1、高电压与电磁兼容北京市重点实验室高电压与电磁兼容北京市重点实验室智慧变压器的发展与状态检修汇报人：李成榕汇报人：李成榕华北电力大学华北电力大学 第九届带电作业技术会议2023年3月23日1EPTC内容 大型电力变压器运行中出现的问题 智慧变压器的功能和意义 智慧变压器的发展现状 状态检修技术的展望EPTC3大型电力变压器运行中出现的问题EPTC 局部放电、过热、绕组变形等缺陷可能导致变压器强迫停运 CIGRE报告：发生内部故障后，约10%的变压器发生起火爆炸特高压变压器（升高座故障）特高压换流变压器（GOE套管家族性缺陷）特高压换流变压器（有载分接开关故障）4/39EPTC故障波形图 短路故障

2、发生前，变压器端部电压电流无任何故障特征 短路故障发生时，故障电流陡升至50kA 保护快速动作，切除变压器 巨大的故障电弧能量形成高温、压力，仍造成变压器爆裂，引起起火511ms后，保护动作故障发生电流50kA故障前，电压电流正常60ms后，故障切除变压器故障爆裂起火典型案例EPTC 状态检修与预防性检修并存 发现缺陷后停电检修的时间不能合理确定 故障点寻找困难 带电作业困难EPTC7智慧变压器的功能和意义EPTC 透明感知：变压器内部多物理场传感 自主诊断：确定内部缺陷类型、严重程度、缺陷位置 自主预测：模拟故障发展过程，进行故障发展预测 主动调控：出现缺陷，自我恢复；与调度交流，变换负荷

3、自我隔离：故障情况，主动保护停运8/20EPTC1.研究背景与意义研究背景与意义9非贯穿的持续电弧放电贯穿的低阻抗高能量电弧间歇性电弧 缺陷 轻微故障 严重故障放电起始时间严重故障击穿缺陷轻微故障故障能量电弧放电发展过程抑制缺陷发展阻断故障发展故障后切除变压器EPTC阻断故障发展抑制缺陷发展 缺陷 轻微故障 严重故障现有保护故障初期切除变压器与系统协调，主动采取调控措施故障后期切除变压器精确感知，主动调控准确辨识，快速切除变压器主动安全保护缺陷故障10被动式保护EPTC11智慧变压器的发展现状EPTC 传感器发展现状 智慧诊断发展的现状 状态预测发展的现状 自我隔离和主动保护发展的现状12/2

4、0EPTC13/20 振动、超声、特高频、油色谱等方法只能在外部进行测量，灵敏度不足 机械式瓦斯保护经常误动 差动电流保护只在大电流下动作，匝间短路等故障不灵敏EPTC14/20 如何在高电压、强磁场、高温场环境下进行内部多物理场时空分布的测量？温度场、电场、磁场、流速场、压力场、溶解气体分布场、绕组应力场 如何设计出高灵敏、高可靠、大动态范围的光纤传感系统？发展光纤传感，突破瓶颈问题，发展智慧变压器EPTC 荧光光纤测温技术：激光激发Eu2O3、Yb2O3、Y2O3等稀土氧化物混合物为主要组分荧光物质发光，通过测量荧光的衰减时间，可以测量温度 拉曼分布式测温技术：测各个点的拉曼反射15/20

5、光纤温度传感器EPTC 基于Pockels效应的光学电场传感器：采用电光晶体做传感器，具有体积小(cm级)、动态范围大(MV/m级)、带宽大、全绝缘介质和抗电磁干扰优势 具有10Hz100MHz的频率带宽，50kV/m 2MV/m的动态范围变压器绕组端部电场测量变压器绕组端部电场测量直流电晕电场测量波形直流电晕电场测量波形长间隙放电电场测量长间隙放电电场测量光学电场传感器EPTC法拉第效应原理：采用的磁光晶体作为传感器探头，且Verdet常数是普通传感光纤的数十倍，同时解决饱和问题与灵敏度问题所研制探头含反射镜，集成度高、灵敏度加倍，动态范围大、绝缘性能优异、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻、安

6、全性高在动态范围内最低具有1 mT分辨率，动态范围从1mT到2TB V L17/20光纤磁场传感器EPTC光纤多普勒的油流速场测量技术 多普勒流速测量原理：激光束遇到油中粒子会产生多普勒效应，粒子散射光频率发生改变，这一部分光携带了相应的运动信息 光纤多普勒测速优势：测量精度高、动态响应快、非接触测量、不受电磁等环境因素干扰、流速场分布测量光纤多普勒测量光路光纤多普勒测速原理18/39参考光频率信号光频率激光出射频率光外差进行FFT频谱分析计算油液流速携带速度信息不变EPTC光纤多普勒的油流速场测量技术 测量范围0-3m/s；速度分辨率可达0.01m/s，较传统机械式流量计提升1个数量级19/

