论文部分内容阅读
摘要：随着电力系统朝着超高压、大容量方向发展，以及社会发展和生活对供电可靠性要求的提高，预防和控制电力系统重要设备突发性故障是保证电力系统可靠供电的重要手段。电力变压器的在电力系统中的可靠运行，直接关系到大范围用户的供电质量。因此，对电力变压器运行状态进行实时或定时的在线监测，及时发现设备早期绝缘缺陷，对防止突发事故的发生，减少不必要的停电检修，避免传统试验对电气设备由于“过度检修”所造成的巨大损失，延长设备的使用寿命具有重要意义。本文分析了电力变压器在线监测与传统检修方式的优缺点，介绍了我厂主变在线监测系统的使用情况，并提出了改进建议。
关键词：变压器故障;在线监测技术
第一章 电力变压器常见故障类型及诊断手段
电力变压器常见的故障主要是变压器渗油和铁芯多点接地。
变压器渗漏油包括油箱焊缝渗油、低压侧套管渗漏、防爆管渗油。变压器渗漏油不仅会给电力企业带来较大的经济损失、环境污染，还会影响变压器的安全运行，可能造成不必要的停运甚至变压器的损毁事故。
另外，变压器铁心有且只能有一点接地，若出现两点及以上的接地点，则造成主变多点接地。变压器铁心多点接地运行将导致铁心出现故障，危及变压器的安全运行。
电力变压器在运行中发生故障时，除油中气体成分和电气参数发生变化外，一般常伴有某些部位的外表颜色、气味、声音、温度、油位等的变化，结合这些变化对分析与综合诊断变压器的故障部位性质、程度、趋势和严重性等起到一定的作用。
在实际运行中，如怀疑主变运行异常，通常的诊断手段如下：
1.外观检查。
变压器运行中发生异常时，外表常会发生各种变化，通过外观检查可以发现某些缺陷。如：（1）防爆筒薄膜龟裂破损。（2）套管闪络放电。（3）渗漏油。（4）变压器气体继电器内有气体。
2.颜色、气味异常
变压器的许多故障都伴随有过热现象，使某些部件局部过热，引起有关部件颜色变化或产生特殊焦臭气味等。正常情况下，变压器气体继电器内充满了变压器油。若气体继电器内有瓦斯气体，会造成轻瓦斯保护动作，严重时则会造成重瓦斯跳闸。
3.声響异常
变压器故障运行时，从运行中声音的变化可发现与正常运行时有明显差异。变压器是静态运行的电力设备，正常运行时在交流电磁场的作用下，变压器器身会发出轻微连续的“嗡嗡”声，常被称为交流电磁声，简称交流声。正常运行中变压器发出的“嗡嗡”声是连续均匀的，如果产生的声音不均匀拥特殊的响声，应视为不正常现象。（1）出现杂声。（2）伴有放电声。（3）夹有水沸腾声。（4）夹有爆裂声.此外，若变压器的声音中央有连续的、有规律的撞击声或摩擦声时，有可能是变压器外部某些零件如表计、电缆、油管等，受变压器振动或风力造成撞击或摩擦。
4.温度异常
（1）内部故障引起温度异常。（2）散热器阀门不通引起温度异常。（3）呼吸器堵塞或严重漏油引起温度异常。（4）冷却装置运行不正常引起温度异常。
5.油位异常
变压器储油柜的油位表或油位计温度刻度，是标志变压器不同油温时的油面标志，根据标志可以判断是否需要加油或放油，运行中变压器温度的变化会使油体积变化，从而引起油位的上下位移。油位异常的原因如下：（1）假油位。（2）油面过低。
第二章 电力变压器故障在线监测技术
2.1电力变压器在线监测与故障诊断的实现
电力变压器在线监测及故障诊断系统其基本思想在于在线获得与变压器故障有关的特征信息，利用智能诊断方法，对变压器的运行状态进行监测与评估，得出诊断结果与分析。系统结构图如图3.1：
为了将系统做成一个真正的具有诊断功能的监测系统，必须获得变压器故障特征气体的分别含量，并且获得其它辅助特征量的信息;同时，为了保证系统的可维护性，决定不采用传统气相色谱方法，不将气体逐次分离，而是利用传感器阵列结合神经网络模型进行特征气体的采集，结合其它辅助特征信息，利用集成诊断模型，对变压器状态进行诊断。
一般系统可分为信息采集模块、诊断信息管理模块、诊断推理模块、数据管理模块，分别简述如下：
1.信息采集模块
负责对变压器故障特征信息、变压器运行状况与条件信息进行数据采集工作。重点在于采集绝缘油中特征气体的含量变化量。
对于特征气体信息的采集，采用高分子膜法进行油气分离，得到油中溶解气体，再采用气敏传感器阵列对其进行检测，从而得到油中溶解气体的含量变化量，进而得到产气趋势。在该过程中，放弃使用色谱柱和FID检测，这将大大降低设备的成本和复杂度，增加可维护性;当然这将使系统难于得到各种烃类气体的精确含量，只是从检测数据中反映出特征气体的变换趋势和幅度，但这方面的不足可以通过在线监测及诊断模型中的其它诊断子模块弥补。其它特征量的测量都以在线方式实现，所获数据与特征气体检测量一起输入数据库，为状态监测和故障诊断提供数据基础。
2.诊断信息管理模块
此模块采用与其它设备信息管理数据库相同的数据管理模式，主要功能在于对诊断信息的管理与维护。其功能模块的组成主要包括变压器故障专家系统的知识库、神经网络训练样本集、诊断结果集等。
考虑到变压器故障系统涉及的特征信息较多，特点不一，而且故障种类繁多，在获得尽可能全面的变压器故障特征信息的基础上，运用与之相对应的专业知识、操作经验和标准，对特征信息进行有效组合，用基于各种诊断理论和机理的子模块，从不同的侧面诊断故障，最大限度的提高正确率。系统通过集成诊断模型，综合来自信息采集模块的变压器实测信息与来自数据库的历史信息进行推理判断，做出故障诊断结论，指出故障的原因。
诊断模块另一项重要功能是提供良好的人机交互平台，一方面由机器向操作人员提出故障提示及其判据并提出解决方案，另一方面操作人员可以通过人机交互平台对诊断的关键步骤进行干预。 3.诊断推理模块
