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摘要 ：随着供电系统逐渐向特高压、大容量等方面发展，及 社会的发展趋势和对电源安全性要求的增加，重要设备突发故 障的预防、监测及控制是确保可靠供电的重要手段。电力系统中 电力变压器的正常运行对电网运行、用户供电有着极其重要的 作用。所以，即时并定期地在线监控电力变压器的工作状况，以 及时发现变压器设备早期绝缘问题， 从而防止事故发生， 缩短了 不必要的停电维护和时间， 增强电源安全性， 防止电气设备非正 常停机，对电网的安全运营和用户的安全供电都有着重要意义。 本文分析了电力变压器常见的故障，提出了变压器故障在线监 测方式。
关键词 ：变压器,在线监测技术
交流变压器在供电系统中主要承担功率的调整、负载的变换 及其传输的功能。由于变压器一直处在工作中，从而不能防止问 题的发生，造成变压器发生问题的因素众多，如变压器在检测、 保养、维修过程中，没有严格遵照标准规范运行，自然灾害，变 压器长时间工作使质量逐渐恶化等都可能造成变压器发生问题。 由于事故不能防止， 故对变压器问题进行早期检测十分关键。
1 变压器监测发展概况
早期主要利用现场设备监视水温、油位和操作声响，以及 根据状态定期检测等对电力变压器实施检测。虽然定时检修有 自身的科学价值与合理性，但此类检测模式具有如下缺点 ：工 程量较大，检测成本高昂 ; 隐患检出率不高 ;容易出现过度检测， 在检修中增大了产生新隐患的概率 ;检测时需停电，提高了误操 作概率 ; 新科技发展趋势使得原有的检测管理方法、规范和工艺 都与现实相悖 ; 原计划检测的周期与装置寿命和故障规律相悖 等。根据变压器等早期检测模式所面临的问题， 中国国家电网集 团从二零零六年初开始进行状态检测， 二零零九年五月， 又提出 了智慧电网发展规划。随着中国智慧电网建设的深入， 变压器智 能在线监测技术也成为中国智慧电网的研发热点之一。目前中 国国内已对变压器的在线检测原理研发有多个方案，如对变压 器设备局部放电、油色谱分析、铁心多点接地等在线检测系统， 但主要按照单项原理进行技术开发及研制，若想获取变压器的 各种故障信号，在现场往往需要同时配置多套装置和后台设备， 因此存在着占地空间过大和后台装置的重复设置等问题。
2 变压器局部放电在线监测技术
随着在交流变压器局放过程中形成的电脉波、电气辐照技 术、超声测试技术、光等现象，也相应形成了脉冲电流法、超声 测试法、光测法、射频测试法， 以及UHF 的超高频测试技术。
2.1 脉冲电流法
当变压器系统内发生局部放电后，所产生的高频率脉动电 压可通过罗可夫斯基的导线探测变压器中性点、外壳连接线处的脉动电压，或用观察计捕捉与变压器内高压水管抽头连接的 脉动电压， 由此确定变压器系统内有无产生过局部放电。这种技 术一般用于测量高脉冲电流信号的中低频部分，一般为数 kHz 至几百 kHz(至多数 MHz)，其优点是检测精度好、放电的分量 很容易确定等。
2.2 超声检测法
用装设在变压器油箱壁上的超声波传感器，吸收由变压器 设备的局放发出的超声波来测量局放的高低和位移。一般选用 的超声波传感器是压电传感器，为了避免棒心的电磁噪音和电 力变压器的机械震动噪音， 使用的频率范围是 70kHz ~ 150kHz。 超声波检测法是用来确定判断是否存在局放现象，通过电脉冲 频率或直接通过超声波频率对局放源的物理位置。
2.3 光测法
光测法是指使用局放产生的光射线加以测量。当变压器内 出现局放现象时， 通过超声波传感器在油中传递， 这样机械力波 压迫光缆， 造成光缆改变， 进而使得光缆的折射率和光纤长度改 变，进而使得光波被调节，利用相应的解调仪可以检测出超声 波， 以便实现放电定位。
2.4 射频检测法
利用罗哥夫斯基线圈可以在电气设备的中性点上直接接地处 测取信息，检测的数据范围达到30MHz，大大提高了局放的检测 能力。该检测系统设置简单，测试设备不会影响电力系统的工作模 式。但针对三相变压器来说，该检测设备所获取的信息往往只是三 相局放量的总和， 而不能加以识别， 因此工作过程易受外部影响。
2.5 超高频检测法
