变压器铁芯状态综合在线监测方案的探讨

华能南京燃机发电有限公司 夏海明 吴渊恒

电力设备变压器是作为电网输电与电力配电运输过程系统中的各种关键重要电力设备之一，其长期工作安全状况直接影响着我国电网的安全和运行稳定性，因此为了充分满足我国电力系统的持续现代化快速发展，必须对各种变压器的运行状况进行实施在线监测。

变压器正常运行时因其绕组四周均应该具有一定电场，而绕组铁芯与铁芯夹件及其他金属构件都处在此电场之中而产生了不同的接地电位，为了防止变压器在正常运行时，因绕组铁芯夹件与其他的金属构件电位差而产生相对的接地线性放电，因此均需对铁芯及其他金属构件保护接地。投入使用的直流变压器在正常接地工作电压状况下，铁芯管在接地时对电压值的变化极小，为毫安培一级，注意值为100毫安[1]。如果铁芯出现了二点以上的接地情况，那么接地点之间就有可能形成环流。如果二点电位差超过足以穿透二者之间的绝缘层时便形成了断续火花，放电并破坏电力变压器内部的绝缘固件，进而将绝缘油分解，形成可燃的成分气体，还可以直接将接地片熔断，烧坏铁芯，从而造成事故的发生。当铁芯发生多点接地故障时，流过电力变压器铁芯接地线路上的输出电流会大幅度的增加，于是通过检测铁芯引出线路上电流设定值的多少，就能够精确而实时地检测出铁芯多点接地故障。

变压器的内部局部放电，是指带电变压器绝缘内部运动所产生的气泡、裂隙以及污染杂质等在高电压下所运动引起的一种局部、反复的放电击穿与熄灭现象。假如变压器处于一个甚至多个这样的微弱局部放电下工作，局部放电及其所直接产生的不良效果，就可能会引起整个电力变压器绝缘的急剧老化，而日积月累则就很有可能直接造成整个高压绝缘被完全外力击穿，从而可能产生各种重大事故，对我们国民经济将会造成新的巨大损失。

与传统停电高压局部放电检测技术相比，在线局放装置由于能够长期且持续实时监控运行变压器局部放电状况，且当局部放电容量过大超过额定值时，可以及时停运并做进一步的检查，其在经济性、安全性等方面具都具备有较大的技术优越性，是目前唯一有效用于防止变压器突然发生损坏事件的在线放电检测技术手段。在线局放装置反映的是电力变压器实际状态下绝缘局部放电状况，比离线放电测试能更好地适应日常实际操作及检查。在变压器铁芯接地处采用脉冲电流检测法检测，能够高效的监测变压器内部绝缘局部放电情况。

1 监测原理

在变压器铁芯接地铜排处，安装在线监测装置就能对变压器铁芯多点接地故障及变压器局放故障进行在线监测，实现变压器运行状态的多状态量监测。本节对这两种监测原理进行阐述。

1.1 变压器铁芯接地电流监测原理

根据《Q/GDW1894-2013变压器铁心接地电流在线监测装置技术规范》等国家有关技术规范的具体规定，所有大型变压器专用铁芯回路接地稳压电流在线测量检测装置设备必须达到可以完全达到5mA～10A 的接地电流在线检测测量范围，测量精度需要达到“±3%或1mA 两者取大值”，具备测量电流范围宽，测量精度要求高的特点，传统的电流互感器无法满足这一测量要求，针对变压器铁心接地电流的测量需要采用零磁通电流互感器。

利用有源零磁通控制技术有效地提升了小电流密度励磁传感器进行测量时的准确度，除了要采用比其他起始导体吸磁率更高、能量流动损失更少的特种导磁合金材料作为铜芯铁芯主体材料之外，还充分利用有源电子励磁信号图像处理控制技术对铜芯铁芯内部的静电激磁场和磁势密度变化信号实现了全自动的测量跟踪值和补偿，从而可以确保整个铁芯中心一直工作于一个近乎理想的零磁通工作状态。

