变压器绕组在线监测方法的发展状况综述

◇天府兴隆湖实验室 李 伟

变压器作为电力系统中的重要设备，其安全运行对电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。绕组是变压器的核心部件之一，其正常运行对保证变压器的长期稳定运行至关重要。因此，对变压器绕组进行在线监测具有非常重要的意义。本文对当前常用的变压器绕组在线监测技术进行了综述。

变压器是电力系统中不可或缺的设备，在电能的传输和分配中起着重要作用。然而，由于处于长期的运行和恶劣的工作环境中，变压器在使用过程中可能会产生各种故障，如绕组短路、局部放电、油液污染等，这些故障可能导致变压器损坏或甚至引发火灾等事故[1]。因此，为了保障电网的安全稳定运行和延长变压器的使用寿命，必须采取有效措施及时检测和诊断变压器绕组的故障。

随着信息技术和电力自动化技术的发展，变压器绕组在线监测技术也得以迅速发展，其监测方法也日益多样化和智能化[2]。电力变压器在线监测是指通过各种传感器、监测设备及软件系统对变压器的运行状态进行实时监测和数据采集，并将数据进行分析和处理，以实现对变压器健康状况的评估和故障预警。变压器在线监测通常包括温度监测、气体监测、振动监测、频谱监测以及基于物联网和人工智能的监测技术。目前，变压器绕组在线监测方法主要有油温监测法、频率响应分析法、短路电抗分析法、振动信号检测法以及物联网和人工智能的在线监测技术。这些监测技术的不断发展也为变压器的运行提供了安全可靠的保障。基于此，本文对变压器绕组在线监测的现实意义与监测方法进行了综述，以促进检测技术的进一步发展。

1 变压器绕组在线监测的现实意义

变压器绕组是变压器的重要组成部分，是电能转换和传递的关键。具体来说，变压器绕组是变压器的重要组成部分，主要负责电能的转换和传递，如果发生故障，将会导致设备停机、影响生产甚至造成安全事故。然而，传统的离线检测方法需要设备停机进行检测和维修，这无法保证设备的连续运行和安全性。通过变压器绕组在线监测技术，可以对变压器的运行状态进行实时监测和诊断，有效防止因故障引发的设备损坏和生产事故，以此提高设备可靠性和运行安全性。在线监测技术能够提高设备的利用率和运行效率，并且有效缩减设备停机时间和维护成本。在减少风险和经济损失的同时，也更加环保和节能，符合我国可持续发展的理念。

2 变压器绕组在线监测方法

2.1 油温监测法

温度是反映变压器内部工作状态的重要指标之一。变压器的正常运行需要保持合适的温度范围，过高或过低都会影响变压器的性能。油温监测是变压器在线监测方法之一，可以通过在变压器油箱内设置温度传感器来实时监测变压器绕组油的温度变化[3]。当绕组油温超过设定值时，会发出报警信号，提示操作人员进行检修或停机维护。油温监测实时性高，适用于各种规模的变压器监测。

传统的油温监测方法包括热敏电阻、热电偶、非接触式测温仪等。其中，热电偶法精度和稳定性最高，但需要直接接触绕组油，操作较为复杂；而非接触式测温仪可在远距离对表面温度进行测量，来判断绕组油的温度。温度监测需要关注以下参数[4]：

（1）最高温度：表示变压器绕组油的最高温度值，通常会设定数据警戒值，当超过该温度设定时，需要增加冷却量或减少负载等方式进行控制。

（2）温度梯度：表示变压器油箱内各部位的温差，如果温度梯度过大，则可能存在过载或故障情况。

（3）变化率：表示温度变化的速率，温度变化较快，代表出现了异常情况。

优点：温度传感器技术成熟，安装方便，价格较低。

缺点：温度监测不能发现绝大多数变压器内部故障，如局部放电等。

2.2 频率响应分析法

基于在线监测的频率响应分析法因其优异的灵敏度而受到了广泛关注[5]。该技术是通过对变压器绕组内部扫频信号的频谱分析。基本原理是因为变压器在不同的工作状态下，其绕组内部产生的信号会有所改变。当频率较高时（超过1kHz），变压器绕组可以充当由电容、感抗、漏阻等等信号组成的无源线性双口网络，这些信号可以反映出变压器绕组的工作状态和故障情况[6]。频率响应分析可以采用多种方法，如使用低压串联注入（LVI）技术、扫频分析（SFRA）等方式进行监测。其中，LVI技术是一种直接注入电流信号的方法，适用于小型变压器；而SFRA技术则是一种无需直接注入电流、通过对变压器绕组内部信号的扫频测量来分析其频率响应的方法，适用于中大型变压器[7]。频率响应分析需要关注以下参数：