根据常规测试手段的缺陷，近年来产生了一种全新的测试 手段—超高频电子标签测试技术。超高频电子标签局放测试通 过计算交流变压器的局放产生的超高频(300MHz ~ 3000MHz) 电信号，从而进行局部放电法的测试和确定，但 UHF 法与脉 冲电流法有所不同，脉冲电流法的高频测试幅度通常不大于 1MHz， 而 UHF 法的高频幅度通常是 300MHz ~ 3000MHz。脉 冲电流法中试品作为一种集中参量的相对地电容器，在产生一 次局放电压时，中试品电容器二端形成了一种瞬时的电流变化， 而这种相互耦合容量就在检测阻抗中形成了一种脉动电压 ; 而 UHF 法的传感器并不是起电容相互耦合的功能，而只是接受超 高频电子标签信息的天线。
3 变压器在线监测原理
3.1 铁芯接地电流在线监测
对工作于一般的变压器系统来说，其里面由绕组和油箱所 组成的电场都是不均衡的电场，而由于变压器系统的元件又处 在这个不均衡的电场中， 势必会在这个元件中产生电位差， 因此 当电势差超过了规定程度时进行发电导致了变压器绝缘断裂，造成绝缘破坏的故障。通过测量铁心的接地电压， 能够看出变压 器系统内是不是有异物、绝缘程度、油箱油泥状况，以及接地故 障。变压器铁心接地电压信息采用传感器不失真的方式采集， 而 铁芯相对地泄露输出电压信息经过信号运算、放大滤波之后可 以及时检测出来，出现异常状况时可以进行采取相应控制措施， 或由在线的监控管理系统及一体化平台解决，以防止交流变压 器故障的出现。
3.2 变压器类绕组变形、温度在线监测
因为变压器的设备设计技术和结构设计能力限制，在设备 出现问题后，该类器件在受到很大影响时绕组的高输出电压和 导热效应的影响下会对变压器设备的部件造成热效应，一旦这 些变化继续出现将对变压器的健康运行造成不良影响，绕组变 形的检测能够即时监控绕组温度变化使失效部件得以有效更 换，延长装置的实际使用寿命。一般可以采用直接测温、间接测 量和模拟法试验实现对绕组热点的检测，其方法可利用对低压 或太热绝缘油中的空气开展色谱分析， 即可实现。
3.3 局部放电在线监测
变压器、电抗器以及充油设备的绝缘油中如存在气隙大小， 在施高压的情况下气隙大小就可击穿而引起部分释放、使润滑 油的结构老化、泡沫数量增加， 并形成新的泡沫甚至产生药用高 分子蜡状物， 进一步促使部分释放。而局部放电检测则是指利用 测量在部分释放中出现的声、光、电、气体等物理量，来确定的 部分释放、部分释放大小以及释放位置。现代变压器设备部分释 放的检查技术主要包括了脉冲电流法、超声波法、光测法、射频 检测法、音 - 电结合、声 - 光结合、信号识别技术等手段。要把微 小的内部放视觉信息在强大的外部电磁辐射中测量出来，最关 键的工艺技术就是减少或抑制电磁辐射干扰。采用超高频电子 标签测量的局部放电，是指依据尖峰额定电流沿一定电流密度 的磁场走向，以一定速率流过。通常通过TEM 波进行的电池放 电测量。一般测量区域可以超过数MHz 范围。但因为这种测量 方法易引起环境扰动，因此必须采用外部干扰的测量设备进行， 以减少对环境干扰。
4 常见的故障
4.1 变压器渗油
变压器设备漏油是比较普遍的问题之一 .漏油严重损害变压 器绝缘能力，漏油严重也会对附近的周边环境造成危害 . 为变压 器设备的工作埋下隐患 . 严重时可能会造成变压器停产或者破 坏，给公司造成很大的经济损失 .所以，对变压器漏油的故障要 加以注意。油箱焊缝外渗，根据油箱的各个泄漏点采用了不同 的方式进行了焊接补漏 .平面处即可完成焊缝 .在拐角或增强筋 的地方，能够通过炙手可热完成补焊。高压套管可以升高座及 进人口法兰渗油。针对于上述地方的渗漏油问题 .可施胶进行封 诸，在通常情况下能够达到很好的防止泄漏的功效。低压侧套管 泄漏。这些情况都是由于导线偏短而造成的，因此可以增加导线 的直径，或者增加外封胶粘剂、抽象铜质压帽等措施，来实现防 止泄漏。耐爆管极易渗油。而耐爆管则在变压器设备工作过程中 易引起振动问题破裂 . 如果没有对破损的玻璃膜进行有效的更 换 . 则会造成绝缘层潮湿 .从而影响交流变压器的绝缘水平 .直接影响了变压器的安全性 .所以， 必须将防爆管改为高压释放阀。
4.2 分接开关故障分析
通常，分解的事故可以包括为有载事故和无载事故二类。同 时，无载分接开关所对应的工作时刻以变压器设备终止工作的 时刻为首，此时即使变压器设备不工作，也不会产生激磁电流， 若分接开关电源出现了问题， 则会改变绕组的实际匝数， 从而引 起变压器的电流变化的各种现象。
