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摘要：在检修方式由定期检修到状态检修的转变时期，变压器的各种在线监测手段也得到了加大的提升，两者互相促进、共同发展，色谱分析、红外检测、在线干燥、冷却系统等在线监测等技术得到了成熟的应用，实时反馈了大量的监控数据，对判断变压器的运行状态，制定最佳检修策略，提供依据。变压器在线检测技术的广泛应用，提高了变压器的运行可靠性和检修效率。
关键词：电力变压器在线监测色谱状态检修
引言
变压器状态监测，涉及到的主体部件为:磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘、和冷却系统。拟诊断的故障为:过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。目前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方法。
1. 变压器色谱在线监测系统的的应用
在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同時要适应环境的变化。从检测机理上讲， 现有油中气体检测装置大都采用以下四种方法
1.1气相色谱法
变压器色谱在线监测系统的普遍工作流程图为：系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。变压器油在油泵作用下进入油气分离装置，分离出变压器油中的溶解气体， 经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入定量管中。定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体(H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6)变换成电压信号。色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。油中溶解水分由单独的传感器检测，将数据传至数据处理服务器。最后由故障诊断专家系统对变压器进行故障分析，从而实现变压器故障的在线监测。
1.2阵列式气敏传感器法
采用由多个气敏传感器组成的阵列，由于不同传感器对不同气体的敏感度不同，而气体传感器的交叉敏感是极其复杂的非线性关系，采用神经网络结构进行反复的离线训练可以建立各气体组分浓度与传感器阵列响应的对应关系，消除交叉敏感的影响，从而不需要对混合气体进行分离，就能实现对各种气体浓度的在线监测。其主要缺点是传感器漂移的累积误差对测量结果有很大的影响;训练过程(即标定过程)复杂，一般需要几十到一百多个样本。
1.3红外光谱法
红外光谱气体检测原理是基于气体分子吸收红外光的吸光度定律，吸光度与气体浓度以及光程具有线性关系。由光谱扫描获得吸光度并通过吸光度定律计算可得到气体的浓度。这种方法具有扫描速度快、测量精度高的特点，但其有价格昂贵。精密光学器件维护量大、检测所需气样较多(至少要100mL)以及对油蒸汽和湿度敏感等缺点。
1.4光声光谱法
光声光谱检测技术是基于光声效应，光声效应是由于气体分子吸收电磁辐射(如红外线)而造成。气体吸收特定波长的红外线后温度升高，但随即以释放热能的方式退激， 释放出的热能使气体产生成比例的压力波。压力波的频率与光源的截波频率一致，并可通过高灵敏微音器检测其强度，压力波的强度与气体的浓度成比例关系。由敏感元件(微音器或压电元件)检测，配合锁相放大等技术，就得到反映物质内部结构及成分含量的光声光谱。光声光谱方法的检测精度主要取决于气体分子特征吸收光谱的选择、窄带滤光片的性能和电容型驻极微音器的灵敏度，分析所需样品量小(仅需2mL～3mL)，不需载气。其主要缺点是检测精度不够高、高透过率的滤光片难以制造以及对油蒸汽污染敏感，环境适应能力较差。
2变压器故障的红外监测
红外技术是随着近代光电子技术发展而产生的一门崭新的技术领域，它的主要原理是基于:任何高于绝对零度的物体都会因自身分子运动而辐射出红外线。红外线是一种电磁波，其波长在0.75～1000 m之间，按波长范围分近红外（0.75～3 m）、中红外（3～6 m）、远红外（6～15 m）、极远红外（15～1000 m）。
