【正文】 136 參考文獻(xiàn)（ References） 138 致謝 150 附 錄 1 標(biāo)題 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附 錄 2 標(biāo)題 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第一章 緒論 變壓器在線監(jiān)測(cè)的意義 伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)行水平也在不斷提高，各級(jí) 調(diào)度中心要求更多的信息，以便及時(shí)掌握電網(wǎng)及變電站的運(yùn)行情況，提高變電站的可控性，進(jìn)而要求更多地采用遠(yuǎn)方集中控制、操作、反事故措施等，即采用無(wú)人值班的管理模式，以減少人為誤操 作的可能性，提高運(yùn)行的可靠性。同時(shí)在簡(jiǎn)化系統(tǒng)，信息共享，減少電纜，減少占地面積，降低造價(jià)等方面變電站已改變了運(yùn)行的面貌，變電站自動(dòng)化己轉(zhuǎn)向了實(shí)用化階段。國(guó)家電網(wǎng)公司先后出臺(tái)了《國(guó)家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》、《關(guān)于開展電網(wǎng)運(yùn)行管理控制技術(shù)研究和推廣應(yīng)用的實(shí)施意見》，將變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)、高壓輸變電主設(shè)備安全運(yùn)行技術(shù)作為重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，以便為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供必要的技術(shù)支持和保障。截至 20xx 年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已超過(guò) 5 億千瓦，預(yù)計(jì)到 2020 年我國(guó)人均裝機(jī)容量將達(dá)到 千瓦，總裝機(jī)容量也將超 過(guò) 10 億千瓦。在電網(wǎng)規(guī)模如此大，電壓等級(jí)如此高的情況下，一旦發(fā)生大面積的停電事故，將給國(guó)家造成巨大損失，給人民帶來(lái)巨大不便，電力系統(tǒng)的可靠性問題就顯得尤為重要。電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的、最昂貴的設(shè)備之一，它的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)是否安全、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。電力變壓器是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵?，是?guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和千家萬(wàn)戶能量來(lái)源的必經(jīng)之路。如果一臺(tái)大型電力變壓器在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)發(fā)生事故，則可能導(dǎo)致大面積停電，其檢修期一般要半年以上，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。以一套三相 500 kV ， 360 MVA 的大型變 壓器為例，若發(fā)生絕緣故障，其維修費(fèi)用當(dāng)在數(shù)百萬(wàn)元，停電一天的直接電量損失（按 1 kWh 電 元計(jì)）達(dá) 280 萬(wàn)元，若計(jì)入間接損失和社會(huì)損失，那么它給整個(gè)社會(huì)造成的損失將更大。同時(shí)隨著特高壓項(xiàng)目的起動(dòng)建設(shè)，對(duì)變壓器工作可靠性的要求更高。因?yàn)橐坏┨馗邏弘娋W(wǎng)的樞紐電力變壓器出現(xiàn)故障，其帶來(lái)的損失將是 500 kV 等超高壓變壓器的 3~4 倍甚至更高。變壓器本身也是電力系統(tǒng)中最昂貴設(shè)備之一，單以其本身價(jià)格計(jì)算，進(jìn)口的 250 MVA/500 kV 變壓器平均約 133 萬(wàn)美元 /臺(tái)，國(guó)產(chǎn)同規(guī)格的也可達(dá)到 1000 萬(wàn)元 /臺(tái) 。 電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸變電能的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于變壓器采用封閉式結(jié)構(gòu)，散熱效果差，熱積累大，并長(zhǎng)期處于高電壓、大電流和滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，直接導(dǎo)致熱量集結(jié)加劇、溫度升高，威脅電氣絕緣性能。變壓器過(guò)熱故障是常見的多發(fā)性故障，它對(duì)變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命具有嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)期研究表明，大型電力變壓器的運(yùn)行可靠性在很大程度取決于其絕緣狀態(tài)。大部分變壓器的壽命終結(jié)是因?yàn)槠鋯适Я藨?yīng)有的絕緣能力，而影響絕緣能力的最主要因素是變壓器運(yùn)行 時(shí)的繞組溫度。