1.2 变压器局放监测原理

变压器的电是局部高频放电[2]，具有高频放电脉冲、电磁波、超声波以及弧光等多种表现形式，同时信号带宽覆盖从几十K 到3G 等很宽的频率范围。随着我国电力交流变压器在大局部的开放使用过程中不断产生的还有电脉冲、电磁辐射、超声纹波检测等新技术、光等创新现象，而与其相应发展产生的还有电脉冲纹波检测法、超声激光传感器纹波检测法、光纹波测量方法及光等射频激光检测法，以及UHF 等超高频激光电子标签及光检测法等技术。

电流放小脉冲放大法中文简称[3]脉冲电流法，通过直接测量开关电阻、变压器供电套管的开关末端元件接地线、机壳元件接地线、铁芯元件接地线和开关绕组回路中的电流局放所连接产生的脉冲电流，获得视在电流放大配电法中的测量。该检测方法无疑是目前研发最早、使用最普遍的一种分子检测病毒方式。国际电工委员会（IEC）也为此问题制定了许多相关技术规范。相对于其他检测方法，由于检测的是电脉冲信号，具备抗干扰能力强，局放类型识别准确可靠的特点。变压器局部脉冲电流信号的频率范围一般集中在3M～30MHz，需要采用高频的电流互感器对脉冲电流信号进行采集。采用罗氏线圈能够有效实现高频电流脉冲信号的有效采集。

罗氏接收电路线圈的闭合工作感应机理根据法拉第定理，描述的就是在一个闭合接收电路中它所感应的总磁和感应电动势，和其中所有的连接闭合电路的总磁通道容量和随时间温度变化率之间的一个正比关。罗科夫斯基线圈和驱动交流电机的电流驱动互感器很相似，其驱动电流被直接导入第二导电线圈中，且在此处和一个流过绝缘导体的驱动电流之间成正比例的关系。重要技术差别之一就是罗科夫斯基线圈钢芯具有空心磁壳，这一点和导磁电流移动互感器正好完全相反，后者通过超高导磁大功率绕制钢芯和第二导电绕制钢芯进行空心电磁场的耦合。而两个空心磁壳则同样可用于通过更少量的插入量和抗阻的结构设计，达到更快的控制信号输出响应速度以及更加可线性的控制信号输出电压。空心电场磁芯将通过输入输出线圈，以磁循环形式的方式被直接放在一条带有大电流的中心导线周围[4]，而由大量交流电和直电流所驱动形成的空心磁场也将直接给出输入线圈中心所感应到的电流。罗科夫斯基线圈环路产生的和在整个线圈内部环路中驱动电流量的变化率(电流导数)通常成正比的驱动电流。

综上所述，有源零磁通互感器与罗氏线圈的安装方法相同，都可以套到变压器铁心接地铜排上，以进行对变压器铁心接地输出电流和变压器的高频率脉冲电流局放等信息的采集。

2 监测数据及应用

2.1 变压器铁芯状态综合在线监测系统

本文基于SQ/B-TXJD-50A 型变压器铁芯状态综合在线监测系统构建实验平台（图1）。设备采用了一体化的集成电路设计，产品中内置了零磁通互感器和霍尔传感器，同时还对交流变压器铁芯泄露电流信息和高频脉冲电流局开放信息进行了高速采集和综合分析处理，在进行数据的综合分析判断之后对变压器的工作状况做出了综合诊断评价。

实验对象选取华能南京发电有限公司220kV #1主变。通过SQ/B-TXJD-50A 型变压器铁芯状态综合在线监测装置在现场的试点安装，实现了对变压器铁芯状态的实时在线监测功能，装置实时采集变压器铁芯的泄露电流信号和流经铁芯处的高频脉冲电流局放信号，并通过远程通信手段定时上送给监控系统，由监控系统对监测数据进行综合分析诊断。