2.1红外监测的原理
由于物体表面由许多单元组成，所以物体表面都存在一个热辐射能量场，相应有一个温度分布场。红外成像仪就是利用对物体表面红外辐射强弱进行探测而呈现出物体表面形状轮廓及温度分布情况，以便人眼观察的仪器。红外图像的亮暗反映出物体表面温度的高低，通过对物体表面温度及温度场的检测便可以判断设备是否存在缺陷。红外检测作为一种先进检测手段，是电力系统各单位近年来大力推广应用的新技术。对运行中电气设备热故障进行红外检测，具有不停电、远距离、安全可靠、准确高效地发现设备热故障地点，是实现带电检测，进而实现设备状态检修的最有效手段之一。
2.2红外诊断主要能发现的故障类型
高压电气设备在正常运行情况下，将有部分电能以不同损耗形式转化为热能，使电气设备温度升高，这些电能损耗主要包括由于电阻的电流效应引起的发热；由于电压作用在绝缘介质上引起的发热；由于铁芯的磁滞、涡流等电磁效应引起的发热。高压电气设备存在外部和内部故障，外部故障可分为:电气接头连接不良；表面污秽或机械力作用造成外绝缘下降。而内部故障主要发生在导电回路和绝缘介质上，一般可概括为:导体连接或接触不良；介质损耗增大；电压分布不均或泄漏电流过大；绝缘老化、受潮、缺油等产生局部放电、磁回路不正常。对于变压器而言，红外诊断主要能发现的故障有：
⑴ 箱体涡流损耗发热。主要由于漏磁产生的涡流引起箱体或部分连接螺杆发热。
⑵ 变压器内部异常发热。这是的热谱图不具有环流形状，常常伴有变压器内部油的气化，可结合油色谱进行综合分析。
⑶ 冷却装置及油回路异常。常出现潜油泵过热；油路管道堵塞或阀门未能开启；油枕缺油或假油位；油枕内有积水。
⑷ 高压套管缺陷。介质损耗增大；套管缺油；导电回路连接件接触不良
⑸ 铁芯绝缘不良。干式变压器的热谱图比较明显，而油浸式变压器需要吊罩后施加一定试验电压才能观测到铁芯绝缘损坏情况。
目前红外诊断技术已在电力系统广泛应用，及时发现了较多的故障隐患，为电力系统安全运行提供了可靠保证。
3变压器微水在线监测带电除水滤油装置的应用
3.1变压器油中的水分产生机理与危害
对于非密封性变压器来说，水份不仅通过油枕或安装不当的绝缘垫圈渗透至变压器内部，长链葡萄糖烃类分子（绝缘纸和绝缘合成纤维板的成分）的分解也会产生水。水分的含量对变压器油的绝缘性起着决定性的影响，油中过多的含水量将加速绝缘材料的老化，并降低绝缘性，进而导致设备运行的不稳定和潜在危险，而高温时水份蒸发出的蒸气或游离分子则可导致局部放电和闪络事故。
3.2实现在线干燥的方法
允许变压器在正常负载的情况下，干燥装置连接在主油循环回路上，它可以平稳的从负载变压器油中去除水分。除水过程：纤维材料中的水分逸出并溶解到油中，油中的水通过主油循环进入过滤器的滤芯，该滤芯是整套装置的核心技术，滤芯起到吸附绝缘油中水分的作用，而干燥过程不会使变压器的油循环产生急剧变化。
3.3在线滤油装置应用的优点
(1)在线干燥装置能长时间在线干燥变压器油，而不需要变压器离线，节约了维护费用。
(2)经过干燥装置对变压器油进行处理后，能使其内部含水量维持在最佳水平，不仅提高了绝缘介电强度，而且提高了其经受高电应力的能力；从而提升了变压器的可靠性。同时减缓了变压器的老化，增加设备使用率，推迟资产投资成本。
4、变压器冷却系统在线智能监控装置的应用
循环冷却系统也是变压器结构的重要组成部分，220kV变压器普遍采用强迫油循环风冷却方式。常规的变压器冷却系统控制装置采用接触器、中间继电器和時间继电器等有触点继电器接触器逻辑系统实现对冷却器进行投入或切断的控制。冷却系统发生故障时，也不能提供故障详细信息，会延误故障的排除和装置的修复。其没有通信功能，集控中心不掌握风冷系统的工作状态和故障情况，也不能远方控制冷却器。目前市场上出现了多种变压器冷却系统智能监控装置。该装置既控制冷却系统的工作，又监视冷却系统的运行，可实现实时在线监控。
4.1 变压器冷却系统智能监控装置的原理
变压器智能冷却系统一般由变压器冷却器、智能监控装置和远动装置组成。变压器的负载电流、油温及冷却系统工况数据通过人机界面送入智能监控装置，智能监控装置根据输入信号自动控制冷却器工作，并将冷却系统的有关信息发送到集控中心，同时接收集控中心命令。
4.2变压器冷却系统智能监控装置的功能
各种变压器冷却系统监控装置有不同的软件和逻辑，实现的起控制的方式不同，但基本可具备以下功能：