變壓器繞組最熱點(diǎn)的絕緣會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而老化。若繞組最熱點(diǎn)的溫度過(guò)低，則變壓器的能力就沒有得到充分利用，減低了經(jīng)濟(jì)效益。熱點(diǎn)溫度如超過(guò)允許限值，不僅會(huì)影響變壓器使用壽命，還將對(duì)變壓器安全運(yùn)行造成威脅。因此有必要對(duì)電力變壓器的繞組溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，防止變壓器過(guò)熱以保證變壓器安全運(yùn)行和延長(zhǎng)其設(shè)備壽命。 變壓器運(yùn)行時(shí)，有一部分電磁能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。也就是說(shuō)，在變壓器運(yùn)行時(shí)，在鐵心、繞組和鋼結(jié)構(gòu)件中均要產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪l(fā)散到周圍介質(zhì)中去，從而引起變壓器發(fā)熱和溫度升高。隨著繞組及鐵心溫度的升 高，它們與周圍的變壓器油通過(guò)散熱器將熱量傳遞給外部冷卻介質(zhì)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，繞組、鐵心和油的溫度上升達(dá)到穩(wěn)定。一般來(lái)講，由于產(chǎn)生的損耗不同，變壓器內(nèi)部各部分的溫度也不同，繞組最高，其次為鐵心和變壓器油。從變壓器絕緣運(yùn)行壽命看，一般認(rèn)為應(yīng)遵循六度法則：變壓器繞組年平均溫度為 98 攝氏度，每上升或降低 6攝氏度，則變壓器壽命降低一半或延長(zhǎng)一倍。所以，變壓器溫度在線監(jiān)測(cè)對(duì)保證安全和延長(zhǎng)設(shè)備壽命都有重要意義。 背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)的范圍很廣，主要包括： ( 1) 利用光纖傳感器監(jiān)測(cè) 變壓器的過(guò)熱故障 , 并通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)顯示變壓器各熱點(diǎn)的運(yùn)行溫度； ( 2) 監(jiān)測(cè)油中可燃?xì)怏w總量； ( 3) 在線監(jiān)測(cè)局部放電 , 包括電氣局部放電、聲音局部放電、超高頻局部放電、靜態(tài)局部放電； ( 4) 在線監(jiān)測(cè)套管的功率因數(shù)和電容； ( 5) 在線監(jiān)測(cè)油中濕度、溫度、酸度； ( 6) 在線監(jiān)測(cè)負(fù)載電流； ( 7) 在線監(jiān)測(cè)繞組頂部和底部油溫； ( 8) 在線監(jiān)測(cè)鐵心接地故障和繞組缺陷； ( 9) 在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油柜的油位 , 通過(guò)安裝傳感器提供油滲漏信息； ( 10) 在線監(jiān)測(cè)冷卻裝置的功能及運(yùn)行情況。 在線監(jiān)測(cè) 變壓器油溫和繞組熱點(diǎn)溫度對(duì)早期診斷變壓器故障十分重要， 但是因變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 影響其安全運(yùn)行的因素較多， 使得在線監(jiān)測(cè)的難度很大。過(guò)去一般采用間接的模擬測(cè)量方法，準(zhǔn)確性差，而且不及時(shí)。因此，準(zhǔn)確測(cè)量油溫 (尤其是其熱點(diǎn)溫度 )就顯得十分重要。由于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定繞組熱點(diǎn)具有很高的準(zhǔn)確性， 本研究介紹的變壓器在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集不同點(diǎn)的油溫，經(jīng)上位機(jī)智能系統(tǒng)的分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器油的熱點(diǎn)溫度。 光纖傳感技術(shù)種類很多，根據(jù)被外界信號(hào)調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可以將光波的調(diào)制分為光強(qiáng)度調(diào)制、 光頻率調(diào)制、光波長(zhǎng)調(diào)制、光相位調(diào)制和偏振調(diào)制等五種類型。這些類型的光纖傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，傳感器的形式也種類繁多，就目前來(lái)看用于電力變壓器內(nèi)部溫度測(cè)量的光纖傳感系統(tǒng)還不是太多。 國(guó)外對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究，始于 60 年代，但直到 70~80 年代，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、光纖等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，設(shè)備在線診斷技術(shù)才真正得到迅速發(fā)展。 利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系，可以制成半導(dǎo)體透射式和反射式光纖溫度傳感器。