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铁路牵引变压器绝缘在线监测

(发布日期：2014-5-7 14:05:44) 来源：

铁路牵引变电所的牵引主变压器（110、220和330 kV）时有绝缘故障发生，反应出定期预防试验存在明显的不足，具体表现在：①试验需要停电，而许多重要设备不能轻易退出运行。②停电后设备状态（如工作电压、温度、湿度等）和运行状态不一致，影响判断的准确性。③由于是周期性试验，设备仍可能在两次试验周期内发生故障。④破坏性实验及设备的解体检修，都有可能增加设备新的故障点，影响设备寿命。⑤无法为新的检修方式即状态检修提供全面、及时、可靠的设备状态信息。因此，开展在线监测是铁路牵引系统运行安全的要求。

牵引变压器的数据监测
1、变压器油的气体监测
由于变压器油中溶解气体的成分和含量在一定程度上可以反映变压器的绝缘老化程度或故障类型，所以有必要对反映变压器电气异常的特征量进行监测。
变压器油在发生突发性事故之前，绝缘的劣化以及潜伏性故障在运行电压下将产生一系列效应，变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体，变压器内部存在潜伏期的过热或放电故障又会加快产气速率，随着故障的缓慢发展，裂解出的气体不断溶解在油中。
变压器油中气体在线监测装置，利用只能使气体分子透过的高分子透气膜组成油气分离单元，用气敏传感器对分离气体实时监测。现在的在线监测装置应用F46膜分离油中气体，将气体分离单元常年置于变压器旁，成功实现了油气分离，采用分辨率极高的传感器气敏元件监测运行变压器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六种溶解气体，监测灵敏度C2H2达1 ppm，具有长期的可靠性和稳定性，监测性能基本不变。

2、变压器局部放电监测和定位
局部放电是引起变压器常见故障的主要原因。据统计，我国110 kV及以上电力变压器事故中，有50 %属于正常运行电压下发生匝间短路，其原因大多是局部放电所致。变压器绝缘结构复杂，如果设计不当，可能造成局部区域场强过高，工艺上存在某些缺点可能会使绝缘油中含有气泡、运行中油质劣化分解脱出气泡、机械振动和局部材料过热也会分解出气泡，以上几种情况都会造成局部放电，而局部放电又会进一步导致绝缘恶化乃至击穿。
国内许多单位都在进行高压电器设备的局部放电研究。目前，基于模式识别方法的局部放电数字化检测装置很有特色，在线监测系统主要由高频谐振式电流传感器、抗干扰调节系统及信号采集系统组成。通过监测在放电开始瞬间绕组两端出现局部放电陡脉冲与对应电容网络区的电容传递分量，并找到两个电容分量与绕组上位置的对应关系，就可以精确测量并确定局部放电的大小和发生位置。但由于现场干扰源的相异性及复杂性，在线监测的信噪比仍需进一步提高。

3、变压器的绕组变形监测
变压器出口短路的电应力会造成变压器绕组扭曲变形，由此将导致事故的发生。近年来，各地都在积极开展绕组变形的测量，大多是离线检测形式，采用行业推荐的低压频响法。在线监测绕组变形的研究也已开展，并有了开发成功的系统。这种系统的原理是：变压器短路阻抗及其电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线监测变压器短路阻抗的变化可以分析绕组状况，判断是否变形。该系统测量精度较高，总误差<1%，不干扰电力系统的运行，但是，目前还不能确定电抗变化量与绕组变形程度的关系。

4、变压器铁心接地电流在线监测
铁芯电流是电阻性电流，数量级在几十毫安到几安培甚至更大，由于变化范围很大，采用了程控放大器，以满足电子线路对测量的要求。
电磁转换将对监测信号产生电磁干扰，铁芯电流的取样探头应具有良好的电磁屏蔽，为此，采用双层1 mm厚的铁板做成的屏蔽箱，并用高性能的同轴屏蔽电缆转送取样信号，以满足检验线性度和稳定性。

5、监测数据与综合自动化系统的联机
铁路牵引变电所应尽快加强集中式或分层分布单片机结构形式的在线监测系统的开发应用，通过数据的远程传输与铁路局各级调度监控系统联网，并进一步与综合自动化系统集合，初步实现铁路牵引供电系统管理的综合自动化，保证牵引变电所的运行安全，并为状态检修提供全面、及时、准确的设备状态信息，完善铁路系统的状态检修。
该方案在软硬件设计上留有可供进一步开发、更新的扩充通道、内存和接口，为及时应用和升级成熟的在线监测技术提供了保障。在图1中，方案采用了信号获取、长距离传输、数字采样、多机通讯、工业控制机中心处理系统及与综合自动化系统联机等技术。所有被测信号采用专用传感器取样；多机通讯采用中间子机模块，各子机间的通讯口带光电隔离；信号传输网络采用防腐蚀和抗干扰的多芯或同轴全屏蔽高强度测量电缆；主机采用进口工业控制机，并配有打印机、工业级电源、UPS电源等辅助设备。