(1)检测告警功能：通过不同人机界面显示状态，自动检测冷却器的风扇电机和油泵电机及系统的运行信息和故障信息，提示故障油泵、风扇电机和接触器等的故障信息。
(2)通过编程及定值整定实现控制功能：手动/自动和远方/就地控制冷却 器工作。装置根据变压器油温高低和负载电流大小自动循环投入或退出冷却器。变压器投入电网时，能自动投入相应数量的冷却器。变压器退出电网时，能自动切除全部投入运行的冷却器。运行中如部分冷却器出现故障时，系统能自动切换运行。如冷却器全停，报警并延时适当时间后，跳闸切除变压器。当控制系统发生故障时，系统强制投入全部冷却器，并发出报警信号到集控中心。
(3) 通信及远方监控功能：通过本装置和远方集控中心的通信，可实现遥信、遥测和遥控。遥信量有变压器 油温、变压器负荷电流及变压器绕组温度。遥测量有每路电源工作/备用状态和故障，即冷却器全停故 障，每台冷却器工作、停止及故障，风扇电机过载、断相、短路故障，油泵电机过载、断相、短路故障，风扇及油泵电机接触器故障，风扇及油泵非正常故障，智能监控装置本身故障，控制电源故障等。
5.其他在线检测方法
5.1套管在线监测
在对于大多数变压器故障的研究中，变压器套管故障是最主要的故障形式之一。随着水分的渗入和油的品质降低，绝缘纸的老化以及过热都会导致高压套管绝缘品质的下降。随着绝缘品质的降低，发生的局放现象会引起电树或是绝缘纸的穿孔而进一步的损坏绝缘。这种套管绝缘品质的改变通常都会引起套管介损和电容值的改变。
套管在线监测通过连接到套管抽头上的传感器所采集到的三相电流，经过和电流法分析和计算得出套管的电容和介损变化，从而及时发现套管故障，保证变压器正常运行。
5.2绕组温度指示
绕组温度指示器就是用于监测变压器绕组的温度，给出越限报警，并在需要时启动保护跳闸。目前已开发出一种用于大型变压器绕组温度监测的新技术，即将一条光纤嵌入变压器绕组以便直接测量绕组的实时温度，从而改进变压器的预测建模技术，并达到实时监测变压器绕组温度状态的目的。
结论
电力变压器的在线监测技术与状态检修作为我国电力系统实现体制转变、提高电力设备的科学管理水平的有力措施，是今后在电力生产中努力和发展的方向。实践也证明了在线监测可以很好解决设备的状态监测，及时、准确的为设备提供可靠的状态分析。目前，变压器试验已基本实现了由常规的电气试验向状态检修过渡，结合多种方法及时对其故障进行监测和分析，力图把隐患消除在萌芽状态。
关键词：电力变压器在线监测色谱状态检修
引言
变压器状态监测，涉及到的主体部件为:磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘、和冷却系统。拟诊断的故障为:过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。目前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方法。
1. 变压器色谱在线监测系统的的应用
在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同時要适应环境的变化。从检测机理上讲， 现有油中气体检测装置大都采用以下四种方法
1.1气相色谱法
变压器色谱在线监测系统的普遍工作流程图为：系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。变压器油在油泵作用下进入油气分离装置，分离出变压器油中的溶解气体， 经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入定量管中。定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体(H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6)变换成电压信号。色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。油中溶解水分由单独的传感器检测，将数据传至数据处理服务器。最后由故障诊断专家系统对变压器进行故障分析，从而实现变压器故障的在线监测。
1.2阵列式气敏传感器法