此模块通过访问与设备信息管理及诊断信息管理模块的接口，获取相关设备故障征兆信息与诊断知识通过专家系统的推理机制得到最终诊断结果并同时通过上述接口反馈并保存诊断信息以供用户查询与浏览。
4.数据管理模块
建立信息管理系统，该系统包括三个部分：设备信息管理模块、诊断信息管理模块、用户权限管理模块。设备信息管理模块实现变压器参数以及状态信息数据存储、查询、编辑、输出、报表打印等功能，并为诊断模块提供历史数据;诊断信息管理模块实现对诊断知识和诊断模块结构的管理，它所管理的数据是整个诊断过程的基础;用户权限管理模块负责系统巍安全性的管理，能方便的实现用户的创建与管理。
系统的构成基于电力企业内部的局域网。Web服务器有两个主要的功能，其一负责企业内部的网络服务，包括网页的发布，新闻邮件等，同时将企业内部的局域网与外界的Internet网隔离开来。其二负责利用数据库服务器中的数据，根据知识库中的知识，对变压器状态监测并进行评估。
数据库服务器负责存储变压器日常运行所需的数据并且进行备份，这些数据可以通过Web服务器在网络中发布。
数据采集器实际上包括两个部分，一部分是己经投运的变压器在线测量，测量到的数据可以通过网络自动的存入数据库服务器当中;另一部分是试验工作人员的试验数据记录工作台，以供试验人员将一些没有实现在线自动测量的数据以手工输入的方式存储到数据库当中。
客户机是用户的工作平台，用户可以通过它来对变压器的数据、状态等进行查询，或是启动服务器上的诊断程序，对设备的故障进行诊断并取得诊断结果。如果变压器出现故障，专家和检修人员也可以启动诊断系统进行分析，以便确定最佳检修方式和最佳检修时间。
5.系统软件结构
系统软件结构如所示。从系统的功能分析中可以看出监控软件系统的大部分功能都是围绕着测量装置上传的数据信息，通过对数据信息的采集、解析、统计、检索等操作来实现界面刷新、生成各种表格或各类报表等系统功能。在对数据信息的处理过程中需要对系统的数据库进行频繁的读或写的操作，因此设计一个良好的数据库模型是非常重要的。
2.2在线监测目的
变压器在线监测的目的，就是通过对变压特征信号的采集和分析，判别出变压器的状，以期检测出变压器的初期故障，并监测故障态的发展趋势。目前，电力变压器的在线监测国际上研究最多的对象之一，提出了很多不的方法。油中溶解性气体分析技术。由于变压内部不同的故障会产生不同的气体，因此通分析油中气体的成分、含量、产气率和相对百系统短路变压器内的变化分比，就可达到对变压器绝缘诊断的目的。
2.3变压器在线监测的主要方式
目前对电力变压器在线监测的主要方法可以概括为：油性能指标在线监测、主变局部放电在线监测、主变绕组变形在線监测、主变温度控制器在线监测、介质损耗在线监测等。这些在线数据可以及时反映变压器绝缘的变化，有利于及早发现故障，防止故障进一步扩大。此外，将在线数据加入到变压器的故障诊断中，可以极大地提高诊断的实时性和准确性。
2.3.1变压器绕组变形在线监测
变压器绕组变形（如轴向、径向尺寸变化、位移、扭曲、鼓包等）是由于绕组经受了轴向、幅向力的作用以及强大的短路力作用。常规的吊罩检查只能看到高压绕组的状况，而在高压绕组内部的中、低压绕组所发生的形变根本无法看到。变压器绕组的变形具有相当大的隐蔽性，而且由变形带来的后果也相当严重，它会直接威胁变压器的安全运行。
变压器绕组变形故障，究其原因，主要是设计者在材料选用和结构设计中对电动力分析不够确切，采取措施不够有效而引起的。一旦变压器绕组严重变形而未被诊断出来任其继续运行，极有可能导致事故的发生。因此，实时正确的对变压器绕组变形检测能及早地发现绕组变形故障隐患，以便及时采取技术措施，避免运行事故，延长变压器的实际使用寿命。
过去的检测绕组变形的方法有：在现场采取吊罩检查的方法、通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法、测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法、测量变压器频率响应并比较其变化的频响分析法。这些方法均需使变压器退出运行，即均属于离线检测方法，不能随时监测变压器绕组状况以及时发现故障。基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，近年来，通过在线检测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术正逐渐得到重视。
变压器绕组在线监测的基本原理是根据变压器绕组的短路电抗值的变化进行变形与否的监测和判断。因为绕组的短路电抗值与绕组的变形程度、几何尺寸以及位置变化密切相关，即短路电抗直接取决于绕组的几何结构。
在工频电压不变的情况下，短路阻抗及阻抗中的电感分量与变压器绕组的变化对在线监测变压器绕组变形具有很好的实效性。
2.3.2变压器局部放电在线监测
变压器局部放电（（Partial Discharge，PD）是反映高压电气设备状态的一个重要标志。因为很多故障均产生局部放电。一般情况下，如果变压器油中发现了特征气体则表明其内部已经存在比较严重的局部放电。局部放电能有效反映变压器内部的绝缘状况，变压器局部放电在线监测技术借助先进的传感技术和电子技术，根据超声波原理将高频声学传感器放在油箱外部以便测取局部放电或电弧放电所产生的暂态声音信号。
局部放电在线测量方法主要有超声监测、化学监测和电性能监测。这三种方法中以电监测法灵敏度最高。最近国内外又出现了甚高频（VHF）超高频（UHF）等方法。