4.3 铁芯故障分析
定子是变压器主要的基本单元之一，也是变压器装置上最 易出现问题的部分。一般情况下， 变压器铁心问题是由于铁心部 分出现松动， 偏离原来的与接地铁心进行直接接触， 变压器内焊 把松动也属于正常情况，进而过热、产生外放电等情况，损害变 压器自身绝缘性能造成的。
4.4 绕组故障分析
变压器缠绕在铁心上，和铁心一起进行交流压力的变化，同 样也是变压器上重要的基本单元。变压器故障一般变现是绕组 老化问题， 此类故障大多是由主变压器近区故障或内部潮湿， 造 成变压器故障引起的。
5 基于变压器在线监测技术检测应用
5.1 气象色谱在线监测技术的运用
气象色谱仪的应用在现今的供电业务中仍然具有很大的使 用量， 其简便小巧， 测量精确且传播速度快等的特性也使之受到 了人们普遍青睐。在通过气相色谱法实现变压器在线检测的流 程中需要先通过高分子材料层与空气隔开，然后再通过色谱仪 将物质的含量和种类加以计算，测量数据就可以传输到连接互 联网的主机上，再经过这样一连串的流程实现对变压器的实时 检测。当前， 在这一领域技术设备中拥有最先进水平的是由重庆 大学超高电压及电工与新材料教育部重点实验室开发的 SPJC在 线色谱检测技术，其所采用的渗透层都是nm 型材料，从而产生 了良好的隔离作用，与此同时也使原有油气分离过程里最繁琐 的几个过程都实现了简单化，从而极大地提高了检测的效果和 准确度， 也无形中减少了对检测的投入。
5.2 变压器油温在线监测技术的发展运用
变压器设备在工作过程中产生的油温过高，很容易对其本 身的寿命产生负面影响， 同时还会影响设备工作的稳定性， 所以 通过监控变压器设备的油温就可以在很大程度上消除一部分的 故障情况， 但因为其测量方法相当麻烦， 所以很难直接对其进行 现场监控。由于近年来计算机与网络技术的快速发展， 在线监控 变压器设备系统油温已变成了能够做到的主要技术，而这一监 测技术又大大增加了对变压器故障防范的可行性，从而大大提 高了变压器设备控制系统的稳定性， 也改善了其寿命， 在这个控 制系统中， 直接监控油温的方式为间接模拟测温的方式， 所使用 到的应用软件控制系统由前端数据信息收集系统、通信控制系 统、转接器部门、监控电机部门等智能硬件部分，以及电脑仿真 分析等应用软件控制系统的配合下完成的，这一系统软件科技 的发展也给变压器设备控制系统的稳定性添加了一个保护，增 加了对供电人的信任度，给变压器设备控制系统的平稳工作带 来了重要的保障。
5.3 变压器微水在线监测技术
在线检测技术是目前变压器设备油中微水检测的重要趋势。 变压器设备微水在线监控信息技术一般由数据采集系统、感应 器和数据处理系统所构成。感应器通常采用电容传感器， 将由电 容传感器收集到的信息数据传输给数据测量设备之后，再使用 电磁谐振方法实现微体积的检测， 终于实现大分析。而目前的变 压器微水的检测设备都配有温度传感器，可以检测变压器设备 的水温，从而补偿环境温度变化对纸板介电功能和物力特征的 干扰，以便减少了现场检测设备对实际使用环境中水量检测数 据结果的影响， 更有效的反映出了绝缘卡纸上的水份浓度， 从而 达到对变压器油中微分的精确检测。
5.4 变压器铁芯接地
电压在线检测的大型变压器在正常有载工作时，其铁心部 的接地电压变化极小， 一般仅为几毫安至数十毫安之间， 而当电 力变压器内部产生的非正常如绕组或多点连接等故障问题发生 时，其铁心部通过的电压变化将增加到几安沛乃至数十安培， 而 过大的电压变化则会造成铁心部不平衡发热，重大时引起铁心 签局部烧毁以致需要替换铁心硅钢片，也可以引起轻瓦斯告警 或者重瓦斯动作， 而这种故障问题在初期无明确特别， 但进展到 后期则将加重至需要立即停机主变大修，从而危害电力运行的 安全可靠经济运行。铁心接地电流在线检测系统采用了在铁心 接地导线处安装传感器的方法完成正常工作状况下的电流实时 检测，同时传感器也可以与电流互感器及并联的无感电阻等构 成套装，将由传感器得到的流电量信息再利用数字信号处理方 式加以运算，从而能够同时解决了铁心在正常工作状况下流经 的较小电流不易检测的问题，并可实时指向到站后台进行高阈 值的告警功能。
5.5 冷却器运行监测
