第一章 绪论
1. 引言
1.1 变压器绝缘系统的重要性
变压器绝缘系统是变压器, 尤其是高压电力变压器的重要组成部分之一。据有关资料统计, 由于变压器绝缘劣化造成的损坏占很大的比率。依据华东电网2011年-2012年底的统计数据110kv以上的变压器共发生了13台变压器设备事故, 其中故障类型绝缘损坏占31%, 金属杂质占20%, 进水受潮占13.5%,抗短路能力差占31.3%, 前三项都归结为绝缘事故, 绝缘事故所占的比率为64.5%。其中福建电网年所发生的3起变压器事故中, 都是因为绝缘损伤造成的[1]。2012年2月至2013年3月,500kv 变压器共有15台次发生事故, 作为事故第一位的是正常运行电压下的绝缘击穿事故8台次, 占事故总台数的55%。2012年对全国110kv电压等级以上的变压器的损坏情况进行分类统计, 变压器的绝缘事故占76.5%。由此可见, 绝缘系统在很大程度上决定了变压器运行的可靠性能与经济性能。
为了及早发现电气设备绝缘老化, 在电力系统中定期进行常规的绝缘预防性试验, 但这种常规的预防性试验存在以下缺陷常规的预防性试验都是在停电后进行的, 其试验电压远低于运行电压。试验条件与实际运行环境有着较大差异, 测试结果往往不能真实的反映设备的绝缘状况、预防性试验对天气的要求较高, 一般应在相对湿度低于65%, 温度在20℃左右的条件下进行, 测试时间集中, 不能满足随时测试的要求传统的绝缘预防性试验通常是由人工操作的, 工作量大, 自动化水平低, 试验结果容易受人为因素的影响, 真实性较差绝缘的故障总是有一定的潜伏和发展时间, 预防性试验是定期进行的, 常不能及时准确地发现故障, 造成漏报误报或早报。
国外许多电力公司从上个世纪年代就开始研究并推广应用变电设备在线监测技术，尤其是对变压器设备在线监测, 主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数, 提高供电可靠性。绝缘在线监测技术的发展大体经历了个阶段带电测
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试阶段。这一阶段起始于年代左右, 当时仅仅是为了不停电而对设备的某些绝缘参数如泄露电流进行直接测量, 设备简单, 测试项目少从年代开始, 出现各种专用的带电测试仪器, 使在线监测技术从传统的模拟量测试走向数字化测量, 摆脱将仪器直接接入测试回路的传统测量模式[3]。
从90年代开始,随着计算机技术的推广使用, 出现以计算机处理技术为核心的微机多功能绝缘在线监测系统。绝缘在线监测的发展方向是对监测参数实时显示储存打印、远传和越线报警, 实现了绝缘在线监测的自动化。
在国内, 在线监测技术的开发与应用始于上世纪80年代。由于受当时整体技术水平的限制, 如电子元件的可靠性不高, 计算机应用刚刚起步, 当时的在线监测技术水平较低。2000年在福州市召开了年会, 国家电科院高压所和全国高压专委会于2005年中在北海市召开了研讨会, 组织编写《在线监测管理导则》, 这将有力地推动了变压器绝缘在线监测的开展国内目前大量运行的变电站设备先进性较西方落后, 可靠性高的变电设备短期内尚不可能广泛普及, 设备的备用系数较低, 对设备安全运行的可靠性不能很好地予以保证在这种情况下, 有效地开展变压器绝缘在线监测技术的研究和应用具有重要的现实意义和广阔的发展前景。
1.2 绝缘在线监测系统的研究及应用现状
电容型绝缘材料在现场安装运行一段时间后, 由于过电压的作用机械力损伤导体发热、化学腐蚀作用以及大气条件影响如温度、湿度等原因也会产生绝缘老化, 在电压作用下都有能量损耗, 称为介质损耗, 简称介损介损会使电容型设备的温度升高, 严重时会导致绝缘体融化烧焦, 就会使其失去绝缘性能而造成热击穿。通常测量设备就可以发现设备整体受潮劣化变质以及局部缺陷的早期故障征兆, 在电气设备的制造、预防性试验和故障检测中得都到广泛的应用, 是一项必不可少的测试项目[4]。
变压器绝缘在线监测项目刚开始大都采用油中气体成分分析来监测其绝缘状况, 研制灵敏度高、稳定性强的气敏传感器是极其关键的, 现在分析技术已很成熟局部放电在线检测系统的测试灵敏度及测量结果受到来自电网环境干扰的制约, 干扰信号比局放信号强3个数量级,所以如何抑制干扰一直是局部放电在
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线检测系统的技术难题, 不便于在线监测而十多年来国内对变压器介损、泄漏电流的检测研究一直没间断。近年来, 传感器技术、微机技术、数字信号处理技术得到迅速的发展, 为变压器绝缘在线监测的实施创造了有利条件。
目前国外对介损角在线检测技术的研究主要集中在对硬件检测方法的改善上。研究应用较多的方法过零点时差法, 它是“硬件法”的典型代表。如澳大利亚PowerLink公司开发的CTM高压绝缘设备在线监测系统、南非开发的套管和电流互感器的介损角检修系统。由于介损角很小, 因此如何保证其测量精度就十分重要。信号波形过零的瞬间稍有干扰, 将直接影响到过零转换后方波的起始位置, 妨碍了对的准确测量。而硬件线路对于外界引入的电磁干扰、谐波干扰等十分敏感, 因此容易造成较大的误差和分散性[5]。
国内不少单位也对介损检测进行了研究, 提出了一些相应的改进方法, 如采用测试前自校准的方法、采用双向过零平均鉴相技术、积分测量法, 此外还出现了过零点电压比较法和自由矢量法。这些方法相对而言增加了硬件电路的难度和复杂性, 测量精度提高也不大。硬件法难以避免的缺点, 促使介质损耗因数在线检测法逐渐向软件方向发展,同时, 还充分利用了数字化测量方法将波形信号转换成离散化的数字量, 再利用计算机技术进行存储、分析, 得出测量结果。数字化测量方法克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点, 提高了测量精度及测量结果的稳定性。
变压器介损因数的软件分析方法利用离散傅立叶变换（DFT）对被测试的电压电流信号进行谐波分析, 得出基波, 再求出介质损耗角。以DFT为基础, 出现了正弦波参数法, 以及基于正弦波参数的高阶正弦拟合法, 还有利用相关性来计算同频信号相位差的相关法。正弦波参数法是根据三角函数正交性测量, 但正交性仅在FS和F满足整数倍时才成立。相关法不能消除谐波对测量的影响, 同时也必须满足整周期采样条件，而傅立叶分析法还会因栅栏效应、信号截断造成频域泄漏而影响测量结果[6]。
从国内的情况来看, 电力设备绝缘在线监测系统的运行状况并不令人乐观。根据中国电力科学研究院的调查研究, 表明有很大比例的集中式电力设备绝缘在线监测系统处于不能正常运行或是完全瘫痪状态,(占所调查变电站的30%左右),不能正常运行的原因主要有：介损因数的测量值不准确, 误差较大；信号采
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集部分故障；测量系统抗干扰性差、数据传输和处理部分故障。
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