【正文】 通過在變壓器本體上安裝瓦斯繼電器，對變壓器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的瓦斯氣體進(jìn)行探測，但其靈敏度與離線實驗室氣相色譜相差較大，并不能作為油中溶解氣體在線分析的有效手段。之后研究工作者將多項技術(shù)應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體分析領(lǐng)域，使其發(fā)展經(jīng)歷了從離線分析(offline)到現(xiàn)場分析 (atline)，最后發(fā)展到定位實時在線分析 (online)的發(fā)展歷程。本部分所講的在線分析方法為基于膜分離的絕緣油中溶解氣體在線分析 [2]。 在變壓器運(yùn)行過程當(dāng)中，其絕緣油、紙等絕緣材料所產(chǎn)生的故障氣體在溶解于絕緣油中的同時也會擴(kuò)散到絕緣油表面，在一定的溫度及壓力下達(dá)到溶解和擴(kuò)散的動態(tài)平衡，平衡后的氣相中氣體的體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)有一定的換算關(guān)系，因此通過測定油面上方的氣體體積分?jǐn)?shù)，即可得到油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)。同理，油氣分離膜對故障氣體進(jìn)行油氣分離的過程還包括了氣體在油氣分離膜中的溶解與擴(kuò)散的過程，在一定的溫度與壓力下，膜的油氣分離過程達(dá)到動態(tài)平衡后，油氣分離膜氣相一側(cè)中氣體體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)同樣具有換算關(guān)系，因此通過測量油氣分離膜氣相一側(cè)中氣體體積分?jǐn)?shù)可計算得到油中溶解故障氣體的體積分 數(shù)。 膜對故障氣體的油氣分離過程實質(zhì)上是對油中溶解氣體的傳遞與油的截留過程，其分離過程的推動力是氣體在膜兩側(cè)的分壓差。用于油氣分離的膜材料多數(shù)為高分子聚合物，根據(jù)其橫截面的形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異可分為無孔膜和多孔膜。 變壓器絕緣油中溶解氣體定量分析方法 分布式氣體傳感器 即傳感器陣列法，這種方法利用對不同種類氣體敏感程度不同的氣體傳感器組成傳感器陣列，采用多傳感器信息融合技術(shù)對混合氣體中的氣體組分進(jìn)行定量分析。由于氣體傳感器多數(shù)具有交叉敏感的特性，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，或者結(jié)合模式識別 技術(shù)如 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論計算得到氣體各組分的體積分?jǐn)?shù)。因此采用這種方法實現(xiàn)對變壓器油中溶解氣體在線定量分析時，需要解決氣體體積分?jǐn)?shù)測量靈敏度、準(zhǔn)確性和精度等問題 [3]。 傅里葉紅外氣體分析 傅里葉變換紅外光譜法（ FTIR）是基于光的干涉原理來對氣體進(jìn)行定量分析的方法，其具體方法如圖 21 所示。待測氣體充入氣體池后，將其置于邁克爾遜干涉光路中。測量開始后首先移動動鏡，使得待測氣體產(chǎn)生強(qiáng)度不斷變化的干涉波，利用探測器得到干涉波的強(qiáng)度，經(jīng)過傅里葉變換后得到待測氣體的光譜圖。通過分析待測氣體 光譜圖即可以對其進(jìn)行定性和定量的分析，進(jìn)而得到氣體的體積分?jǐn)?shù)。 圖 21 傅里葉變換紅外光譜法原理圖 傅里葉紅外是一種不分光紅外分析方法，對氣體定量分析的靈敏度較高，對故障氣體中 CH C2H C2H C2H CO 及 CO2 氣體的定量分析都可達(dá)到μ L/L 的分辨力。但是傅里葉紅外方法所需的氣體池大小通常在 100mL，因而對故障氣體的油氣分離技術(shù)要求較高 [4]。 絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測難點(diǎn) 變壓器故障氣體一經(jīng)產(chǎn)生后溶解于絕緣油中，在對其進(jìn)行定量分析前需將其從變壓器絕緣油中脫出 ，因此油中溶解氣體在線分析中的關(guān)鍵技術(shù)以及難點(diǎn)包括油氣分離技術(shù)和氣體定量分析技術(shù)。不同的油氣分離方法與氣體定量分析方法的應(yīng)用機(jī)制不同，研究側(cè)重點(diǎn)也有所不同。早期的故障氣體油氣分離技術(shù)主要有多普勒脫氣法和部分脫氣法，近年來，利用各種高分子膜對變壓器故障氣體進(jìn)行油氣分離成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn) [5]。 3 基于光纖技術(shù)的變壓器內(nèi)部溫度在線監(jiān)測 變壓器內(nèi)部溫度在線監(jiān)測原理 油浸式變壓器內(nèi)部溫度 ,特別是主要部件 (繞組、鐵芯和絕緣油等 )溫度是表征變壓器內(nèi)部熱特性的主要參數(shù) ,也是熱故障發(fā)生時最主要的體現(xiàn)因 素。