2.3.3变压器油性能指标在线监测
在变压器运行过程中，如果变压器的油质发生变化且达到一定程度，会使绝缘性能下降危及变压器安全运行。常规监测变压器油质变化的方法也很多，主要是测量油的各项性能指标和油中溶解气体的含量。 变压器油性能的在线监测专家系统由数据库、知识库、推理机、知识获取和人机接口等几部分组成。数据库的主要功能是存储并及时提供变压器油质变化的各项指标和历史数据。数据库中的各种指标和信息中还包括对油质的缺陷分析和处理结果，可以为监测维护人员提供详细的油性能数据。知识库用来存储与变压器分析相关的经验和知识。推理机的作用是从数据库中提取数据后再以逻辑方式对油状况进行推理分析。
对油性能指标的在线监测来说，重要的分析程序是状态分析。状态分析依靠特征气体分析子模块、三比值子模块、外部检查结果子模块、油推理分析指标子模块、绝缘预防性检查子模块、综合分析子模块实施并行具体的分析步骤。
2.3.4铁芯多点接地监测
监测铁芯多点接地故障是利用铁芯引出线的接地电流，经取样后进行测量的。大型变压器铁芯通过外壳小套管引出变压器箱体接地。对于变压器铁芯，为消除铁芯产生悬浮电位造成对地放电，变压器铁芯要保持一点接地。为防止铁芯硅钢片间的短路形成环流造成故障，不允许多点接地。正常情况下铁芯接地电流只有毫安级，单当铁芯发生两点以上姐弟故障时，障时，该接地点的电流可增大为数安到数十安以上，严重时总烃成分明显增大，油中产生气体量的增加甚至造成气体继电器的动作。为了能及时发现铁芯多点接地故障，以便采取相应的措施，应对变压器铁芯接地电流进行监测。
2.3.5冷却器运行监测
冷却系统最频繁的故障模式就是泵和风扇的故障。连续在线分析泵和风扇的状况，以决定它们是否在设定的状态或关闭状态。这可以通过测量流过泵和风扇的电流及测量与其相关的控制冷却系统的温度来实现;也可以通过测量泵和风扇的电流和上层油温来实现。运行方式依据电流水平来调整。正常运行方式可以指示风扇叶和泵叶轮的旋转正确性，非正常运行方式通常是这些设备的控制线圈异常的结果。
导致泵轴承故障的可能是金属粒子。金属粒子可能是潜在的介质杀手。安装监测轴承磨损的传感器是切实可行的，这种超声传感器被嵌入泵轴承中，测量轴承长度可以确定是否出现了金属磨损。目前，只能采取离线测量。另外，诸如变压器油中微水、绕组温度分布（以决定绕组最热点温度）及其纸绝缘的老化参量等的在线监测，目前尚无好的方法，正在积极探索中。
第三章 在线监测技术在我厂的应用前景
3.1目前我厂变压器在线监测系统简介
目前，我厂变压器在线监测采用加拿大GE公司生产的HYDRAN 201i变压器早期故障监测系统。HYDRAN 201i系统是一种连续在线监测油中溶解气体的智能型系统。它可以完全与Syprotrc公司生产的HYDRAN 201R变压器早期故障监测仪兼容。我厂采用的HYDRAN 201i监测系统，具有准确性和可靠性高，对电压冲击、射频干扰和静电释放较高的耐受能力等特点。
3.1.1设备原理及结构
HYDRAN 201i系统是通过其传感器中具有选择性的高分子薄膜，将变压器油中分解的H2 （氢气），CO（一氧化碳），C2H4 （乙烯），C2H2 （乙炔）四种气体，通过渗透膜进入电化学气体监测器内，在该处与空气中的氧进行电化学反应，产生一个与反映量成比例的电信号，并以数字形式显示，反映到H201i的显示屏上以供工作人员读取油中混合气体浓度值。仪器读数与色谱分析数值对应关系如下：
仪器读数= H2*100% + CO*18% + C2H2*8% + C2H4*1.5%
H20li 系統构成：
智能传送器H20li（含传感器和CPU）和控制器，控制器又分为单通道控制器H20lCi-1、通讯控制器H20lCi-C、四通道控制器H20lCi-4、H20lCi-1的标准配置。模拟量输出为非隔离0-1mA输出，可特别选择隔离4-20mA输出。
HYDRAN 201i 气体监测系统包括一个H201Ti的智能传送器和H201Ci 系列的通讯控制器。当 HYDRAN 201Ti 智能传送器与 H201Ci-1 单通道控制器结合使用时，构成一个可以直接代替或补充现有的HYDRAN 201R装置的HYDRAN 201R model I型故障监测系统。如果独立使用HYDRAN 201Ti 智能传送器或将其与其它型号的H201Ci 控制器结合使用则其名称改为HYDRAN 201i故障监测系统。不论 HYDRAN 201R model I型或HYDRAN 201i 系统都可以联成网络。该网络可以与一个装在当地的变电站内的监控及数据采集系统（SCADA）通过一根单一的RS-232 线路联结，或通过电话线和调制解调器联结。
HYDRAN 201Ti在线式智能型传送器是一个温度可控得小型圆柱形外壳，可与变压器用于检测得阀门相连接。它包括HYDRAN传感器和电子微处理器。它是由装在同一个圆柱形外壳内的传感器和微电子传送器，监测气体氢气，一氧化碳，乙炔，乙烯气体，进行变压器油样在线监测;尤其是充油电气设备早期故障监测。
HYDRAN 201i故障监测系统安装位置示意图如图3.1所示：
3.1.2设备主要特点
我厂HYDRAN 201i系统装置系统在预防变压器故障的主要特点如下：
（1）直接和连续以数字显示的油中气体含量;（2）非隔离的0～1mA模拟量输出;（3）可供选购的隔离的4～20 mA模拟量输出;（4）两个可以调整的报警点;
（5）系统故障报警;（6）传感器性能测试特点;（7）供用户使用的宽广的温度适应范围;