采用由多个气敏传感器组成的阵列，由于不同传感器对不同气体的敏感度不同，而气体传感器的交叉敏感是极其复杂的非线性关系，采用神经网络结构进行反复的离线训练可以建立各气体组分浓度与传感器阵列响应的对应关系，消除交叉敏感的影响，从而不需要对混合气体进行分离，就能实现对各种气体浓度的在线监测。其主要缺点是传感器漂移的累积误差对测量结果有很大的影响;训练过程(即标定过程)复杂，一般需要几十到一百多个样本。
1.3红外光谱法
红外光谱气体检测原理是基于气体分子吸收红外光的吸光度定律，吸光度与气体浓度以及光程具有线性关系。由光谱扫描获得吸光度并通过吸光度定律计算可得到气体的浓度。这种方法具有扫描速度快、测量精度高的特点，但其有价格昂贵。精密光学器件维护量大、检测所需气样较多(至少要100mL)以及对油蒸汽和湿度敏感等缺点。
1.4光声光谱法
光声光谱检测技术是基于光声效应，光声效应是由于气体分子吸收电磁辐射(如红外线)而造成。气体吸收特定波长的红外线后温度升高，但随即以释放热能的方式退激， 释放出的热能使气体产生成比例的压力波。压力波的频率与光源的截波频率一致，并可通过高灵敏微音器检测其强度，压力波的强度与气体的浓度成比例关系。由敏感元件(微音器或压电元件)检测，配合锁相放大等技术，就得到反映物质内部结构及成分含量的光声光谱。光声光谱方法的检测精度主要取决于气体分子特征吸收光谱的选择、窄带滤光片的性能和电容型驻极微音器的灵敏度，分析所需样品量小(仅需2mL～3mL)，不需载气。其主要缺点是检测精度不够高、高透过率的滤光片难以制造以及对油蒸汽污染敏感，环境适应能力较差。
2变压器故障的红外监测
红外技术是随着近代光电子技术发展而产生的一门崭新的技术领域，它的主要原理是基于:任何高于绝对零度的物体都会因自身分子运动而辐射出红外线。红外线是一种电磁波，其波长在0.75～1000 m之间，按波长范围分近红外（0.75～3 m）、中红外（3～6 m）、远红外（6～15 m）、极远红外（15～1000 m）。
2.1红外监测的原理
由于物体表面由许多单元组成，所以物体表面都存在一个热辐射能量场，相应有一个温度分布场。红外成像仪就是利用对物体表面红外辐射强弱进行探测而呈现出物体表面形状轮廓及温度分布情况，以便人眼观察的仪器。红外图像的亮暗反映出物体表面温度的高低，通过对物体表面温度及温度场的检测便可以判断设备是否存在缺陷。红外检测作为一种先进检测手段，是电力系统各单位近年来大力推广应用的新技术。对运行中电气设备热故障进行红外检测，具有不停电、远距离、安全可靠、准确高效地发现设备热故障地点，是实现带电检测，进而实现设备状态检修的最有效手段之一。
2.2红外诊断主要能发现的故障类型
高压电气设备在正常运行情况下，将有部分电能以不同损耗形式转化为热能，使电气设备温度升高，这些电能损耗主要包括由于电阻的电流效应引起的发热；由于电压作用在绝缘介质上引起的发热；由于铁芯的磁滞、涡流等电磁效应引起的发热。高压电气设备存在外部和内部故障，外部故障可分为:电气接头连接不良；表面污秽或机械力作用造成外绝缘下降。而内部故障主要发生在导电回路和绝缘介质上，一般可概括为:导体连接或接触不良；介质损耗增大；电压分布不均或泄漏电流过大；绝缘老化、受潮、缺油等产生局部放电、磁回路不正常。对于变压器而言，红外诊断主要能发现的故障有：
⑴ 箱体涡流损耗发热。主要由于漏磁产生的涡流引起箱体或部分连接螺杆发热。
⑵ 变压器内部异常发热。这是的热谱图不具有环流形状，常常伴有变压器内部油的气化，可结合油色谱进行综合分析。
⑶ 冷却装置及油回路异常。常出现潜油泵过热；油路管道堵塞或阀门未能开启；油枕缺油或假油位；油枕内有积水。
⑷ 高压套管缺陷。介质损耗增大；套管缺油；导电回路连接件接触不良
⑸ 铁芯绝缘不良。干式变压器的热谱图比较明显，而油浸式变压器需要吊罩后施加一定试验电压才能观测到铁芯绝缘损坏情况。
目前红外诊断技术已在电力系统广泛应用，及时发现了较多的故障隐患，为电力系统安全运行提供了可靠保证。
3变压器微水在线监测带电除水滤油装置的应用
3.1变压器油中的水分产生机理与危害
对于非密封性变压器来说，水份不仅通过油枕或安装不当的绝缘垫圈渗透至变压器内部，长链葡萄糖烃类分子（绝缘纸和绝缘合成纤维板的成分）的分解也会产生水。水分的含量对变压器油的绝缘性起着决定性的影响，油中过多的含水量将加速绝缘材料的老化，并降低绝缘性，进而导致设备运行的不稳定和潜在危险，而高温时水份蒸发出的蒸气或游离分子则可导致局部放电和闪络事故。
