变压器故障在线监测的一种方法

林伟哲 周伟波

摘  要： 变压器油中气体在线监测技术是以油中溶解气体为监测对象，应用该技术可及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障。配合计算机系统对故障进行诊断，可以避免部分灾难性事故，实现状态检修、降低维护成本、提高自动化程度，提高变电站运行管理水平。使用开源软件开发了在线监测软件，该软件具有模块化及安全、灵活的数据库操作和跨平台特性，经实验检验达到了设计的目标。

关键词： 变压器; 故障; 在线; 监测; 传感器

中图分类号：TP393          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2015）01-35-03

A method of online monitoring of transformer fault

Lin Weizhe 1， Zhou Weibo2

（1. National 12th Hydro-Power Engineering Bureau， Electricity Install Branch， Lishui， Zhejiang 323000， China; 2. Lishui Tiandi Environment Company）

Abstract： The monitoring technology of gas in oil in the transformer takes the dissolved gases in oil as the monitoring object. The operating condition of the transformer can be monitored timely to discover and track the presence of latent failures. Some catastrophic accident can be prevented with the computer system fault diagnosis， realizing condition-based maintenance， reducing maintenance costs and increasing the degree of automation and improving operational management of the substation. Online monitoring softwareis developed using the open source software， which is modular， has secure， flexible database operations and cross-platform features.The experiment showed that it can satisfy the design goal.

Key words： transformer; fault; online; monitoring; sensor

0 引言

电力系统中最为重要的装置是变压器，变压器在转换电压等级方面发挥了重要作用。变压器中固体和液体绝缘材料被广泛使用，以绝缘纸形式为特点的固体绝缘用来包裹变压器的线圈。在以高电场为特征的电力变压器操作过程中，电弧可能会降低变压器油以及固体绝缘材料的绝缘性，并可能提高变压器油中溶解的气体量。变压器油中溶解气体的分析成为检测变压器状态的一个重要方法[1]。本文探讨实验状态下对变压器油中溶解气体的监测，因为光纤是高绝缘的，传输的是光信号能避免电场和磁场的干扰，该实验通过光纤技术，用光纤传感器监测变压器油中溶解的气体，达到监测变压器状态的目的。

1 系统设计

采用油气分离实现自动脱气，油中脱出的气体在相关控制电路作用下自动进样，进入特制色谱柱进行分离，对于分离出的气体使用特定监测器对其进行监测[2]。监测单元配有通信协议供二次开发[3]。监测单元的主机都可以采用RS-485总线、ModBus通信协议，使用LabVIEW进行编程，将采集到的数据存储到数据库服务器中，实现智能化控制。通过Transfix在线油中溶解气体分析仪利用动态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法技术作气样监测，在变压器内部自动采样，得到油中气体及溶解水的实时数据信息[4]。

1.1 Transfix技术的应用

英国Kelman公司的Transfix在线油中溶解气体分析仪利用动态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法（Photoacoustic Spectroscopy， PAS）技术作气样监测，克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的八种故障气体及微水。可以直接安装在变压器现场，连续自动采样，自动监测油中气体及微水。该分析仪可以通过有线或无线的方式与主控电脑通信，获取油中气体及溶解水的实时数据信息[5]。

1.2 ModBus技术的应用

ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，控制器之间以及控制器经局域网络和其他设备通过此协议通信[6]。不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，它描述了控制器请求访问其他设备的过程和如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。在ModBus网络上通信时，每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。回应时控制器生成反馈信息并用ModBus协议发出。通信使用主从技术，主设备初始化传输（查询），从设备根据主设备提供的数据作出反应。包括确认要行动的域、要返回的数据、错误监测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量[7]。错误监测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法[8]。从设备正常的回应是查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据如寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误监测域允许主设备确认消息内容是否可用。

1.3 LabVIEW技术的应用

虚拟仪器是基于计算机的仪器，按照仪器的需求组织数据采集系统。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了虚拟仪器及函数的执行顺序[9]。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器。LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面。对应的控件与DLL（动态链接库）的内容完全相同，用户界面使用图标和连线，通过编程对前面板上的对象进行控制。

