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鐵路牽引變壓器絕緣在線監測

(發布日期：2014-5-7 14:05:44) 來源：

鐵路牽引變電所的牽引主變壓器（110、220和330 kV）時有絕緣故障發生，反應出定期預防試驗存在明顯的不足，具體表現在：①試驗需要停電，而許多重要設備不能輕易退出運行。②停電后設備狀態（如工作電壓、溫度、濕度等）和運行狀態不一致，影響判斷的準確性。③由于是周期性試驗，設備仍可能在兩次試驗周期內發生故障。④破壞性實驗及設備的解體檢修，都有可能增加設備新的故障點，影響設備壽命。⑤無法為新的檢修方式即狀態檢修提供全面、及時、可靠的設備狀態信息。因此，開展在線監測是鐵路牽引系統運行安全的要求。

牽引變壓器的數據監測
1、變壓器油的氣體監測
由于變壓器油中溶解氣體的成分和含量在一定程度上可以反映變壓器的絕緣老化程度或故障類型，所以有必要對反映變壓器電氣異常的特征量進行監測。
變壓器油在發生突發性事故之前，絕緣的劣化以及潛伏性故障在運行電壓下將產生一系列效應，變壓器油與油中的固體有機絕緣材料在運行電壓下因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸變質，裂解成低分子氣體，變壓器內部存在潛伏期的過熱或放電故障又會加快產氣速率，隨著故障的緩慢發展，裂解出的氣體不斷溶解在油中。
變壓器油中氣體在線監測裝置，利用只能使氣體分子透過的高分子透氣膜組成油氣分離單元，用氣敏傳感器對分離氣體實時監測。現在的在線監測裝置應用F46膜分離油中氣體，將氣體分離單元常年置于變壓器旁，成功實現了油氣分離，采用分辨率極高的傳感器氣敏元件監測運行變壓器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六種溶解氣體，監測靈敏度C2H2達1 ppm，具有長期的可靠性和穩定性，監測性能基本不變。

2、變壓器局部放電監測和定位
局部放電是引起變壓器常見故障的主要原因。據統計，我國110 kV及以上電力變壓器事故中，有50 %屬于正常運行電壓下發生匝間短路，其原因大多是局部放電所致。變壓器絕緣結構復雜，如果設計不當，可能造成局部區域場強過高，工藝上存在某些缺點可能會使絕緣油中含有氣泡、運行中油質劣化分解脫出氣泡、機械振動和局部材料過熱也會分解出氣泡，以上幾種情況都會造成局部放電，而局部放電又會進一步導致絕緣惡化乃至擊穿。
國內許多單位都在進行高壓電器設備的局部放電研究。目前，基于模式識別方法的局部放電數字化檢測裝置很有特色，在線監測系統主要由高頻諧振式電流傳感器、抗干擾調節系統及信號采集系統組成。通過監測在放電開始瞬間繞組兩端出現局部放電陡脈沖與對應電容網絡區的電容傳遞分量，并找到兩個電容分量與繞組上位置的對應關系，就可以精確測量并確定局部放電的大小和發生位置。但由于現場干擾源的相異性及復雜性，在線監測的信噪比仍需進一步提高。

3、變壓器的繞組變形監測
變壓器出口短路的電應力會造成變壓器繞組扭曲變形，由此將導致事故的發生。近年來，各地都在積極開展繞組變形的測量，大多是離線檢測形式，采用行業推薦的低壓頻響法。在線監測繞組變形的研究也已開展，并有了開發成功的系統。這種系統的原理是：變壓器短路阻抗及其電感分量與繞組幾何尺寸及相對位置有關，通過在線監測變壓器短路阻抗的變化可以分析繞組狀況，判斷是否變形。該系統測量精度較高，總誤差<1%，不干擾電力系統的運行，但是，目前還不能確定電抗變化量與繞組變形程度的關系。