研究變壓器內(nèi)部發(fā)熱機(jī)理和熱傳遞過程 ,建立內(nèi)部溫度場模型和熱故障閥值條件 ,并以此設(shè)計變壓器內(nèi)部溫度在線檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。自 60年代以來 ,國內(nèi)外學(xué)者已對變壓器內(nèi)部熱場開展了一些研究 ,主要采用溫度間接計算法和溫度直接測量法測得了變壓器內(nèi)部部分溫度參數(shù)值 ,并制定了一些相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則 (如 :油浸式變壓器負(fù)載導(dǎo)則等 ),規(guī)定內(nèi)部主要部件安全工作溫度以及溫升限值。由于文章篇幅限制，本文只介紹溫度直接測量法。 變壓器溫度直接測量法就是在變壓器內(nèi)部主要部件 (繞組、鐵芯和絕緣油等 )等待測點(diǎn)附近安裝溫度傳感器 ,或利用手持紅外溫度測量儀直接測量待測點(diǎn)附近的溫度。變壓器溫度直接測量中采用的溫度傳感器可分為傳統(tǒng)式溫度傳感器和非傳統(tǒng)式溫度傳感器 ,傳統(tǒng)式溫度傳感器包括鈾熱 (銅 )電阻、紅外溫度、聲頻溫度傳感器等 。非傳統(tǒng)式主要為光纖溫度、半導(dǎo)體溫度傳感器等。 油浸式變壓器內(nèi)部環(huán)境惡劣 ,電磁干擾強(qiáng) ,傳統(tǒng)測量方式往往具有抗電磁干擾能力和抗腐燭能力差、不易組網(wǎng)等特點(diǎn)影響其在變壓器內(nèi)部的測溫性能和壽命 ,而上世紀(jì)末興起的光纖溫度傳感技術(shù)具有測量精確度高、響應(yīng)時間快、易于組網(wǎng)、抗腐燭和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,其在變壓器溫度監(jiān)測領(lǐng) 域已得到了一定的應(yīng)用。目前變壓器中應(yīng)用的光纖溫度傳感系統(tǒng)根據(jù)傳感原理主要分為光纖光柵測溫和光纖半導(dǎo)體測溫系統(tǒng)[6]。 基于光纖技術(shù)的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測方法 基于光纖技術(shù)的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測主要采用光纖半導(dǎo)體溫度傳感系統(tǒng)。光纖半導(dǎo)體溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示 ,系統(tǒng)主要由寬帶光源、多模光纖、新型反射式結(jié)構(gòu)傳感探頭、基于 CCD 衍射技術(shù)的波長解調(diào)系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)等五個部分組成。 光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離器、 3dB 稱合器通過多模光纖進(jìn)入半導(dǎo)體傳感探頭。光線從同一側(cè)進(jìn)出 ,使入射和出射光 共用一根光纖。入射光纖的光穿透過 GaAs 片的透射膜面后透過 GaAs 片在涂有反射膜的端面發(fā)生反射 ,反射光又經(jīng)過透射膜后經(jīng)光纖返回。返回的光經(jīng)過稱合器的另一端多模光纖進(jìn)入基于CCD 的透射式衍射波長解調(diào)系統(tǒng) ,把波長的變化信息轉(zhuǎn)化為電信號 ,最后通過計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算和顯示 ,從而實現(xiàn)半導(dǎo)體溫度的實時在線測量。 圖 31 光纖半導(dǎo)體溫度傳感系統(tǒng) 變壓器內(nèi)部溫度在線監(jiān)測難點(diǎn) GaAs 探頭是整個傳感系統(tǒng)的敏感元件 ,其結(jié)構(gòu)設(shè)計是溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計難點(diǎn)和關(guān)鍵 ,直接影響系統(tǒng)響應(yīng)時間、測溫范圍以及精確度等性能指標(biāo) 。同時光纖與半導(dǎo)體材料(GaAs 薄片 )的耦合設(shè)計又是傳感探頭制作的難點(diǎn)與關(guān)鍵關(guān)鍵 ,耦合效率越高 ,損耗的光強(qiáng)越小 ,接收到的有效光信號就越強(qiáng) ,同時也能有效減小隨機(jī)耦合進(jìn)的其它干擾。 4 變壓器振動信號在線監(jiān)測 變壓器振動信號在線監(jiān)測原理 電力變壓器在運(yùn)輸和安裝過程中很難避免機(jī)械碰撞 ,同時由于雷電沖擊等高強(qiáng)度的重載或短路電流會使線圈、引線、分接開關(guān)等部件會受到巨大的電磁力沖擊 ,在這些因素的影響下 ,電力變壓器的繞組和鐵芯可能發(fā)生松動。