HYDRAN 201i智能型油中溶解气体监测仪继承了HYDRAN 201R系统的主要特征，HYDRAN 201i智能型油中溶解气体监测仪还具有全面数字处理的优点，并具有下列特点：
（1）可调整的按小时或按日的气体浓度变化趋势（规定时间段内的PPM值变化）计算及报警;（2）数据的演变过程记录以及附有日期和时间的事件记录;（3）与主计算机进行串行通讯（RS-232或RS-485）;（4）网络化能力（最多可达128台）和调制解调器控制;（5）通电后进行自检和全部软件校正;（6）远方或当地设置及软件升级;（7）可从Syprotec得到HYDRAN HOST 计算机软件;（8）当主计算机不需运行时具有全面的独立工作能力;（9）传感器自检和传感器状态确定。 3.1.2主要功能
（1）操作界面
H201Ti主要实现高级、中级、低级功能，分别为：
高级功能：显示未曾被使用者确认的报警，需要引起操作人员注意和作出相应的处理。中级功能：执行用户通过键盘输入的命令，显示相应的“系统菜单”。低级功能：每5秒巡回显示一组信息，称为巡检信息。
正常运行模式的主要功能包括：显示全部未曾被使用者确认的报警信息、基本、非操作的巡回显示模式、停机超过5分钟后的正常加电起动、在停机5分钟内的快速加电起动、在备用电池重新联接后的首次加电起动、参数设置等。
（2）报警状态
装置具有气体浓度（Gas Level）气体浓度小时变化率（Hourly Trend）、日变化率（Daily Trend）、传感器温度（Sensor Temperature）的报警、备用电池（Backup Battery）的报警功能。当气体濃度，气体浓度变化趋势或传感器温度等达到报警条件时，H201Ti将由巡回显示立即变为闪烁显示报警信息（确认报警模式拥有最高优先权）。当发生两个以上报警时，每5秒钟交替闪烁显示每种报警信息。
报警发生时，装置除了报警信息显示外，H201Ti还将有三种其他反应：
（a）气体浓度高（Gas H），气体浓度过高（Gas HH）和仪器自身故障（System Fail）报警时，将分别有继电器动作。（b）当报警被用户确认，报警被关闭或打开，这些信息将存贮在历史（Events History）存贮器中。（c）当发生报警时，将激活MODEM，给远程计算机发布报警信息。以便用户能够迅速掌握目前主变的运行状态。
3.2我厂主变在线监测系统改进建议
目前，我厂在应用HYDRAN 201i系统装置时，装置的报警功能未通过网络接入监控系统。因此，需要在运行人员巡回时到现场检查报警信息，增加了运行人员工作量，并且不利于分析监测参数的变化、发展趋势。
数字型HYDRAN产品具有联网功能。网络能力为一个网络最多可以联接32台控制器和128台智能传送器（即H201Ti）。并且可以通过电话线方式或局域网方式，实现远程监测。
对于我厂目前使用的HYDRAN 201i系统，通过简单的应用网络模块、使用信号电缆接入主控室，成本小，实现简单。对于集控中心，可通过监控系统，加入传输信号实现。
经测算，实现该功能改造成本小，减轻运行人员巡回时间，提高工作效率。
第四章 结论
电力变压器故障诊断是个复杂的问题，需要综合在线及离线等多种检测手段判别。而变压器故障发生与故障前兆之间的联系通常是复杂模糊的、不宜界定的。通过直接测量值很难准确判断出变压器的当前状态及故障源发展趋势，而通过变压器的实时在线监测统计，分析比较变压器运行重要参数变化，通过引用模糊逻辑和多参数、多层逐步推理方法评估，能够得到主变运行参数的发展趋势，有利于及早发现故障，并减少定期检修，并向运行人员提出合理的建议。
1）采用变压器油中气体在线监测装置可以对变压器起到“哨兵”的作用，能及时发现潜伏性故障，为保证主变安全经济运行发挥积极作用。2）设定合适的报警值，启用手机短信报警等功能对在线监测装置的有效应用非常重要。3）采用色谱技术的油中气体在线监测装置检测周期最快需4 h左右，但能很直观地监测到各气体组分的变化情况。采用燃料电池技术的油中气体在线监测装置具有“准”、“快”、“简”的特点。4）放电性故障发展速度很快，具有突发性。选用对故障气体响应快的监测装置，若能在火花放电阶段被检出，则有可能防止恶性事故的发生。过热性故障发展较缓慢，在短时间内不会酿成事故。当采用常规的油中气体色谱分析，怀疑变压器内部存在过热性故障时，采用在线监测装置弥补了实验室色谱分析的不足，大大减少取样追踪次数，而且能很直观地监测到各气体组分的变化情况，及时发现和诊断其内部故障的类型和发展程度，随时掌握设备的运行状况。5）在选择油中气体在线监测装置时，需对监测装置的特点及变压器状况作综合评价。在线监测装置的选择应以具有“准”、“快”、“简”特点的在线监测装置为主比较合理，从而使短期内可能酿成事故的放电性故障得到有效监测和处理。同时，考虑到此类在线监测装置不能监测到各故障气体的组分含量，对故障性质不易作出有效判断，采购一些便于移动的在线色谱技术的油中气体在线监测装置，根据常规色谱分析结果，对疑似故障及异常主变进行有针对性的“在线”监测，是符合我国国情的安全经济有实教的方法。
本文通过分析比较主变在线监测和传统定期检修得出主变在线监测系统在对保证电力系统可靠供电，减低运行成本上具有的优势。对我厂主变在线监测系统提出的改进建议更有利于降低运行人员巡视检查工作量，提高工作效率，并有利于充分发挥在线监测装置的作用。
参考文献
[1].浅谈电力变压器常见故障及诊断技术[J].科技信息.2010.11
[2].李娟，等.电力变压器状态在线监测和故障诊断的新方法[J].电力自动化设备.2002年12月 Vol.22 No.12