3.2实现在线干燥的方法
允许变压器在正常负载的情况下，干燥装置连接在主油循环回路上，它可以平稳的从负载变压器油中去除水分。除水过程：纤维材料中的水分逸出并溶解到油中，油中的水通过主油循环进入过滤器的滤芯，该滤芯是整套装置的核心技术，滤芯起到吸附绝缘油中水分的作用，而干燥过程不会使变压器的油循环产生急剧变化。
3.3在线滤油装置应用的优点
(1)在线干燥装置能长时间在线干燥变压器油，而不需要变压器离线，节约了维护费用。
(2)经过干燥装置对变压器油进行处理后，能使其内部含水量维持在最佳水平，不仅提高了绝缘介电强度，而且提高了其经受高电应力的能力；从而提升了变压器的可靠性。同时减缓了变压器的老化，增加设备使用率，推迟资产投资成本。
4、变压器冷却系统在线智能监控装置的应用
循环冷却系统也是变压器结构的重要组成部分，220kV变压器普遍采用强迫油循环风冷却方式。常规的变压器冷却系统控制装置采用接触器、中间继电器和時间继电器等有触点继电器接触器逻辑系统实现对冷却器进行投入或切断的控制。冷却系统发生故障时，也不能提供故障详细信息，会延误故障的排除和装置的修复。其没有通信功能，集控中心不掌握风冷系统的工作状态和故障情况，也不能远方控制冷却器。目前市场上出现了多种变压器冷却系统智能监控装置。该装置既控制冷却系统的工作，又监视冷却系统的运行，可实现实时在线监控。
4.1 变压器冷却系统智能监控装置的原理
变压器智能冷却系统一般由变压器冷却器、智能监控装置和远动装置组成。变压器的负载电流、油温及冷却系统工况数据通过人机界面送入智能监控装置，智能监控装置根据输入信号自动控制冷却器工作，并将冷却系统的有关信息发送到集控中心，同时接收集控中心命令。
4.2变压器冷却系统智能监控装置的功能
各种变压器冷却系统监控装置有不同的软件和逻辑，实现的起控制的方式不同，但基本可具备以下功能：
(1)检测告警功能：通过不同人机界面显示状态，自动检测冷却器的风扇电机和油泵电机及系统的运行信息和故障信息，提示故障油泵、风扇电机和接触器等的故障信息。
(2)通过编程及定值整定实现控制功能：手动/自动和远方/就地控制冷却 器工作。装置根据变压器油温高低和负载电流大小自动循环投入或退出冷却器。变压器投入电网时，能自动投入相应数量的冷却器。变压器退出电网时，能自动切除全部投入运行的冷却器。运行中如部分冷却器出现故障时，系统能自动切换运行。如冷却器全停，报警并延时适当时间后，跳闸切除变压器。当控制系统发生故障时，系统强制投入全部冷却器，并发出报警信号到集控中心。
(3) 通信及远方监控功能：通过本装置和远方集控中心的通信，可实现遥信、遥测和遥控。遥信量有变压器 油温、变压器负荷电流及变压器绕组温度。遥测量有每路电源工作/备用状态和故障，即冷却器全停故 障，每台冷却器工作、停止及故障，风扇电机过载、断相、短路故障，油泵电机过载、断相、短路故障，风扇及油泵电机接触器故障，风扇及油泵非正常故障，智能监控装置本身故障，控制电源故障等。
5.其他在线检测方法
5.1套管在线监测
在对于大多数变压器故障的研究中，变压器套管故障是最主要的故障形式之一。随着水分的渗入和油的品质降低，绝缘纸的老化以及过热都会导致高压套管绝缘品质的下降。随着绝缘品质的降低，发生的局放现象会引起电树或是绝缘纸的穿孔而进一步的损坏绝缘。这种套管绝缘品质的改变通常都会引起套管介损和电容值的改变。
套管在线监测通过连接到套管抽头上的传感器所采集到的三相电流，经过和电流法分析和计算得出套管的电容和介损变化，从而及时发现套管故障，保证变压器正常运行。
5.2绕组温度指示
绕组温度指示器就是用于监测变压器绕组的温度，给出越限报警，并在需要时启动保护跳闸。目前已开发出一种用于大型变压器绕组温度监测的新技术，即将一条光纤嵌入变压器绕组以便直接测量绕组的实时温度，从而改进变压器的预测建模技术，并达到实时监测变压器绕组温度状态的目的。
结论
电力变压器的在线监测技术与状态检修作为我国电力系统实现体制转变、提高电力设备的科学管理水平的有力措施，是今后在电力生产中努力和发展的方向。实践也证明了在线监测可以很好解决设备的状态监测，及时、准确的为设备提供可靠的状态分析。目前，变压器试验已基本实现了由常规的电气试验向状态检修过渡，结合多种方法及时对其故障进行监测和分析，力图把隐患消除在萌芽状态。