同時 ,剖析電力變壓器短路事故發(fā)生的原因可以知道 ,因一次短路引起的鐵芯和繞 組夾緊力的減小現(xiàn)象 ,會不斷累積導(dǎo)致電力變壓器抗短路能力顯著降低 ,絕緣老化速度加快 ,最終誘發(fā)嚴(yán)重的事故。因此 ,預(yù)測繞組和鐵芯的壓緊狀況對于是否對大型電力變壓器進(jìn)行吊罩維修有指導(dǎo)意義。 變壓器在正常運(yùn)行時 ,硅鋼片的磁致伸縮會引起鐵芯振動 ,同時繞組在負(fù)載電流的電磁力作用下產(chǎn)生振動。耦合之后的振動通過器身和冷卻系統(tǒng)傳遞到變壓器的油箱 ,引起油箱的振動。變壓器油箱表面的振動與變壓器繞組及鐵芯的壓緊狀況、位移和繞組的變形程度有十分密切的關(guān)系。 運(yùn)行中的變壓器繞組線圈可以看作一個受到外界激勵的質(zhì)量一剛度一阻尼機(jī)械振動結(jié)構(gòu) ,由于受到強(qiáng)大的電磁力 (特別是超載或短路大電流引起的巨大電磁力 )沖擊 ,作著復(fù)雜的機(jī)械振動 ,整個繞組帶動著鐵芯、絕緣墊塊和夾件等結(jié)構(gòu)發(fā)生振動 ,通過器身和油介質(zhì)傳遞到變壓器箱體表面 ,同時以聲波的形式向外擴(kuò)散。而傳統(tǒng)的電測量方法對于此類故障的監(jiān)測之所以始終只能起到定性參考的作用 ,正是由于運(yùn)行中的繞組和鐵芯的機(jī)械類故障 ,如構(gòu)件的松動、變形最直接的表現(xiàn)形式是機(jī)械振動和聲波 ,而互感、電感、電容、阻抗等電參量的變化都是這些故障的間接表現(xiàn)。 因此 ,通過振動分析法 ,即通過分析變壓器箱體表面的振動信號來監(jiān)測繞組的變形程度和鐵芯的 狀況是切實可行的 [8594],是對電力變壓器在線監(jiān)測與故障診斷體系的一個有力補(bǔ)充和完善。與現(xiàn)有的變壓器繞組變形測試技術(shù)相比 ,振動分析法與整個電力系統(tǒng)沒有電氣連接 ,對整個電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行無任何影響 ,可以安全、可靠地達(dá)到在線監(jiān)測的目的 ,不僅可以檢測出短路引起的繞組變形故障 ,還可以檢測出鐵芯、分接開關(guān)等結(jié)構(gòu)件的松動故障。 變壓器振動信號在線監(jiān)測方法 電力變壓器油箱一般嚴(yán)格接地 ,但周圍又難以避免地受電磁場干擾 ,因此油箱表面的振動信號屬于電氣機(jī)械振動信號 ,其振動頻率范圍大致在 10 一 2022Hz,振幅在 一50μm 之間 [138]。結(jié)合油箱表面振動信號的特點(diǎn) ,選擇壓電加速度傳感器 ICP601AOI,如圖 4— 1 所示 ,其主要電氣及機(jī)械參數(shù)列于表4— 1。 圖 4— 1 ICP601A01 振動加速度傳感器 表 4 一 1 壓電加速度傳感器 ICP60IA01的參數(shù)列表 在振動測試初始 ,為了尋找合適的測試位置 ,即最能反映箱體振動特征 ,能最大限度避免繞組和鐵芯振動衰減 ,需要選擇多個振動傳感器 ,如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳書有共選擇了 8 個振動傳感器 ,分別固定在變壓器油箱側(cè)面和上下端部 ,其中油箱側(cè)面布置 6 個振動傳感器 ,油箱上下端 部各布置 1 個振動傳感器 ,位于上下端面的正中間。 測試過程中 ,要求傳感器被固定后的安裝諧振頻率遠(yuǎn)大于待測振動信號頻率范圍的上限 ,并且在各個方向上需要保證傳感器與箱體表面不存在相對滑動 ,接觸要良好 [7]。 變壓器振動信號在線監(jiān)測的難點(diǎn) 從振動分析方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看 ,研究過多集中在對變壓器繞組和鐵芯振動的理論方面 ,其理論基礎(chǔ)已經(jīng)相對比較完善 ,但是對變壓器箱體表面的振動信號的預(yù)處理和特征提取方法缺少足夠的重視 ,忽視了除能量分布以外的其他信息 :同時目前基于模型的振動預(yù)測均采用有限元建模的方式 ,而 由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,使對模型邊界處理、變壓器油以及支撐單元的處理很難把握 ,難于處理。 5 結(jié)語 絕緣性預(yù)防實驗在變壓器故障診斷中，雖然發(fā)揮了及其重要的作用。但近年來愈來愈多的電力工作者從實踐中意識到，過去的試驗方法已不能滿足現(xiàn)在的技術(shù)需要。預(yù)防性試驗存在著許多缺陷，如進(jìn)行試驗時需停電，直流試驗不能等效替代交流運(yùn)行電壓的作用等，而變壓器在線監(jiān)測技術(shù)有效的彌補(bǔ)了這些缺陷。因此。變壓器在線監(jiān)測技術(shù)也成為了目前變壓器故障研究的熱點(diǎn)。 參考文獻(xiàn)： [1]王曉鶯 王建民 . 變壓器故障與監(jiān)測 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社 .2022. 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