油溫、頻率、振動監測技術經相對成熟，但仍存在一些局限性。而基于物聯網和人工智能的新型監測技術具有高效、準確、實時等特點，并且可以實現遠程監測和診斷，為電力系統的安全運行提供了重要保障。在未來，如何將新型技術與傳統技術進行融合，以實現更加全面、準確的變壓器繞組在線監測將是研究熱點。