[3]肖登明.电力设备在线监测与故障诊断[M].上海：上海交通大学出版社，2005， 128-130
作者简介：崔焱鑫，长期从事机电设备运行及技术管理工作，现在岗位是：龚嘴水力发电总厂铜站运维处副值长。
四川省乐山市沙湾区龚嘴水力发电总厂铜站运维处，四川乐山 614900
关键词：变压器故障;在线监测技术
第一章 电力变压器常见故障类型及诊断手段
电力变压器常见的故障主要是变压器渗油和铁芯多点接地。
变压器渗漏油包括油箱焊缝渗油、低压侧套管渗漏、防爆管渗油。变压器渗漏油不仅会给电力企业带来较大的经济损失、环境污染，还会影响变压器的安全运行，可能造成不必要的停运甚至变压器的损毁事故。
另外，变压器铁心有且只能有一点接地，若出现两点及以上的接地点，则造成主变多点接地。变压器铁心多点接地运行将导致铁心出现故障，危及变压器的安全运行。
电力变压器在运行中发生故障时，除油中气体成分和电气参数发生变化外，一般常伴有某些部位的外表颜色、气味、声音、温度、油位等的变化，结合这些变化对分析与综合诊断变压器的故障部位性质、程度、趋势和严重性等起到一定的作用。
在实际运行中，如怀疑主变运行异常，通常的诊断手段如下：
1.外观检查。
变压器运行中发生异常时，外表常会发生各种变化，通过外观检查可以发现某些缺陷。如：（1）防爆筒薄膜龟裂破损。（2）套管闪络放电。（3）渗漏油。（4）变压器气体继电器内有气体。
2.颜色、气味异常
变压器的许多故障都伴随有过热现象，使某些部件局部过热，引起有关部件颜色变化或产生特殊焦臭气味等。正常情况下，变压器气体继电器内充满了变压器油。若气体继电器内有瓦斯气体，会造成轻瓦斯保护动作，严重时则会造成重瓦斯跳闸。
3.声響异常
变压器故障运行时，从运行中声音的变化可发现与正常运行时有明显差异。变压器是静态运行的电力设备，正常运行时在交流电磁场的作用下，变压器器身会发出轻微连续的“嗡嗡”声，常被称为交流电磁声，简称交流声。正常运行中变压器发出的“嗡嗡”声是连续均匀的，如果产生的声音不均匀拥特殊的响声，应视为不正常现象。（1）出现杂声。（2）伴有放电声。（3）夹有水沸腾声。（4）夹有爆裂声.此外，若变压器的声音中央有连续的、有规律的撞击声或摩擦声时，有可能是变压器外部某些零件如表计、电缆、油管等，受变压器振动或风力造成撞击或摩擦。
4.温度异常
（1）内部故障引起温度异常。（2）散热器阀门不通引起温度异常。（3）呼吸器堵塞或严重漏油引起温度异常。（4）冷却装置运行不正常引起温度异常。
5.油位异常
变压器储油柜的油位表或油位计温度刻度，是标志变压器不同油温时的油面标志，根据标志可以判断是否需要加油或放油，运行中变压器温度的变化会使油体积变化，从而引起油位的上下位移。油位异常的原因如下：（1）假油位。（2）油面过低。
第二章 电力变压器故障在线监测技术
2.1电力变压器在线监测与故障诊断的实现
电力变压器在线监测及故障诊断系统其基本思想在于在线获得与变压器故障有关的特征信息，利用智能诊断方法，对变压器的运行状态进行监测与评估，得出诊断结果与分析。系统结构图如图3.1：
为了将系统做成一个真正的具有诊断功能的监测系统，必须获得变压器故障特征气体的分别含量，并且获得其它辅助特征量的信息;同时，为了保证系统的可维护性，决定不采用传统气相色谱方法，不将气体逐次分离，而是利用传感器阵列结合神经网络模型进行特征气体的采集，结合其它辅助特征信息，利用集成诊断模型，对变压器状态进行诊断。
一般系统可分为信息采集模块、诊断信息管理模块、诊断推理模块、数据管理模块，分别简述如下：
1.信息采集模块
负责对变压器故障特征信息、变压器运行状况与条件信息进行数据采集工作。重点在于采集绝缘油中特征气体的含量变化量。
对于特征气体信息的采集，采用高分子膜法进行油气分离，得到油中溶解气体，再采用气敏传感器阵列对其进行检测，从而得到油中溶解气体的含量变化量，进而得到产气趋势。在该过程中，放弃使用色谱柱和FID检测，这将大大降低设备的成本和复杂度，增加可维护性;当然这将使系统难于得到各种烃类气体的精确含量，只是从检测数据中反映出特征气体的变换趋势和幅度，但这方面的不足可以通过在线监测及诊断模型中的其它诊断子模块弥补。其它特征量的测量都以在线方式实现，所获数据与特征气体检测量一起输入数据库，为状态监测和故障诊断提供数据基础。
2.诊断信息管理模块
此模块采用与其它设备信息管理数据库相同的数据管理模式，主要功能在于对诊断信息的管理与维护。其功能模块的组成主要包括变压器故障专家系统的知识库、神经网络训练样本集、诊断结果集等。
考虑到变压器故障系统涉及的特征信息较多，特点不一，而且故障种类繁多，在获得尽可能全面的变压器故障特征信息的基础上，运用与之相对应的专业知识、操作经验和标准，对特征信息进行有效组合，用基于各种诊断理论和机理的子模块，从不同的侧面诊断故障，最大限度的提高正确率。系统通过集成诊断模型，综合来自信息采集模块的变压器实测信息与来自数据库的历史信息进行推理判断，做出故障诊断结论，指出故障的原因。
诊断模块另一项重要功能是提供良好的人机交互平台，一方面由机器向操作人员提出故障提示及其判据并提出解决方案，另一方面操作人员可以通过人机交互平台对诊断的关键步骤进行干预。 3.诊断推理模块
此模块通过访问与设备信息管理及诊断信息管理模块的接口，获取相关设备故障征兆信息与诊断知识通过专家系统的推理机制得到最终诊断结果并同时通过上述接口反馈并保存诊断信息以供用户查询与浏览。
4.数据管理模块