（1）频率响应曲线：表示变压器绕组不同频率下的阻抗、相位等参数变化情况，可以反映出变压器的短路冲击、电气特性和故障状态，是频率响应分析的重点。

（2）变形量比较：表示将被测变压器与同类型的正常变压器进行比较，以判断是否存在异常的频率响应曲线。

优点：该方法实现了监测的自动化与智能化，同时不会影响变压器的正常运行，此外，具有非接触式、实时性强、无需停机的优点，适用于各种规模的变压器监测，应用前景广阔。

缺点：频率会受到许多干扰因素，这可能会使结果失真，具有不确定性。

2.3 短路电抗分析法

变压器绕组短路抗阻是当变压器绕组发生短路时，变压器内部的等值抗阻[1,8]。通常情况下，短路抗阻由电抗分量和电阻分量组成。短路电抗是变压器的重要参数，也是绕组监测的重要指标。变压器绕组短路抗阻分析方法通常包括以下步骤[9]：

（1）测量绕组电阻：可以使用电阻测试仪器测量变压器绕组的电阻，或通过绕组长度和导体截面积来计算。

（2）计算直流电路中的有效电阻：将变压器模型化为一个电路图，其中包含绕组电阻、铁心损耗电阻和其他内部电阻。通过计算这些电阻的总和，可以得到变压器在直流电路中的有效电阻。

（3）测量绕组电感：使用LCR测试仪器来测量变压器绕组的电感。

（4）计算交流电路中的等效电路参数：包含电感、电容和电阻等，使用这些参数来计算等效电路参数（复阻抗和相角等）。

（5）计算短路抗阻：使用等效电路参数和理论公式计算变压器的短路抗阻。

优点：短路电抗分析法原理简单且无需停止机器运行。

缺点：该方法灵敏度较低，及易出现误判。

2.4 振动信号检测法

变压器绕组振动信号分析法是一种非接触式的监测方法，与电力系统间无需电气连接[10-11]。可以在变压器内部设置振动传感器，对变压器的振动情况进行监测，当发现变压器存在异常振动或机械故障时，及时预警并检查处理，该方法可以安全可靠监测变压器的状态。测试系统由以下部分组成：

（1）振动传感器：通过分布在变压器的不同测试点，将振动信号转化为电力信号在进行处理。

（2）动态信号测定系统：进行多通道振动信号的同步测试。

（3）信号源控制系统：用于信号测试系统的参数设置及操作控制。

（4）信号分析系统：用于变压器振动测试信号的各种实时分析以及处理。

优点：该方法无需电气连接，可以实现持续监测。

缺点：在变压器运行过程中，振动信号会受环境因素等影响，其可重复性有待提高。

因此，为确保测定结果的准确性，通常会在变压器上同时安装多个信号传感器。

2.5 物联网和人工智能监测

随着物联网技术和人工智能算法的快速发展，基于物联网和人工智能的在线监测技术在电力变压器监测领域得到了广泛应用。这种技术通过对变压器进行实时监测和数据采集，将数据传输到云端或本地服务器进行存储和分析，以实现对变压器健康状况的评估和故障预警。具体来讲，该技术主要有以下几个方面的特点：

（1）多种监测指标：利用各种传感器、监测设备等技术手段，可以对变压器的多个指标进行监测，包括温度、振动、气体、湿度等，从而全面掌握变压器的运行状态。

（2）实时监测：监测设备与云端或本地服务器相连接，实现数据的即时传输和处理，可以实时监测变压器的状态，并及时发现潜在的问题。

（3）故障预警：通过人工智能算法对采集到的数据进行分析和处理，可以判断变压器存在的故障类型和位置，并给出预警信息，为后续的检修提供重要参考。

（4）远程管理：利用物联网技术，可以对变压器进行远程监测和管理，实现对全国甚至全球范围内的变压器进行实时监测和管理。

（5）数据分析：通过大数据分析和挖掘技术，可以对变压器运行数据进行深入分析和挖掘，从而为电力变压器的维护提供更加精准、智能化、可持续的解决方案。

基于物联网和人工智能的在线监测技术已经得到广泛应用，并在变压器监测领域发挥越来越重要的作用。未来，该技术将不断完善和创新，推动电力变压器监测的发展，为保障电力系统安全稳定运行做出更大的贡献。

3 结束语

随着我国电力行业的发展，变压器绕组在线监测技术已经逐渐成熟并广泛应用于电力系统中。传统的油温、频率、振动监测技术经相对成熟，但仍存在一些局限性。而基于物联网和人工智能的新型监测技术具有高效、准确、实时等特点，并且可以实现远程监测和诊断，为电力系统的安全运行提供了重要保障。在未来，如何将新型技术与传统技术进行融合，以实现更加全面、准确的变压器绕组在线监测将是研究热点。