2 硬件安装和故障分析

2.1 硬件安装

把半导晶体光纤传感器预埋在变压器内部需要监测的热点位置，通过法兰盘引到变压器外部。在线圈中安装传感器需要解决安装时机、探头安装位置、如何固定、线圈中如何布线等问题。变压器有低压、中压、高压、调压四个线圈，传感器要安装在高压和中压线圈上，所以传感器要在线圈套装时安装。光纤半导体探头位于光纤线缆末端，为监测线圈温度，探头应安全地与线圈热点相邻，线圈电流突变时不至于被挤压。综合变压器热点位置分析和安装工艺性得出中压绕组的安装位置为高压侧第一十八和第一十九饼之间，高压绕组的安装位置为高压侧第一十四和第一十五饼之间的绝缘垫片上。将绝缘垫块做成带有豁口的成型垫块，把传感器探头和丹尼松纸用绝缘电工胶固定在一起，然后再把它们用胶粘在成型垫块的开口处。当光纤引出到线圈表面后，用丹尼松纸带把光纤固定在线饼表面，留有一定的松弛裕度。穿过线圈压板为其预留的圆孔后，顺着压板表面引到油箱上的法兰盘，通过法兰盘与外部光纤连接。

色谱分析单元硬件安装：变压器油中气体分析单元利用动态顶空平衡法进行油样的脱气，然后采用光声光谱技术进行监测特征气体和微水的含量。色谱分析单元是一种外部安装的监测设备，制造变压器时需在箱体上预留两个阀门，在现场安装变压器时再安装油中气体分析单元。

2.2 特征气体故障分析

⑴ 三比值

本系统采用三比值法判断充油电气设备故障类型，当根据各种气体含量的阈值或气体增长率的阈值有理由判断设备可能存在故障时，对气体比值计算。如果气体比值发生变化，有可能新故障与老故障或正常老化重叠。为了得到仅仅相应于新故障的气体比值，要从上一次的分析结果中减去上一次的分析数据，并重新计算比值。一定要在相同的负荷和温度等情况下在相同的位置取样。由于溶解气体本身存在的实验误差，导致气体比值也存在某些不确定性。对气体浓度大于10μL/L的气体，两次的测试误差不应大于平均值的10%，而在计算气体比值时，误差提高到20%。当气体浓度低于10μL/L时，误差会更大，使比值的精确度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各种可能降低精度的因素。

⑵ 区分一氧化碳和二氧化碳

当故障涉及到固体绝缘时，会引起一氧化碳和二氧化碳含量明显增长。固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在油中一氧化碳和二氧化碳的含量上，没有严格的界限。这主要是由于从空气中吸收的二氧化碳固体绝缘老化及油的长期氧化形成一氧化碳和二氧化碳的基值过高造成的。开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的二氧化碳在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油中，油中的二氧化碳浓度将以空气的比率存在。设备固体绝缘材料老化时，二氧化碳除以一氧化碳的比率，该比率大于7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时，该比率小于3，还应该从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是否涉及到了固体绝缘。当怀疑纸或纸板过度老化时，应适当地测试油中糠醛含量，并同时测试纸样的聚合度。

⑶ 气体增长率

由于故障的不确定性，数据分析结果不应该作为对故障做出正确判断的惟一依据。故障常常有个过程，如以低能量的潜伏性故障开始，若不及时采取相应的措施，可能会发展成较严重的高能量故障。必须考虑故障的发展趋势，即故障点的产气速率。产气速率与故障消耗能量大小、故障部位、故障点的温度等情况有直接关系。

3 软件开发

3.1 MySQL数据库

MySQL是一个小型关系型数据库管理系统，广泛地应用在中小型数据库中。由于MySQL体积小、速度快、成本低，许多中小型网站为了降低网站总体拥有成本而选择了其作为数据库。MySQL既能够作为一个单独的应用程序应用在客户端服务器网络环境中，也能够作为一个库而嵌入到其他的软件中提供多语言支持，常见的编码如中文简体的GB2312、繁体的BIG5、日文的Shift_JIS等都可以用作数据表名和数据列名。MySQL管理可以使用命令行工具管理MySQL数据库，也可以从MySQL的网站下载图形管理工具MySQL Administrator。本系统在数据库中建立代表用户注册、权限、温度、比值、气体、故障六个数据库表。

