基于紫外檢測變壓器狀態的在線監測系統研究

摘 要：本研究研制了一種基于紫外法的變壓器在線檢測裝置，實現對變壓器狀態的準確識別，且具有時間快、準確度高、抗干擾能力強等優點。本論文研究了紫外脈沖法的測量原理，并給出了系統硬件各部分的組成以及原理。該檢測裝置可單獨用于變壓器，也可為各種繼電保護設備提供接口，提高了變壓器的技術水平。本研究也進行了裝置的實證應用試驗，證明了該裝置能夠準確在線檢測變壓器的狀態。

關鍵詞：紫外法；紫外光功率法；變壓器；在線檢測

中圖分類號：TM421 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01

一、概述

隨著世界上裝機容量的迅速增長，對供電可靠性的要求越來越高。對電力設備進行在線監測與故障診斷，是實現設備預知性維修的前提，是保證設備安全運行的關鍵，也是對傳統的離線預防性試驗的重大補充和拓展。由于現場環境中的電磁干擾信號可能比變壓器內部局部放電脈沖電流信號還強，在對局部放電進行在線監測時，局部放電信號完全可能被電磁干擾信號淹沒。因此，大型變壓器局部放電在線監測的關鍵技術之一是如何在強電磁干擾環境中有效地檢測出局部放電信號。

二、基本原理

本研究通過檢測變壓器的內部放電強度和套管溫升兩個主要因素，來判斷變壓器內部絕緣狀況。通過球型鏡頭連接紫外光纖收集并傳輸放電信息，另一方面采用紅外光纖傳遞套管的溫度信息，最后監測終端對紫外光和紅外光進行檢測處理，獲得變壓器的運行狀態。

（一）套管溫度檢測

針對變壓器出線套管的溫度監測，采用紅外測量方式，可以采用將紅外傳感器對準套管最易溫升部位，或者，通過預埋紅外光纖連接于紅外傳感器，收集套管溫度紅外信息，然后進行檢測。紅外測溫裝置由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。

（二）紫外脈沖法的檢測原理

由于紫外光纖良好的絕緣性能，便于安置。在變壓器內布置多個紫外光纖探頭，構成放電檢測矩陣，可對變壓器的局放放電進行在線監測和快速故障定位。這樣，可以通過檢測到的紫外脈沖功率計算局部放電的能量。當變壓器中出現絕緣老化或者破壞時，主要表現為繞組氣縫放電和表面放電，其阻值變化引起局部電壓分布改變，局部電場強度集中、電流密度加大，從而絕緣破壞處的放電脈沖增加。通過分析絕緣老化和破壞放電脈沖的變化，可以用軟件方式推斷變壓器局部放電情況。

三、主要研究內容

（一）整體方案

監測系統分為紫外光纖球形探頭、紫外光纖傳輸通道、紫外監測儀、處理主站三大部分。在每個變壓器的監測部安裝紫外光纖球形頭探測矩陣，當絕緣老化或者破壞時發生放電，發出的紫外光經紫外光纖，傳輸到紫外監測儀，由光電倍增管輸出電脈沖，經過控制及數據處理模塊記錄紫外線脈沖，通信模塊以無線或者有線方式連續向中心主站傳遞數據。中心主站通過對大量現場數據的分析，判定變壓器絕緣狀態和變壓器運行狀況，提供運行參考。

（二）紫外監測儀硬件結構

本檢測系統以光電倍增管為檢測傳感器，以C8051F120單片機為處理核心。PMT接收經濾光片過濾后的紫外光，通過負載電阻將光信號轉換為電壓信號并進行放大，分別經脈沖甄別電路和A/D轉換電路處理，再進行脈沖計數操作與數字積分操作，兩個功能可通過鍵盤操作進行切換。信號可以以數據和波形的形式顯示在液晶顯示器或者通過RS232 通信接口傳送到計算機上做進一步處理。

四、可行性試驗研究

（一）紫外傳感器和紫外放電監測儀器的研究

應用國產紫外傳感器（2000cps）已經試制出紫外放電檢測電路板，能在10米、1200范圍內有效檢測出放電火花，并且不受日光、溫度等外部環境條件的干擾，和其他檢測手段相比，指標在國內處于領先地位。放電檢測裝置的測試條件為，采用日盲型紫外傳感器，檢測波長范圍為190～260nm，電源電壓309V，環境溫度26度，室內測試，用Agilent54622A示波器記錄輸出波形。

（二）遠距離高壓線路放電測試試驗

試驗表明，當330 kV運行線路上出現帶電時，檢測到放電脈沖數顯著增加，而且檢測靈敏度極高，證明該方法可以作為高壓設備放電的在線監測手段。采用紫外放電檢測儀在實驗室進行了針板放電試驗和變電站現場試驗，采用光電倍增管的紫外光能量檢測試驗表明：（1）無論是火花發生器放電還是針板放電，都可以被光電倍增管有效檢測；（2）火花發生器放電檢測結果符合光電光電效應第一定律，說明其對紫外輻射功率的測量是有效的；（3）針板放電下符合隨著針板間距離的增加，放電強度增大和隨著放電電壓的增大，針板間放電強度呈增大這兩個規律，說明其對紫外功率的測量能夠反映電暈放電的程度。

五、結束語

采用光檢測手段進行電力變壓器的局部放電檢測是一個全新的研究，比傳統上的脈沖電流法和電磁場法在檢測上更加直觀和靈敏，幾乎沒有干擾，所以能取得較好的效果。該檢測方法成本較低，檢測效果靈敏，能進行變壓器絕緣在線檢測和絕緣劣化的早期預報，具有較好的工程實用價值。

參考文獻：

[1]王海鵬，曾嶸，何金良.利用GSM網絡實現配電網絡遠程數據的可行性分析[J].高壓電器，2002（05）：12-15.

[2]李順宗，董其國，嚴行健.配電系統節能技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]胡景生.變壓器能效與節能技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]鄭小堯，王新堂，王大尉，王健.2008年南方冰災輸電塔損毀原因調查與分析[J].寧波大學學報，2009（04）：558-562.

[5]胡景生，趙躍進.配電變壓器能效標準實施指南[M].北京：中國標準出版社，2007.

[作者簡介]向椿，工程師，研究方向：電力系統變電運行與計量。