建立信息管理系统，该系统包括三个部分：设备信息管理模块、诊断信息管理模块、用户权限管理模块。设备信息管理模块实现变压器参数以及状态信息数据存储、查询、编辑、输出、报表打印等功能，并为诊断模块提供历史数据;诊断信息管理模块实现对诊断知识和诊断模块结构的管理，它所管理的数据是整个诊断过程的基础;用户权限管理模块负责系统巍安全性的管理，能方便的实现用户的创建与管理。
系统的构成基于电力企业内部的局域网。Web服务器有两个主要的功能，其一负责企业内部的网络服务，包括网页的发布，新闻邮件等，同时将企业内部的局域网与外界的Internet网隔离开来。其二负责利用数据库服务器中的数据，根据知识库中的知识，对变压器状态监测并进行评估。
数据库服务器负责存储变压器日常运行所需的数据并且进行备份，这些数据可以通过Web服务器在网络中发布。
数据采集器实际上包括两个部分，一部分是己经投运的变压器在线测量，测量到的数据可以通过网络自动的存入数据库服务器当中;另一部分是试验工作人员的试验数据记录工作台，以供试验人员将一些没有实现在线自动测量的数据以手工输入的方式存储到数据库当中。
客户机是用户的工作平台，用户可以通过它来对变压器的数据、状态等进行查询，或是启动服务器上的诊断程序，对设备的故障进行诊断并取得诊断结果。如果变压器出现故障，专家和检修人员也可以启动诊断系统进行分析，以便确定最佳检修方式和最佳检修时间。
5.系统软件结构
系统软件结构如所示。从系统的功能分析中可以看出监控软件系统的大部分功能都是围绕着测量装置上传的数据信息，通过对数据信息的采集、解析、统计、检索等操作来实现界面刷新、生成各种表格或各类报表等系统功能。在对数据信息的处理过程中需要对系统的数据库进行频繁的读或写的操作，因此设计一个良好的数据库模型是非常重要的。
2.2在线监测目的
变压器在线监测的目的，就是通过对变压特征信号的采集和分析，判别出变压器的状，以期检测出变压器的初期故障，并监测故障态的发展趋势。目前，电力变压器的在线监测国际上研究最多的对象之一，提出了很多不的方法。油中溶解性气体分析技术。由于变压内部不同的故障会产生不同的气体，因此通分析油中气体的成分、含量、产气率和相对百系统短路变压器内的变化分比，就可达到对变压器绝缘诊断的目的。
2.3变压器在线监测的主要方式
目前对电力变压器在线监测的主要方法可以概括为：油性能指标在线监测、主变局部放电在线监测、主变绕组变形在線监测、主变温度控制器在线监测、介质损耗在线监测等。这些在线数据可以及时反映变压器绝缘的变化，有利于及早发现故障，防止故障进一步扩大。此外，将在线数据加入到变压器的故障诊断中，可以极大地提高诊断的实时性和准确性。
2.3.1变压器绕组变形在线监测
变压器绕组变形（如轴向、径向尺寸变化、位移、扭曲、鼓包等）是由于绕组经受了轴向、幅向力的作用以及强大的短路力作用。常规的吊罩检查只能看到高压绕组的状况，而在高压绕组内部的中、低压绕组所发生的形变根本无法看到。变压器绕组的变形具有相当大的隐蔽性，而且由变形带来的后果也相当严重，它会直接威胁变压器的安全运行。
变压器绕组变形故障，究其原因，主要是设计者在材料选用和结构设计中对电动力分析不够确切，采取措施不够有效而引起的。一旦变压器绕组严重变形而未被诊断出来任其继续运行，极有可能导致事故的发生。因此，实时正确的对变压器绕组变形检测能及早地发现绕组变形故障隐患，以便及时采取技术措施，避免运行事故，延长变压器的实际使用寿命。
过去的检测绕组变形的方法有：在现场采取吊罩检查的方法、通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法、测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法、测量变压器频率响应并比较其变化的频响分析法。这些方法均需使变压器退出运行，即均属于离线检测方法，不能随时监测变压器绕组状况以及时发现故障。基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，近年来，通过在线检测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术正逐渐得到重视。
变压器绕组在线监测的基本原理是根据变压器绕组的短路电抗值的变化进行变形与否的监测和判断。因为绕组的短路电抗值与绕组的变形程度、几何尺寸以及位置变化密切相关，即短路电抗直接取决于绕组的几何结构。
在工频电压不变的情况下，短路阻抗及阻抗中的电感分量与变压器绕组的变化对在线监测变压器绕组变形具有很好的实效性。
2.3.2变压器局部放电在线监测
变压器局部放电（（Partial Discharge，PD）是反映高压电气设备状态的一个重要标志。因为很多故障均产生局部放电。一般情况下，如果变压器油中发现了特征气体则表明其内部已经存在比较严重的局部放电。局部放电能有效反映变压器内部的绝缘状况，变压器局部放电在线监测技术借助先进的传感技术和电子技术，根据超声波原理将高频声学传感器放在油箱外部以便测取局部放电或电弧放电所产生的暂态声音信号。
局部放电在线测量方法主要有超声监测、化学监测和电性能监测。这三种方法中以电监测法灵敏度最高。最近国内外又出现了甚高频（VHF）超高频（UHF）等方法。
2.3.3变压器油性能指标在线监测