牵引变压器绝缘在线监测技术已经成熟，地方供电局已有类似实验设备在现场试运行。在铁路沿线变电所推广使用在线监测和诊断技术，有助于准确判断变压器绝缘故障，降低检修劳动强度，提高铁路系统智能化、科学化管理水平，并将为企业在今后的发展带来良好的经济和社会效益。
铁路牵引变电所的牵引主变压器（110、220和330 kV）时有绝缘故障发生，反应出定期预防试验存在明显的不足，具体表现在：①试验需要停电，而许多重要设备不能轻易退出运行。②停电后设备状态（如工作电压、温度、湿度等）和运行状态不一致，影响判断的准确性。③由于是周期性试验，设备仍可能在两次试验周期内发生故障。④破坏性实验及设备的解体检修，都有可能增加设备新的故障点，影响设备寿命。⑤无法为新的检修方式即状态检修提供全面、及时、可靠的设备状态信息。因此，开展在线监测是铁路牵引系统运行安全的要求。

牵引变压器的数据监测
1、变压器油的气体监测
由于变压器油中溶解气体的成分和含量在一定程度上可以反映变压器的绝缘老化程度或故障类型，所以有必要对反映变压器电气异常的特征量进行监测。
变压器油在发生突发性事故之前，绝缘的劣化以及潜伏性故障在运行电压下将产生一系列效应，变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体，变压器内部存在潜伏期的过热或放电故障又会加快产气速率，随着故障的缓慢发展，裂解出的气体不断溶解在油中。
变压器油中气体在线监测装置，利用只能使气体分子透过的高分子透气膜组成油气分离单元，用气敏传感器对分离气体实时监测。现在的在线监测装置应用F46膜分离油中气体，将气体分离单元常年置于变压器旁，成功实现了油气分离，采用分辨率极高的传感器气敏元件监测运行变压器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六种溶解气体，监测灵敏度C2H2达1 ppm，具有长期的可靠性和稳定性，监测性能基本不变。

2、变压器局部放电监测和定位
局部放电是引起变压器常见故障的主要原因。据统计，我国110 kV及以上电力变压器事故中，有50 %属于正常运行电压下发生匝间短路，其原因大多是局部放电所致。变压器绝缘结构复杂，如果设计不当，可能造成局部区域场强过高，工艺上存在某些缺点可能会使绝缘油中含有气泡、运行中油质劣化分解脱出气泡、机械振动和局部材料过热也会分解出气泡，以上几种情况都会造成局部放电，而局部放电又会进一步导致绝缘恶化乃至击穿。
国内许多单位都在进行高压电器设备的局部放电研究。目前，基于模式识别方法的局部放电数字化检测装置很有特色，在线监测系统主要由高频谐振式电流传感器、抗干扰调节系统及信号采集系统组成。通过监测在放电开始瞬间绕组两端出现局部放电陡脉冲与对应电容网络区的电容传递分量，并找到两个电容分量与绕组上位置的对应关系，就可以精确测量并确定局部放电的大小和发生位置。但由于现场干扰源的相异性及复杂性，在线监测的信噪比仍需进一步提高。

3、变压器的绕组变形监测
变压器出口短路的电应力会造成变压器绕组扭曲变形，由此将导致事故的发生。近年来，各地都在积极开展绕组变形的测量，大多是离线检测形式，采用行业推荐的低压频响法。在线监测绕组变形的研究也已开展，并有了开发成功的系统。这种系统的原理是：变压器短路阻抗及其电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线监测变压器短路阻抗的变化可以分析绕组状况，判断是否变形。该系统测量精度较高，总误差<1%，不干扰电力系统的运行，但是，目前还不能确定电抗变化量与绕组变形程度的关系。

4、变压器铁心接地电流在线监测
铁芯电流是电阻性电流，数量级在几十毫安到几安培甚至更大，由于变化范围很大，采用了程控放大器，以满足电子线路对测量的要求。
电磁转换将对监测信号产生电磁干扰，铁芯电流的取样探头应具有良好的电磁屏蔽，为此，采用双层1 mm厚的铁板做成的屏蔽箱，并用高性能的同轴屏蔽电缆转送取样信号，以满足检验线性度和稳定性。

5、监测数据与综合自动化系统的联机
铁路牵引变电所应尽快加强集中式或分层分布单片机结构形式的在线监测系统的开发应用，通过数据的远程传输与铁路局各级调度监控系统联网，并进一步与综合自动化系统集合，初步实现铁路牵引供电系统管理的综合自动化，保证牵引变电所的运行安全，并为状态检修提供全面、及时、准确的设备状态信息，完善铁路系统的状态检修。
该方案在软硬件设计上留有可供进一步开发、更新的扩充通道、内存和接口，为及时应用和升级成熟的在线监测技术提供了保障。在图1中，方案采用了信号获取、长距离传输、数字采样、多机通讯、工业控制机中心处理系统及与综合自动化系统联机等技术。所有被测信号采用专用传感器取样；多机通讯采用中间子机模块，各子机间的通讯口带光电隔离；信号传输网络采用防腐蚀和抗干扰的多芯或同轴全屏蔽高强度测量电缆；主机采用进口工业控制机，并配有打印机、工业级电源、UPS电源等辅助设备。

牵引变压器绝缘在线监测技术已经成熟，地方供电局已有类似实验设备在现场试运行。在铁路沿线变电所推广使用在线监测和诊断技术，有助于准确判断变压器绝缘故障，降低检修劳动强度，提高铁路系统智能化、科学化管理水平，并将为企业在今后的发展带来良好的经济和社会效益。

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