实现了变压器铁芯接地电流和高频脉冲电流信号的有效采集后，如何对数据进行有效处理和分析，是我们需要探讨的问题。过去的一些标准和规范虽然对监测数据提出了一些要求，但往往只停留在监测量、监测范围和监测精度层面，对于如何基于数据进行分析和故障判断标准中涉猎较少。下面针对变压器铁芯接地电流和高频脉冲电流局放的数据综合处理和分析，进行介绍。

2.2 铁芯接地电流监测量和数据分析

《Q/GDW 1894-2013变压器铁心接地电流在线监测装置技术规范》中首次给出的对交流变压器的全铁心基波接地输入电流输出电压在线检测装置要求就是计算全基波输出接地电压和基波输入接地电压的具体规定。技术标准规范和《Q/GDW 1168-2013输变电设备状态检修试验规程》等相关规范中,对输变铁芯设备接地交流电压的状态报警和测值范围作出了明确规定。

但在铁芯接地电流的日常检测中，仅是这些要求不能完全反应变压器的真实工况，且要求提的问题不全面还为变压器铁芯接地电流的日常巡检造成了一些困扰。规范中规定了，必须对铁芯接地电流的全电流与基波电流分别进行检测，但对全电流检测中所必须监测到的高谐波电流频率却未做规定，造成了现场使用不同的电流表或不同的铁芯接地电流在线检测设备，对变压器铁芯接地电流全电流的检测结果并不统一。这就对电流的测量结果产生了质疑，对铁芯接地电流数据应用带来了困扰。

根据笔者对不同电压等级变压器铁芯接地电流监测的经验，以及复杂工况下变压器可能产生的谐波分量，规定变压器的接地电流监测需要能够覆盖20次谐波信号。并对接地电流的频谱信号进行计算分析，计算不同次谐波下电流信号的分布情况，对变压器铁芯接地电流测量数据进行深度挖掘，对变压器的运行工况更深入的了解。

2.3 高频脉冲局放信号的数据分析

随着半导体技术的发展，高频采样技术日渐成熟，采用高速采样ADC 能够实现高频脉冲电流局放信号波形的完整采集，为数据进一步的分析提供基础。针对最大频率30M 的高频脉冲电流局放信号，采用大于60M 的数据采样率就能实现局放信号的完整采集。基于变压器局放放电相位、放电幅值以及放电次数等信息的PRPD、PRPS 谱图数据，以及根据谱图特征的变压器不同放电故障的类型识别，在相关标准中均有定义。如何将有效局放信号和环境噪音区分，如何通过有效算法实现变压器局放的模式识别是变压器局放数据的分析目标。采用数字滤波器和脉冲聚类算法，能够有效实现特定频率背景噪音的滤除以及局放信号的识别功能。将局放信号提取后，生成有效的PRPD 和PRPS 谱图，再根据谱图的特征判断具体的局放故障类型。同时对典型的放电波形进行记录，便于后期对局放故障的原因分析提供依据。

3 结语

本文对变压器铁芯接地电流和高频脉冲电流局放的监测原理及方案，以及数据处理和分析进行了阐述。通过安装方式一致的零磁通互感器和罗氏线圈，采集变压器铁芯接地铜排处的铁芯接地电流信号及高频局放信号。实现20次谐波的接地电流全电流采集，同时对接地电流信号的各次的谐波分量进行计算分析，能够更准确的反应变压器的接地电流和运行工况。通过大于60M 的数据采样率的高频电流局放信号采集，能够完整保留局放信号的信息，通过算法实现局放信号与环境噪音的有效分离。通过图谱特征对变压器局放类型进行有效判断，同时保留典型的局放波形，为了往后进一步的故障分析和处理提供了数据和理论支撑。通过这一方案，实现了变压器接地电流、变压器多点接地故障、变压器运行谐波工况、变压器局放故障的多状态量的综合监测。