在变压器运行过程中，如果变压器的油质发生变化且达到一定程度，会使绝缘性能下降危及变压器安全运行。常规监测变压器油质变化的方法也很多，主要是测量油的各项性能指标和油中溶解气体的含量。 变压器油性能的在线监测专家系统由数据库、知识库、推理机、知识获取和人机接口等几部分组成。数据库的主要功能是存储并及时提供变压器油质变化的各项指标和历史数据。数据库中的各种指标和信息中还包括对油质的缺陷分析和处理结果，可以为监测维护人员提供详细的油性能数据。知识库用来存储与变压器分析相关的经验和知识。推理机的作用是从数据库中提取数据后再以逻辑方式对油状况进行推理分析。
对油性能指标的在线监测来说，重要的分析程序是状态分析。状态分析依靠特征气体分析子模块、三比值子模块、外部检查结果子模块、油推理分析指标子模块、绝缘预防性检查子模块、综合分析子模块实施并行具体的分析步骤。
2.3.4铁芯多点接地监测
监测铁芯多点接地故障是利用铁芯引出线的接地电流，经取样后进行测量的。大型变压器铁芯通过外壳小套管引出变压器箱体接地。对于变压器铁芯，为消除铁芯产生悬浮电位造成对地放电，变压器铁芯要保持一点接地。为防止铁芯硅钢片间的短路形成环流造成故障，不允许多点接地。正常情况下铁芯接地电流只有毫安级，单当铁芯发生两点以上姐弟故障时，障时，该接地点的电流可增大为数安到数十安以上，严重时总烃成分明显增大，油中产生气体量的增加甚至造成气体继电器的动作。为了能及时发现铁芯多点接地故障，以便采取相应的措施，应对变压器铁芯接地电流进行监测。
2.3.5冷却器运行监测
冷却系统最频繁的故障模式就是泵和风扇的故障。连续在线分析泵和风扇的状况，以决定它们是否在设定的状态或关闭状态。这可以通过测量流过泵和风扇的电流及测量与其相关的控制冷却系统的温度来实现;也可以通过测量泵和风扇的电流和上层油温来实现。运行方式依据电流水平来调整。正常运行方式可以指示风扇叶和泵叶轮的旋转正确性，非正常运行方式通常是这些设备的控制线圈异常的结果。
导致泵轴承故障的可能是金属粒子。金属粒子可能是潜在的介质杀手。安装监测轴承磨损的传感器是切实可行的，这种超声传感器被嵌入泵轴承中，测量轴承长度可以确定是否出现了金属磨损。目前，只能采取离线测量。另外，诸如变压器油中微水、绕组温度分布（以决定绕组最热点温度）及其纸绝缘的老化参量等的在线监测，目前尚无好的方法，正在积极探索中。
第三章 在线监测技术在我厂的应用前景
3.1目前我厂变压器在线监测系统简介
目前，我厂变压器在线监测采用加拿大GE公司生产的HYDRAN 201i变压器早期故障监测系统。HYDRAN 201i系统是一种连续在线监测油中溶解气体的智能型系统。它可以完全与Syprotrc公司生产的HYDRAN 201R变压器早期故障监测仪兼容。我厂采用的HYDRAN 201i监测系统，具有准确性和可靠性高，对电压冲击、射频干扰和静电释放较高的耐受能力等特点。
3.1.1设备原理及结构
HYDRAN 201i系统是通过其传感器中具有选择性的高分子薄膜，将变压器油中分解的H2 （氢气），CO（一氧化碳），C2H4 （乙烯），C2H2 （乙炔）四种气体，通过渗透膜进入电化学气体监测器内，在该处与空气中的氧进行电化学反应，产生一个与反映量成比例的电信号，并以数字形式显示，反映到H201i的显示屏上以供工作人员读取油中混合气体浓度值。仪器读数与色谱分析数值对应关系如下：
仪器读数= H2*100% + CO*18% + C2H2*8% + C2H4*1.5%
H20li 系統构成：
智能传送器H20li（含传感器和CPU）和控制器，控制器又分为单通道控制器H20lCi-1、通讯控制器H20lCi-C、四通道控制器H20lCi-4、H20lCi-1的标准配置。模拟量输出为非隔离0-1mA输出，可特别选择隔离4-20mA输出。
HYDRAN 201i 气体监测系统包括一个H201Ti的智能传送器和H201Ci 系列的通讯控制器。当 HYDRAN 201Ti 智能传送器与 H201Ci-1 单通道控制器结合使用时，构成一个可以直接代替或补充现有的HYDRAN 201R装置的HYDRAN 201R model I型故障监测系统。如果独立使用HYDRAN 201Ti 智能传送器或将其与其它型号的H201Ci 控制器结合使用则其名称改为HYDRAN 201i故障监测系统。不论 HYDRAN 201R model I型或HYDRAN 201i 系统都可以联成网络。该网络可以与一个装在当地的变电站内的监控及数据采集系统（SCADA）通过一根单一的RS-232 线路联结，或通过电话线和调制解调器联结。
HYDRAN 201Ti在线式智能型传送器是一个温度可控得小型圆柱形外壳，可与变压器用于检测得阀门相连接。它包括HYDRAN传感器和电子微处理器。它是由装在同一个圆柱形外壳内的传感器和微电子传送器，监测气体氢气，一氧化碳，乙炔，乙烯气体，进行变压器油样在线监测;尤其是充油电气设备早期故障监测。
HYDRAN 201i故障监测系统安装位置示意图如图3.1所示：
3.1.2设备主要特点
我厂HYDRAN 201i系统装置系统在预防变压器故障的主要特点如下：
（1）直接和连续以数字显示的油中气体含量;（2）非隔离的0～1mA模拟量输出;（3）可供选购的隔离的4～20 mA模拟量输出;（4）两个可以调整的报警点;
（5）系统故障报警;（6）传感器性能测试特点;（7）供用户使用的宽广的温度适应范围;
HYDRAN 201i智能型油中溶解气体监测仪继承了HYDRAN 201R系统的主要特征，HYDRAN 201i智能型油中溶解气体监测仪还具有全面数字处理的优点，并具有下列特点：
