李海 郑烁
（国网山东省电力公司检修公司 山东省济南市 250000）
摘要：近年来，我国的电力设备的发展迅速，在变压器结构中，套管是一个重要元件，其将变压器内部高、低压引线引到油箱外部，起对地绝缘和固定引线的作用。一般要求套管除满足规定的电气强度和足够的机械强度外，还必须在运行中具有良好的热稳定性和密封性，并能承受短路时的瞬间过热等。变压器套管通常会由于种种原因而导致故障，故障模式主要有局部放电、渗漏、内部绝缘问题等。一旦套管发生故障，则有可能导致大面积停电，严重时影响到整个电网的安全运行。因此，有必要对变压器套管运行状况进行监测与诊断。传统的变压器套管采用离线检测的方式进行监控，这种方式很难及时发现设备在短时间或者不确定的时期内发生的故障，以至于无法对设备故障及时发现、及时判断、及时检修。随着技术发展，检修工作中也逐渐引入一些在线监测手段，如红外测温、油色谱分析、介质绝缘检测等更精确的试验项目，这些试验项目可帮助人们及时了解套管的运行状态，使检修或事故原因诊断更有针对性。上述检测技术都取得了不同程度的成功，但也存在局限性，包括受强电磁场和环境噪声干扰，气体传感器选择性差等。由于光纤传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、复用能力强以及能在恶劣环境下工作等优点，较适合在复杂的电磁环境下工作，因此受到广泛关注。本文中笔者采用全光纤传感器来监测变压器套管的实时状态，并结合计算机技术、信息处理技术等，设计出完整的实时在线综合智能监测系统，对套管运行状态进行实时监测、诊断和预警，把事故消灭在萌芽状态，尽可能减少事故造成的损失。
关键词：变压器套管；绝缘在线监测；系统故障分析；预控
引言
套管是变压器的重要部件之一，据变压器故障数据统计，套管故障占变压器故障的比例高达１４％。因此，套管的绝缘性能试验对变压器的可靠运行有实质意义。套管常规预防性试验需在停电状态下才能进行，且工作量大，可能出现超期或漏试，预验电压低，周期长。以电容型套管介损为例，２２０ｋＶ及以上套管３年预试１次，１１０ｋＶ及以下６年预试一次，但绝缘的劣化速度并不一致，且具有潜伏性，电力设备经预试合格后，投运不久也可能出现故障的情况。鉴于预防性试验的不足，电力设备在线监测技术的运用越来越广泛。在线监测在运行电压下进行实时监测，监测无需设备停电，提高了供电可靠性，节省人力资源，提高经济效益，为设备状态检修提供参考依据，是电力行业发展的趋势。但在线监测系统一旦故障则监测失效，严重时会导致误判。近期云南电网连续发生两起变压器套管绝缘在线监测系统故障，其中一起故障迫使在运主变压器停电。本文通过现场检查对两起故障进行分析，找出故障的主要原因，并提出相应整改措施。
1变压器套管绝缘在线监测系统工作原理
由电压采集单元、保护电路板单元、泄漏电流采集单元等组成。变压器在带电运行情况下流过套管的总电流由有功分量及无功分量两部分组成，泄漏电流采集单元采集总电流的大小，电压采集单元跟踪系统的频率、电压、相角。泄漏电流采集单元及电压采集单元将采集到的信息传给ＩＥＤ监测单元进行数据处理计算后得出流经套管总电流的有功分量及无功分量的比值，即套管介质损耗正切角ｔａｎδ，最终通过比较、诊断ｔａｎδ变化的大小来判断套管绝缘状态的好坏，从而实现套管绝缘状态的在线监测。Ｇ１、Ｒ１、Ｄ１不导通且绝缘良好，末屏接地电流经末屏接地电缆流到大地。
当末屏接地线损坏或者接触不良时，电流无法正常从接地电缆流到大地，此时末屏上电压会升高，Ｇ１、Ｒ１、Ｄ１将根据电压高低，分级导通，将接地电流重新流回大地，从而防止因该末屏接地电缆开路而引发的事故。Ｇ１为气体放电管，其工作原理是，当放电管两极之间施加一定电压时，便在极间产生不均匀电场，在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。Ｒ１为压敏电阻，是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件，当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时，流过它的电流极小，它相当于一个阻值无穷大的电阻。即，当加在压敏电阻上的电压低于其阈值时，它相当于一个断开状态的开关；当加在压敏电阻上的电压超过其阈值时，流过它的电流激增，它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说，当加在它上面的电压高于其阈值时，它相当于一个闭合状态的开关。Ｄ１为ＴＶＳ二极管，又称为瞬态抑制二极管，是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当两端经受瞬间的高能量冲击时，ＴＶＳ能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，把其两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。
2变压器套管绝缘在线监测系统故障分析及预控
2.1套管温度监测———光纤光栅温度传感器
光纤光栅是利用掺杂（如锗、硼等）光纤的光敏性，通过紫外等写入技术导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光栅对入射的宽带光进行选择性反射，反射光的中心波长取决于光栅的条纹间距，而条纹间距取决于光栅所处的环境温度。这样通过检测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅所处区域的温度变化。实际应用中，单个光纤光栅传感器可以测试套管被测区域某点的温度，也可采用波分复用技术，可实现一根光纤上串联多个传感器或多个光纤光栅传感器组成传感器阵列测试多点温度。
2.2套管局放监测———光纤法布里-珀罗局放传感器
局放监测可采用光纤传感器通过监测局放所产生的弧光方式来实现。本文中笔者介绍另一种光纤传感器———法布里-珀罗（Febry-Perot）光纤传感器，即利用法布里-珀罗干涉腔（F-P干涉腔）来对局放进行监测。法布里-珀罗光纤传感器是一种典型的结构型光纤传感器，具体原理是利用光纤将光导入一空腔，腔的一面是硅膜，光纤端面与硅膜组成了F-P腔体。由于局放是一种超声波，这种超声波振动信号作用到硅膜时将导致硅膜发生形变，从而使经过硅膜反射回光纤的光相位发生一定程度的变化，相应会引起光强的变化。通过分析光强的分布可以得到待测超声波的强弱分布，从而得到超声波振动信号波形，即局部放电信号波形。
结语
套管故障是影响变压器安全运行的主要因素之一，通过研究变压器套管故障模式和各种传统的在线监测技术发现，传统的检测技术虽然都取得了不同程度的成功，但存在受强电磁场和环境噪声干扰、气体传感器选择性差等局限性。针对电力变压器套管在线检测的技术需求，本文中笔者有针对性地研究了监测变压器套管常见故障的光纤传感器技术，并提出了基于光纤传感器技术的变压器套管实时在线监测管理综合方案，该方案利用光纤传感器对易发生故障的变压器套管运行状态进行实时监测，借助辅助决策模块对光纤传感器采集的套管运行参数进行分析，及时诊断，对出现的问题提早发现、提早预警，并提出决策建议，从而提高设备可靠性。同时该管理系统还可以与调度系统接口，实现远程调度，这对于确保电网安全运行也具有重要意义。
参考文献：
[1]艳聪.W-PD2高压套管在线监测系统的应用[J].机电信息，2015，441（15）：31-33.
[2]周海洋，李辉，严璋.改进中性点测量法的变压器套管在线监测[J].高电压技术，2002，28（5）：35-37.