半導(dǎo)體材料的吸收波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)位移，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體光源，使其光譜范圍正好在吸 收區(qū)域，這樣透過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度的增加而減少，而從半導(dǎo)體材料反射回來(lái)的光強(qiáng)隨溫度的增加而增加，利用光探測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)的大小進(jìn)而檢測(cè)出溫度。 國(guó)外已嘗試?yán)冒雽?dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電力設(shè)備的溫度狀況進(jìn)行檢測(cè)，而且取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)有學(xué)者用砷化鎵半導(dǎo)體晶片做敏感元件，用發(fā)光二極管做光源，光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)成了半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器并對(duì)其進(jìn)行了研究。這種傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低廉且便于制作，其主要缺點(diǎn)是這種技術(shù)對(duì)光強(qiáng)度的改變比較敏感，測(cè)量前需要對(duì)光強(qiáng)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定 。因?yàn)楣鈴?qiáng)度不僅與檢測(cè)的溫度有關(guān)，其還與光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏、耦合損耗、光探測(cè)器性能等因素有關(guān)，所以其受干擾的情況也比較嚴(yán)重。 熒光光纖測(cè)溫技術(shù)也是近年來(lái)光纖測(cè)溫領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)光纖傳感器來(lái)測(cè)溫，溫度傳感器采用的是一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料， LED 光源發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器，該脈沖激勵(lì)傳感器的熒光材料，使其產(chǎn)生波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光，根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時(shí)間測(cè)出該傳感器的溫度（需進(jìn)行溫度矯正）。這種溫度傳感器對(duì)變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)在上世紀(jì)八十年 代就有應(yīng)用，典型產(chǎn)品是美國(guó) Luxtron 公司研制的 WTS11 型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在 0~200 ℃范圍內(nèi)，達(dá)到 1 ℃的測(cè)溫分辨率，最快能每 10 s 測(cè)量一次，光纖長(zhǎng)度帶探頭光纖最長(zhǎng)可達(dá)到 10 m，能廣泛應(yīng)用在電力變壓器，負(fù)載的抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)，高壓開關(guān)柜母線溫度和母線開關(guān)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。這種方法一般在制造或繞組改造過(guò)程中埋設(shè)測(cè)點(diǎn)才可能實(shí)施，如能多埋設(shè)幾點(diǎn)可能碰上真正的最熱點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，其價(jià)格也非常昂貴，四探頭的典型價(jià)格為二十多萬(wàn)人民幣。 上述兩種測(cè)溫系 統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)，均為單點(diǎn)式測(cè)量，但是由于其原理上的限制，不能進(jìn)行光路復(fù)用，如果要測(cè)量多個(gè)不同位置，則每個(gè)位置都需要引出光纖。對(duì)于變壓器內(nèi)部溫度的分布測(cè)量需要采用多個(gè)傳感頭，引出多條光纖通道，因此其應(yīng)用會(huì)受到一定限制。 要獲得一定跨度范圍的整個(gè)溫度信息，使用單點(diǎn)移動(dòng)式或由多個(gè)單點(diǎn)組成的準(zhǔn)分布式傳感方式既浪費(fèi)資源又在布線上造成很大的困難，這時(shí)若使用分布式光纖溫度傳感器顯然是最有效的方法。分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿溫度場(chǎng)分布，借助于光在傳輸時(shí)光時(shí)域后向散射技術(shù)，根據(jù)散射光所攜 帶的溫度信息來(lái)進(jìn)行測(cè)量溫度。目前研究最多，最有影響力的基于散射機(jī)理的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)有基于光纖瑞利散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)，基于光纖喇曼散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)和基于光纖布里淵散射的光時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)。