變電站主變沖擊電流的監測與故障診斷方法研究

賴煜文

（國網福建省龍巖市永定區供電公司，福建 龍巖 364100）

0 引 言

變電站作為電力系統的重要組成部分，其運行狀態直接影響著電力系統的穩定性和可靠性。而主變壓器作為變電站的核心設備之一，其電流的監測和故障診斷對于變電站的安全運行具有重要意義。因此，文章旨在探討變電站主變電流的監測與故障診斷方法，以期為電力系統的穩定運行提供理論支持和實踐指導。

1 主變電流監測方法

1.1 傳統的電流變壓器

傳統的電流變壓器是一種利用電磁感應原理將輸入的交流電流轉換為電壓信號的裝置，其基本構造包括一次繞組和二次繞組。一次繞組接入主變電流，二次繞組則輸出與主變電流成比例的電壓信號。這種方法的優點是技術成熟、普及度高且成本較低。然而，它存在一些限制。首先，測量精度受到限制，難以滿足高精度的監測需求。其次，響應時間較長，無法滿足快速響應的要求。最后，傳統的電流變壓器可能受外部電磁干擾的影響，導致測量結果不準確。在傳統的電流變壓器中，電流和電壓之間的關系由變壓器的匝數比決定[1]。因此，要獲得高精度的測量結果，需要使用具有高精度的匝數比和穩定磁性能的變壓器。

1.2 電流傳感器

電流傳感器是一種基于霍爾效應或磁阻效應的電子器件，能夠將電流轉換為可測量的電壓信號，基本原理如圖1 所示。電流傳感器通常具有較高的測量精度和較快的響應時間，適用于實時監測主變電流。電流傳感器的優點包括測量精度高、響應時間快、體積小以及重量輕等。然而，它存在一定的局限性。首先，電流傳感器的成本相對較高，可能會增加整個監測系統的成本。其次，電流傳感器可能受溫度、濕度等環境因素的影響，需要采取相應的保護措施。例如，某些電流傳感器需要在一定的溫度范圍內使用，否則可能會影響測量結果。最后，電流傳感器的線性度是一個需要注意的問題。在選擇電流傳感器時，需要考慮測量范圍、精度、響應時間、溫度穩定性、電磁兼容性以及成本等因素。通常，對于主變電流監測，需要選擇測量范圍廣、精度高、響應時間快以及溫度穩定性好的傳感器。

圖1 電流傳感器基本原理

1.3 光纖電流傳感器

光纖電流傳感器是一種利用光學原理測量電流的新興技術，通過測量磁場對光的偏振狀態的影響來推導電流值。光纖電流傳感器具有高精度、高穩定性、抗電磁干擾以及遠距離傳輸等優點。與傳統的電流監測方法相比，光纖電流傳感器更適合測量精度要求較高的場景，同時可以有效抵抗外部電磁干擾。這種傳感器的結構通常包括光源、偏振分束器、檢偏器、光探測器以及信號處理系統等部分。它是在光源發出的光束上施加一個磁場，通過檢偏器檢測光束的偏振狀態變化確定磁場強度，進一步推導出電流值。在實際應用中，光纖電流傳感器通常被安裝固定在電力設備的附近，以直接或間接測量電力設備的電流值。間接測量是通過測量穿過設備的磁場來推導出電流值，可以避免直接接觸高壓線路帶來的安全隱患，同時可以實現對電力設備的在線監測和故障診斷等功能。與傳統的電流監測方法相比，光纖電流傳感器具有更高的精度和更強的抗干擾能力。光纖傳感器不受電磁場的干擾，因此可以在強電磁場環境下進行高精度測量。

1.4 智能傳感器監測技術

智能傳感器監測技術是一種基于先進傳感器技術和智能算法的綜合應用，主要用于物理量、化學量、生物量等各種參數的檢測與分析。通過搜集、傳輸、處理以及分析大量數據，分析具有特殊業務邏輯的數據特征，從而實現快速、準確、可靠的檢測與控制。在變電站主變電流的監測與故障診斷中，智能傳感器監測技術不僅可以實時監測電壓、電流、頻率等參數，并能夠檢測出異常情況，及時進行處理和調整，還可以結合其他的故障診斷方法，如頻譜分析技術、油色譜分析技術等，以提高故障診斷的準確性和可靠性。

2 主變電流故障診斷方法

2.1 絕緣類試驗

絕緣類試驗是主變電流故障診斷中至關重要的步驟，涵蓋了多個測試環節，旨在檢測變壓器內部的絕緣狀況和缺陷，為主變電流故障的診斷提供關鍵依據。這些試驗包括繞組絕緣、鐵芯絕緣、直流泄漏、繞組及套管介損、工頻耐壓、感應耐壓以及局部放電試驗等。它們能夠在不同程度上揭示變壓器內部的電氣性能和絕緣狀態。在進行絕緣類試驗時，需要停電，以便對各個部分進行專業儀器設備的測試。這些測試包括繞組對地之間的絕緣電阻試驗，能夠判斷變壓器內部的絕緣程度[2]。此外，繞組及套管介損試驗用于測量變壓器套管和繞組的介質損耗因數，從而判斷其絕緣性能。工頻耐壓試驗用于檢測變壓器在工頻電壓下的耐受能力，揭示其是否存在絕緣老化或劣化的情況。感應耐壓試驗是絕緣類試驗中的重要環節，用于檢測變壓器在高壓下的電氣性能和絕緣狀態。局部放電試驗是檢測變壓器在一定電壓下的局部放電水平，以判斷其內部是否存在潛在故障或損傷。