（1）可调整的按小时或按日的气体浓度变化趋势（规定时间段内的PPM值变化）计算及报警;（2）数据的演变过程记录以及附有日期和时间的事件记录;（3）与主计算机进行串行通讯（RS-232或RS-485）;（4）网络化能力（最多可达128台）和调制解调器控制;（5）通电后进行自检和全部软件校正;（6）远方或当地设置及软件升级;（7）可从Syprotec得到HYDRAN HOST 计算机软件;（8）当主计算机不需运行时具有全面的独立工作能力;（9）传感器自检和传感器状态确定。 3.1.2主要功能
（1）操作界面
H201Ti主要实现高级、中级、低级功能，分别为：
高级功能：显示未曾被使用者确认的报警，需要引起操作人员注意和作出相应的处理。中级功能：执行用户通过键盘输入的命令，显示相应的“系统菜单”。低级功能：每5秒巡回显示一组信息，称为巡检信息。
正常运行模式的主要功能包括：显示全部未曾被使用者确认的报警信息、基本、非操作的巡回显示模式、停机超过5分钟后的正常加电起动、在停机5分钟内的快速加电起动、在备用电池重新联接后的首次加电起动、参数设置等。
（2）报警状态
装置具有气体浓度（Gas Level）气体浓度小时变化率（Hourly Trend）、日变化率（Daily Trend）、传感器温度（Sensor Temperature）的报警、备用电池（Backup Battery）的报警功能。当气体濃度，气体浓度变化趋势或传感器温度等达到报警条件时，H201Ti将由巡回显示立即变为闪烁显示报警信息（确认报警模式拥有最高优先权）。当发生两个以上报警时，每5秒钟交替闪烁显示每种报警信息。
报警发生时，装置除了报警信息显示外，H201Ti还将有三种其他反应：
（a）气体浓度高（Gas H），气体浓度过高（Gas HH）和仪器自身故障（System Fail）报警时，将分别有继电器动作。（b）当报警被用户确认，报警被关闭或打开，这些信息将存贮在历史（Events History）存贮器中。（c）当发生报警时，将激活MODEM，给远程计算机发布报警信息。以便用户能够迅速掌握目前主变的运行状态。
3.2我厂主变在线监测系统改进建议
目前，我厂在应用HYDRAN 201i系统装置时，装置的报警功能未通过网络接入监控系统。因此，需要在运行人员巡回时到现场检查报警信息，增加了运行人员工作量，并且不利于分析监测参数的变化、发展趋势。
数字型HYDRAN产品具有联网功能。网络能力为一个网络最多可以联接32台控制器和128台智能传送器（即H201Ti）。并且可以通过电话线方式或局域网方式，实现远程监测。
对于我厂目前使用的HYDRAN 201i系统，通过简单的应用网络模块、使用信号电缆接入主控室，成本小，实现简单。对于集控中心，可通过监控系统，加入传输信号实现。
经测算，实现该功能改造成本小，减轻运行人员巡回时间，提高工作效率。
第四章 结论
电力变压器故障诊断是个复杂的问题，需要综合在线及离线等多种检测手段判别。而变压器故障发生与故障前兆之间的联系通常是复杂模糊的、不宜界定的。通过直接测量值很难准确判断出变压器的当前状态及故障源发展趋势，而通过变压器的实时在线监测统计，分析比较变压器运行重要参数变化，通过引用模糊逻辑和多参数、多层逐步推理方法评估，能够得到主变运行参数的发展趋势，有利于及早发现故障，并减少定期检修，并向运行人员提出合理的建议。
1）采用变压器油中气体在线监测装置可以对变压器起到“哨兵”的作用，能及时发现潜伏性故障，为保证主变安全经济运行发挥积极作用。2）设定合适的报警值，启用手机短信报警等功能对在线监测装置的有效应用非常重要。3）采用色谱技术的油中气体在线监测装置检测周期最快需4 h左右，但能很直观地监测到各气体组分的变化情况。采用燃料电池技术的油中气体在线监测装置具有“准”、“快”、“简”的特点。4）放电性故障发展速度很快，具有突发性。选用对故障气体响应快的监测装置，若能在火花放电阶段被检出，则有可能防止恶性事故的发生。过热性故障发展较缓慢，在短时间内不会酿成事故。当采用常规的油中气体色谱分析，怀疑变压器内部存在过热性故障时，采用在线监测装置弥补了实验室色谱分析的不足，大大减少取样追踪次数，而且能很直观地监测到各气体组分的变化情况，及时发现和诊断其内部故障的类型和发展程度，随时掌握设备的运行状况。5）在选择油中气体在线监测装置时，需对监测装置的特点及变压器状况作综合评价。在线监测装置的选择应以具有“准”、“快”、“简”特点的在线监测装置为主比较合理，从而使短期内可能酿成事故的放电性故障得到有效监测和处理。同时，考虑到此类在线监测装置不能监测到各故障气体的组分含量，对故障性质不易作出有效判断，采购一些便于移动的在线色谱技术的油中气体在线监测装置，根据常规色谱分析结果，对疑似故障及异常主变进行有针对性的“在线”监测，是符合我国国情的安全经济有实教的方法。
本文通过分析比较主变在线监测和传统定期检修得出主变在线监测系统在对保证电力系统可靠供电，减低运行成本上具有的优势。对我厂主变在线监测系统提出的改进建议更有利于降低运行人员巡视检查工作量，提高工作效率，并有利于充分发挥在线监测装置的作用。
参考文献
[1].浅谈电力变压器常见故障及诊断技术[J].科技信息.2010.11
[2].李娟，等.电力变压器状态在线监测和故障诊断的新方法[J].电力自动化设备.2002年12月 Vol.22 No.12
[3]肖登明.电力设备在线监测与故障诊断[M].上海：上海交通大学出版社，2005， 128-130
作者简介：崔焱鑫，长期从事机电设备运行及技术管理工作，现在岗位是：龚嘴水力发电总厂铜站运维处副值长。
四川省乐山市沙湾区龚嘴水力发电总厂铜站运维处，四川乐山 614900