通过ModBus通信协议接收的数据解除捆绑后数据换成一维数组，每个数据的高低位分别是一维数组中一个元素。然后把这个数据的高低位交织成一维数组，再把它转换为簇，这样就可以把数据强制转换为单精度32位实数型数据。曲线描绘温度监测单元为每个传感器绘制一条曲线。波形图表所接收的数据类型和结果图表之间的处理，接收的数据为实数型数据，所以不能直接连接到图表，只能把每个通道的数据看成一个信号，然后把每个信号合并再连接到图表，这样在图表中就可以将每个通道以曲线的形式显示。

3.2 程序的设计

PHP是一种服务器端、跨平台、被广泛应用的开源式多用途语言，它是浏览器/服务器体系结构，属于三层结构。服务器启动后，用户可以不使用相应的客户端软件，只使用浏览器即可访问，既保持了图形化的用户界面，又大大减少了应用维护量。

PHP是开源软件，每个人都可以看到所有PHP的源代码，程序代码与Apache编译在一起的方式也可以让它具有灵活的安全设定。PHP具有公认的安全性能。在流行的企业应用LAMP平台中，Linux、Apache、MySQL、PHP都是免费软件，这种开源免费的框架结构可以为经营者节省很大一笔开支。PHP实现程序逻辑与用户界面分离。支持面向对象和过程的两种开发风格.。

⑴ 用户界面和I/O功能

用户分为系统管理员和普通用户，用户使用本系统需要登录和密码验证，系统提供历史、当前数据查询的数据库组合查询，并构造各指标值走势图。数据可以选择文本格式*.txt或Excel格式*.xls保存，可选择屏幕显示或输出到打印机。

⑵ 使用EXPLAIN使SELECT查询更加清晰

使用EXPLAIN关键字可以了解MySQL正在进行什么样的查询操作，这可以发现瓶颈的所在，并显示出查询或表结构在哪里出了问题。EXPLAIN查询的结果，告诉哪些索引正在被引用，表是如何被扫描和排序的等等。实现一个SELECT查询，在里面添加上关键词解释，在这里使用phpMyAdmin，会给出表中的结果。

⑶ 优化MySQL查询缓存

在MySQL服务器上进行查询，可以启用高速查询缓存。让数据库引擎在后台悄悄地处理是提高性能的最有效方法之一。当同一个查询被执行多次时，如果结果是从缓存中提取，速度将会相当快。

⑷ 始终指定需要的列

完全避免SELECT *命令。从表中读取越多的数据，查询就会变得越慢，增加了磁盘需要操作的时间，在数据库服务器与Web服务器连用情况下，将会经历非常漫长的网络延迟，仅仅是因为数据不必要地在服务器之间传输。

⑸ 保证连接的索引相同类型

在应用程序中包含多个连接查询，要确保链接的列在两边的表上都被索引。这将影响MySQL如何优化内部联接操作，加入的列必须是同一类型。例如，当在一个表中加入一个需要链接的Decimal列，而同时加入另一个表中的却为int列，MySQL将无法使用其中至少一个指标。

3.3 实验效果

该在线监测系统在水利水电第十二工程局某变电站的变压器上实验运行，我们将实验室分析与本系统在线溶解气体测试值进行对比分析，除去实验室人为取样造成测试值误差外，在线监测系统与实验室测试值基本上相同，在线监测系统一定程度上可为变压器安全提供支持。

4 结束语

本文研究的变压器故障监测装置具有安装简单、监测灵敏、24小时在线、与变压器无直接电气连接以及安全可靠等特点。该监测装置把采集的数据送到中心数据服务器，服务器端可以通过运行专家系统软件对所收到的数据进行分析，报告变压器工作状态、故障提示并决定维修、更换设备的最佳时间。该系统在变压器上实验结果与实验室测试值基本上相同，可为变压器提供一定程度上的安全支持。该系统可以进一步借助于先进的计算机网络对电力系统进行分布式的长期监测，实现较低成本的一对多监控体系结构。

参考文献：

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