冷却系统中最常见的故障方式就是泵和风机的故障。通过 不断的计算泵和风机的工作状态，来判断其是不是处于所设定 的状态或关闭状态。它既可以通过计算流经泵和风机的水流量， 和计算与其有关的控制冷却系统的油温来完成 ;也可通过计算泵 和风机的流量和上层水温来完成。工作模式根据额定电流值而 改变。正常运转模式通常能够指示风机叶和水泵叶轮的正确运 转方向，而非正常运转模式则往往是由于这些装置的控制电流 互感器失常的结果。而引起泵轴承行业故障的原因可能是金属 微粒。而金属微粒同时也是潜在的介质杀手。使用检测轴承金 属损坏的传感器也是切实可行的，因为这种超声波传感器可以 植入气泵轴承内，通过检测轴承长度就可以判断是不是发生了 金属损坏。目前，已经可以进行了离线检测。还有，包括对变压 器油中微水、变压器的工作温度变化分布(以确定绕组最热点工 作温度) 以及纸绝缘的衰减参量等的现场检测，但目前没有更好 的解决办法， 并且正在积极探索中。
5.6 局部放电在线监测技术的运用
(1) 差分法。这个办法最主要是在日本首先研发起来的。方 法是把两个金属材料箔在粘合剂的作用下，粘到了电缆之间连 接处的两个金属屏蔽层上，这就等于是在金属材料箔与遮蔽层 之间，产生了一个电流将近2000pF 的等价容量。接着，再把一条 50ω 的电阻线连接在金属材料箔的中部，将等价容量，电阻与电缆之间的金属材料绝缘层组成了一个可以测试的电路。如果电流 在电缆的某一头发生了放电的现象， 等效容量就会和电信号产生 了耦合的效果，这样在测试电路当中就有电流形成了，从电流中 就能够测量到电信号。测量到电讯号以后，对电讯号进行频率的 分析就可以知道，如果频率分析的频段都是在 10MHz ~ 20MHz 左右， 那么就可以得知这时的峰值信噪比是最大的。
(2) 方向耦合法。这个技术中最大的组成部分就是方向耦合 器，方向耦合器是由罗格夫斯基导线，极板和二个终端电阻所 构成的。这个技术也可以产生一种等效的电容于金属屏蔽层上 的电极板中间。工作的基本原理就是在电缆中间接头的二端中 将信号通过耦合装置放入，当导线上出现了一个局部的放电信 号之后， 电信号就由电缆中间接头的输出部分传入另一端， 这样 就相当于在等效电容和线圈中能够检测出脉冲的信号。由于局 部放电而形成的讯号是有特定的传递方位的，而传递的方位又 是通过耦合的频率与耦合讯号的强弱联系决定的，经过对这个 位置的判别就能够找出发生释放讯号的地方。方向耦合法是比 较常见的方法， 主要的优点就是灵敏度很高， 而且检测的频带较 宽，有很强的抗干扰能力。
(3) 超高频电容耦合法。主要的解决办法就是把接头周围的 电缆从上外防护罩中切下去一部分，这么做的目的就是把外导 电层的金属箔当做一个电极用， 接着用电线加以连结， 使阴极和 外屏蔽层连在一起，这时就由电容耦合器输出了一个人能够侦 测到的讯号。当电流达到低频时， 由于外零点五导电层的阻力较 小，耦合器也就无法把绝缘破坏掉。当电压处于高频时，就可以 很好很轻松的检测到放电的信号。
6 变压器在线监测要注意的事项
在对变压器状态进行在线监测时要注意一些事项，一旦没 有注意到这些事项很容易对人员造成生命安全的威胁。首先， 是 要按照变压器的重要程度以及变压器所处于的危害程度来给变 压器进行级别的分类，例如有一些供电所的变压器并不能起到 很大的作用， 这样的变压器就可以分为等级比较低的一等。同时 对需进一步监测的变压器提出详尽的检测方案 ; 其次，在制定了 变压器现场检测的规划以后，还要明确了所要检测的变压器的 具体参数。不同的故障会被测出不同的参数， 这些不同的参数所 对应的故障是不同的，所以需要工作人员进行详细的测定 ; 最后 应该根据资金和技术的水平来确定采用哪种方法进行变压器状 态的在线监测。
7 结语
每一个采用在线检测的方法，都能对电力变压器的故障产生 一种警示的效果，而防患于未然是在电力行业中所必须追求的目 标，在故障出现之前就将故障部位发现并采取相应的安全措施加 以修复，就可以在较大程度上增加安全系数。本文采用介绍变压 器局部放电、油中溶解气体、与铁芯接触等在线检测的方式，提 供结合了各种基本原理的变压器设备智能在线检测方式。
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