4、變壓器鐵心接地電流在線監測
鐵芯電流是電阻性電流，數量級在幾十毫安到幾安培甚至更大，由于變化范圍很大，采用了程控放大器，以滿足電子線路對測量的要求。
電磁轉換將對監測信號產生電磁干擾，鐵芯電流的取樣探頭應具有良好的電磁屏蔽，為此，采用雙層1 mm厚的鐵板做成的屏蔽箱，并用高性能的同軸屏蔽電纜轉送取樣信號，以滿足檢驗線性度和穩定性。

5、監測數據與綜合自動化系統的聯機
鐵路牽引變電所應盡快加強集中式或分層分布單片機結構形式的在線監測系統的開發應用，通過數據的遠程傳輸與鐵路局各級調度監控系統聯網，并進一步與綜合自動化系統集合，初步實現鐵路牽引供電系統管理的綜合自動化，保證牽引變電所的運行安全，并為狀態檢修提供全面、及時、準確的設備狀態信息，完善鐵路系統的狀態檢修。
該方案在軟硬件設計上留有可供進一步開發、更新的擴充通道、內存和接口，為及時應用和升級成熟的在線監測技術提供了保障。在圖1中，方案采用了信號獲取、長距離傳輸、數字采樣、多機通訊、工業控制機中心處理系統及與綜合自動化系統聯機等技術。所有被測信號采用專用傳感器取樣；多機通訊采用中間子機模塊，各子機間的通訊口帶光電隔離；信號傳輸網絡采用防腐蝕和抗干擾的多芯或同軸全屏蔽高強度測量電纜；主機采用進口工業控制機，并配有打印機、工業級電源、UPS電源等輔助設備。

牽引變壓器絕緣在線監測技術已經成熟，地方供電局已有類似實驗設備在現場試運行。在鐵路沿線變電所推廣使用在線監測和診斷技術，有助于準確判斷變壓器絕緣故障，降低檢修勞動強度，提高鐵路系統智能化、科學化管理水平，并將為企業在今后的發展帶來良好的經濟和社會效益。
鐵路牽引變電所的牽引主變壓器（110、220和330 kV）時有絕緣故障發生，反應出定期預防試驗存在明顯的不足，具體表現在：①試驗需要停電，而許多重要設備不能輕易退出運行。②停電后設備狀態（如工作電壓、溫度、濕度等）和運行狀態不一致，影響判斷的準確性。③由于是周期性試驗，設備仍可能在兩次試驗周期內發生故障。④破壞性實驗及設備的解體檢修，都有可能增加設備新的故障點，影響設備壽命。⑤無法為新的檢修方式即狀態檢修提供全面、及時、可靠的設備狀態信息。因此，開展在線監測是鐵路牽引系統運行安全的要求。

牽引變壓器的數據監測
1、變壓器油的氣體監測
由于變壓器油中溶解氣體的成分和含量在一定程度上可以反映變壓器的絕緣老化程度或故障類型，所以有必要對反映變壓器電氣異常的特征量進行監測。
變壓器油在發生突發性事故之前，絕緣的劣化以及潛伏性故障在運行電壓下將產生一系列效應，變壓器油與油中的固體有機絕緣材料在運行電壓下因電、熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸變質，裂解成低分子氣體，變壓器內部存在潛伏期的過熱或放電故障又會加快產氣速率，隨著故障的緩慢發展，裂解出的氣體不斷溶解在油中。
變壓器油中氣體在線監測裝置，利用只能使氣體分子透過的高分子透氣膜組成油氣分離單元，用氣敏傳感器對分離氣體實時監測。現在的在線監測裝置應用F46膜分離油中氣體，將氣體分離單元常年置于變壓器旁，成功實現了油氣分離，采用分辨率極高的傳感器氣敏元件監測運行變壓器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六種溶解氣體，監測靈敏度C2H2達1 ppm，具有長期的可靠性和穩定性，監測性能基本不變。