2.2 頻譜分析

頻譜分析是一種在主變電流故障診斷中廣泛使用的技術，主要是通過分析主變電流的頻譜特征來檢測故障。主變電流的頻譜特征是指電流在不同頻率下的強度分布，不同類型的主變電流故障會產生不同的頻譜特征。因此，對比主變電流的頻譜特征和正常電流的頻譜特征，可以準確識別出故障類型。頻譜分析具有高精度和快速定位故障類型的優點。它可以通過專業的儀器設備測量和分析主變電流，將電流信號轉換成頻譜形式，從而方便進行故障診斷。此外，頻譜分析可以檢測出主變電流中諧波分量和非線性負荷的影響，診斷出更為復雜的故障類型[3]。例如，當主變電流中出現諧波分量時，可能是由于變壓器出現了飽和或不對稱等問題，可以進一步診斷出故障的類型和位置。在實際應用中，頻譜分析技術可以單獨使用，也可以與其他診斷方法結合使用，以提高故障診斷的準確性。對于主變電流故障的診斷，常用的頻譜分析方法包括快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）和短時傅里葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）等。這些方法能夠快速準確地識別出故障類型，為主變電流的故障處理提供重要的參考依據。

2.3 熱像攝像

熱像攝像是一種在主變電流故障診斷中非常有效的檢測方法，通過非接觸式測量電流系統的溫度分布來檢測故障。在主變電流故障中，故障區域通常會出現局部溫度升高的現象，因此通過測量溫度分布情況可以及早發現潛在的故障點。使用熱像攝像可以實時監測故障的發展情況，為主變電流故障的診斷提供直觀依據，從而采取有效的預防措施，減少故障的發生。熱像攝像的優點是可以直觀地觀察到電流系統的溫度分布情況，并且可以快速定位故障區域。通過拍攝電流系統的紅外熱像圖，可以清晰看出電流密度分布和溫度分布情況，從而判斷出是否存在異常發熱或局部過熱的情況。熱像攝像在主變電流故障診斷中能夠及早發現潛在的故障點，實時監測故障的發展情況，為主變電流故障的診斷提供直觀依據。與其他診斷方法結合使用，可以更準確地識別出故障類型，提高故障診斷的準確性[4]。

2.4 變電站主變大電流沖擊告警裝置

主變大電流沖擊的閉環管理和預警機制的形成，有利于及時發現主設備隱患，保障主變安全穩定運行。該設計采用全新的低功耗、高智能的裝置，通過微機和液晶觸控屏實現一鍵式的智能操作與監控，主要包含以下2 個部分[5]。一是裝置硬件部分，包含主變二次電流采集模塊、電源模塊、人機模塊、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊、通信模塊及告警模塊等；二是軟件部分，研制一種軟件算法，在主變各側遭受大電流沖擊的瞬間，捕獲電流突變量，計算出流過主變本體沖擊電流的有效值和持續時間，計算故障電流與額定電流的倍數比，生成故障報告，主要技術指標如下。

第一，裝置采用開口鉗形電流互感器對主變二次回路進行電流采集，故障瞬間電流變化快、幅值高、時間短，故障電流持續時間通常為微秒級，故裝置電流采樣精度需滿足1 級，采樣頻率大于1 kHz，鉗形電流互感器量程應保證50 A 以上，能在保護屏柜內穩定運行。裝置采用開口鉗形電流互感器測量電流,額定電流50 A 以上，測量精度至少滿足1 級，10 倍以內故障電流有效值計算誤差小于等于10%。

第二，由于故障電流變化較大，持續時間短，波形復雜，裝置軟件算法應能夠準確計算故障電流的有效值和持續時間等參數，10 倍以內故障電流有效值計算誤差小于等于10%。此外，應針對不同變壓器各側額定電流計算沖擊電流倍數，生成故障信息簡報實時上送，能夠通過遙信上送調控信息系統或遠程發送至運維檢修人員移動端。

第三，由于保護屏柜內設備較多，空間狹小，裝置尺寸體積應小巧輕便，便于安裝。裝置輸入供電電壓為直流190 ～240 V，要求裝置能在大電流突變過程中準確啟動，并測量計算故障電流有效值。此外，裝置具有液晶顯示面板，可將故障信息顯示在液晶面板上。裝置的告警信息可以上送，并可以查詢告警歷史記錄。電流采樣頻率大于等于1 kHz，裝置功耗小于等于10 W。

3 結 論

電力系統運行人員利用變電站主變電流的監測和故障診斷方法，有效地監測主變電流，及時發現潛在問題，并采取必要的維護和修復措施，以確保電力系統的穩定性和可靠性。這些方法應根據具體情況和設備類型進行合理選擇，以最大限度地提高電力系統的性能和安全性。通過本研究的方法和結果，相信能夠為電力系統的運行和維護提供有力的支持與指導。