以目前的研究成果來(lái)看，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫誤差一般為幾個(gè)攝氏度，定位誤差為一米左右，在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用于電纜的分布溫度監(jiān)測(cè)中。對(duì)于變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)其定位誤差顯然較大，若提高其定位的精度就又會(huì)降低其對(duì)溫度的分辨率，所以這種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。 近年來(lái)迅速發(fā) 展的光纖光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG) 傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)為市場(chǎng)提供了一種新的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖光柵是 20 世紀(jì) 90 年代 發(fā)展起來(lái)的一種新型全光纖無(wú)源器件。當(dāng)外界的被測(cè)量溫度、應(yīng)力等改變時(shí)都會(huì)導(dǎo)致反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。由于光纖光柵對(duì)被感測(cè)信息用波長(zhǎng)編碼，而波長(zhǎng)是一種絕對(duì)參量，它不會(huì)受到光源功率波動(dòng)以及光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響，因而光纖光柵傳感器具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性。由于光纖光柵與光纖之間存在固有的兼容性，容易實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用和準(zhǔn)分布式傳感。 光纖光柵在高壓設(shè)備 溫度檢測(cè)中的應(yīng)用也在研究中，如德國(guó)西門子公司正在將光纖光柵傳感器用于氣冷渦輪發(fā)電機(jī)定子的溫度監(jiān)測(cè)中，光纖光柵經(jīng)過(guò)特殊的封裝，以保證在真空和 4179。 105Pa 壓強(qiáng)下沒有形變，并且對(duì) 160 ℃溫度下環(huán)氧樹脂中的化學(xué)和物理變化不敏感，其目標(biāo)是連續(xù)測(cè)量范圍從 20~ 160 ℃，測(cè)量精度小于 1 ℃。而在國(guó)內(nèi)光纖光柵在高壓設(shè)備中的溫度檢測(cè)的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，缺乏國(guó)家權(quán)威標(biāo)準(zhǔn) , 制造工藝及質(zhì)量控制等方面都難以滿足市場(chǎng)及安裝要求，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)和工藝問題需要進(jìn)一步研究和完善。 分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫精度高， 空間定位準(zhǔn)確。每個(gè)傳感器的長(zhǎng)度為幾厘米，直徑為幾毫米，傳感器之間采用自然連接，耦合器連接或者熔接均可，并且傳感器間距可以從一厘米到幾百米，易于安裝維護(hù)與系統(tǒng)拓展，但是它的不足之處主要是對(duì)波長(zhǎng)移位的檢測(cè)需要較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器。 論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與原有 電力變壓器在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng) 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合 自己的體會(huì)。 本課題主要 研究以下內(nèi)容： 1． 總結(jié)電力變壓器的常見故障類型 2． 總結(jié)電力變壓器的故障檢測(cè)方法 4. 闡述了運(yùn)用光纖光柵傳感器技術(shù)的 優(yōu)勢(shì)； ，主要利用耦合模理論分析了均勻周期光纖布喇格光柵的傳輸特性，并研究了光纖布拉格光柵的溫度特性和應(yīng)變特性； 7. 分析了常用的分布式光纖光柵解調(diào)技術(shù)，并最終選用對(duì)強(qiáng)度波分復(fù)用解調(diào)法進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的在線監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種雙通道分布式光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 。 第二章 電力變壓器的常見故障類型及診斷 變壓器油故障原因及處理 ( 1) 變壓器滲油 變壓器質(zhì) 量問題造成滲油變壓器在制造過(guò)程中因鑄造、焊接質(zhì)量不合格，造成砂眼、氣孔、虛焊、脫焊等現(xiàn)象而使變壓器滲、漏油 . 這就需要加強(qiáng)出廠驗(yàn)收，防止制造缺陷。對(duì)于因鑄造產(chǎn)生的砂眼、氣孔和焊縫、焊點(diǎn)處出現(xiàn)的虛焊、脫焊、裂紋造成的平面接縫處滲油，如果滲漏點(diǎn)較小，可以直接對(duì)其進(jìn)行焊接； 漏點(diǎn)較