2、變壓器局部放電監測和定位
局部放電是引起變壓器常見故障的主要原因。據統計，我國110 kV及以上電力變壓器事故中，有50 %屬于正常運行電壓下發生匝間短路，其原因大多是局部放電所致。變壓器絕緣結構復雜，如果設計不當，可能造成局部區域場強過高，工藝上存在某些缺點可能會使絕緣油中含有氣泡、運行中油質劣化分解脫出氣泡、機械振動和局部材料過熱也會分解出氣泡，以上幾種情況都會造成局部放電，而局部放電又會進一步導致絕緣惡化乃至擊穿。
國內許多單位都在進行高壓電器設備的局部放電研究。目前，基于模式識別方法的局部放電數字化檢測裝置很有特色，在線監測系統主要由高頻諧振式電流傳感器、抗干擾調節系統及信號采集系統組成。通過監測在放電開始瞬間繞組兩端出現局部放電陡脈沖與對應電容網絡區的電容傳遞分量，并找到兩個電容分量與繞組上位置的對應關系，就可以精確測量并確定局部放電的大小和發生位置。但由于現場干擾源的相異性及復雜性，在線監測的信噪比仍需進一步提高。

3、變壓器的繞組變形監測
變壓器出口短路的電應力會造成變壓器繞組扭曲變形，由此將導致事故的發生。近年來，各地都在積極開展繞組變形的測量，大多是離線檢測形式，采用行業推薦的低壓頻響法。在線監測繞組變形的研究也已開展，并有了開發成功的系統。這種系統的原理是：變壓器短路阻抗及其電感分量與繞組幾何尺寸及相對位置有關，通過在線監測變壓器短路阻抗的變化可以分析繞組狀況，判斷是否變形。該系統測量精度較高，總誤差<1%，不干擾電力系統的運行，但是，目前還不能確定電抗變化量與繞組變形程度的關系。

4、變壓器鐵心接地電流在線監測
鐵芯電流是電阻性電流，數量級在幾十毫安到幾安培甚至更大，由于變化范圍很大，采用了程控放大器，以滿足電子線路對測量的要求。
電磁轉換將對監測信號產生電磁干擾，鐵芯電流的取樣探頭應具有良好的電磁屏蔽，為此，采用雙層1 mm厚的鐵板做成的屏蔽箱，并用高性能的同軸屏蔽電纜轉送取樣信號，以滿足檢驗線性度和穩定性。

5、監測數據與綜合自動化系統的聯機
鐵路牽引變電所應盡快加強集中式或分層分布單片機結構形式的在線監測系統的開發應用，通過數據的遠程傳輸與鐵路局各級調度監控系統聯網，并進一步與綜合自動化系統集合，初步實現鐵路牽引供電系統管理的綜合自動化，保證牽引變電所的運行安全，并為狀態檢修提供全面、及時、準確的設備狀態信息，完善鐵路系統的狀態檢修。
該方案在軟硬件設計上留有可供進一步開發、更新的擴充通道、內存和接口，為及時應用和升級成熟的在線監測技術提供了保障。在圖1中，方案采用了信號獲取、長距離傳輸、數字采樣、多機通訊、工業控制機中心處理系統及與綜合自動化系統聯機等技術。所有被測信號采用專用傳感器取樣；多機通訊采用中間子機模塊，各子機間的通訊口帶光電隔離；信號傳輸網絡采用防腐蝕和抗干擾的多芯或同軸全屏蔽高強度測量電纜；主機采用進口工業控制機，并配有打印機、工業級電源、UPS電源等輔助設備。

牽引變壓器絕緣在線監測技術已經成熟，地方供電局已有類似實驗設備在現場試運行。在鐵路沿線變電所推廣使用在線監測和診斷技術，有助于準確判斷變壓器絕緣故障，降低檢修勞動強度，提高鐵路系統智能化、科學化管理水平，并將為企業在今后的發展帶來良好的經濟和社會效益。

株洲市科達電機技術有限公司
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