7、39变压器内部流场分布EPTC光纤光栅油中溶解氢气传感器：光纤光栅表面涂覆掺杂钯银合金，钯吸收氢气膨胀。传感器直接放入变压器油介质中，突破传统方法需油气分离的瓶颈，响应时间从1小时降低到5分钟检测下限从1000L/L级提升到1L/L 级 预先涂覆聚酰亚胺及掺杂钯银合金的制备工艺，避免了钯膜脱落传感器制备方案20/20光纤光栅氢气传感器EPTC21光纤布喇格光栅(FBG)原理反射波长对温度和应变敏感EPTC一般的在线装置需要取油，套管不允许取油油压+光纤光栅H2传感=复合式传感氢气浓度与波长偏移量的关系光纤H2传感器第22页 共84页光学传感器监测套管油中溶解H2压力传感器EPTC光纤光栅的压力

8、传感技术23/39 基于波长解调型光纤光栅的工作原理：内部压力增敏元件与外部屏蔽壳分别采用不同弹性模量的材料，使其具备单方向压力测量的能力 传感器整体无金属组件可使其在油中进行安全高效的压力监测，灵敏度约为0.015nm/kPa外部屏蔽壳内部增敏元件光纤压力传感器压力传感器灵敏度放电引起的油压波动EPTC24/20变压器油中溶解乙炔光纤检测技术光纤环腔增敏后全光纤光热干涉油中溶解乙炔探针结构示意图油芯光子晶体光纤仿真模型结构图 基于空心光子晶体光纤气室的变压器油中溶解乙炔直接检测技术：采用光子晶体光纤和光热光谱法测量原理，可在变压器中可以做到分布式测量EPTC 基于Michelson光纤干涉仪

9、的局部放电超声传感器：光干涉信号的强度与两束光的相位差相关，当外部超声波作用于传感光纤上，传感光纤中光的相位受到调制，并最终反映为探测器检测到的光强度变化 相比现有压电式超声传感器，灵敏度全频带平均增加31.8dB(中国计量科学研究院检测)，相比传统传感器检测性能大幅提升光纤超声传感系统基本拓扑光纤超声局放检测系统测试25/20光纤超声传感器EPTC 通过光源调制、载波频分复用技术实现了分布式局部放电超声传感，可用于局部放电和电弧放电的定位420ir1044220r00i0r0i001101()()212cos2+()-+()2iiiiriiI tnEEn EEEEttMtuu ruu rii

10、gLv传感光：参考光：ii0iii0()exp2()EtEjf ttuuuu rrr0rr 0()exp2EtEjf tuuuu r1）一个光源）一个光源2）线宽窄）线宽窄3）同步复用）同步复用26/20分布式超声传感定位系统EPTC 通过仿真与试验确认传感器引入对变压器绝缘影响较小，部分传感器实现了500kV变压器的内部安装应用光纤引出路径 光纤爬电裕度 光纤在绕组上的安装27/20光纤引出 光纤垫片安装 光纤变压器壳体引出光纤传感器对变压器内绝缘可靠性的影响EPTC 传感器发展现状 智慧诊断发展的现状 状态预测发展的现状 自我隔离和主动保护发展的现状28/20EPTC 基于深度机器学习的P

11、D绝缘缺陷诊断技术 基于数字孪生的变压器诊断技术29/20EPTC基于深度机器学习的局部放电（PD）绝缘缺陷诊断技术30 构建了变压器多种绝缘缺陷的PD UHF信号特征谱图样本数据库 提出了变压器设备绝缘缺陷诊断的立体指纹特征量 创新了基于深度学习的变压器绝缘缺陷分层诊断方法EPTC31指纹特征量元素说明放电相位N放电重复率w放电相位宽度(N+)正半周放电次数均值(N-)负半周放电次数均值(N)所有放电次数的均值(N(v)放电幅值分布的均值Vmax-sk-Vmax-谱图负半周偏斜度(t)放电脉冲间隔均值PRPD(DB-)PRPD负半周盒维数PRPD(DI+)PRPD正半周信息维数 从18906

12、个参数中初步遴选了102个特征参数作为备选指纹特征量 利用K-L变换和粗糙集理论（RST）分别解决了特征空间重叠和边界模糊的难题 实现了大样本条件下指纹特征的有效降维降为26个指纹特征的降维26维指纹特征量EPTC32分层多元模式诊断结果智能诊断软件多隐层重排序机制的深度机器学习模型及算法32变压器设备绝缘状态智能诊断系统辨识放电类和严重程度EPTC33控制方程控制方程?，?gen1?，?，?gen1?1?|?exp?|?9.6324E?V对流扩散场致电离泊松方程一维油中放电发展油中放电的MIT电动流体力学模型变压器内部电弧故障的模拟方法基于数字孪生的变压器诊断技术可实现毫米级的油间隙放电或局

13、部放电一维数值模拟EPTC34有限元-元胞自动机模型的耦合关系针板电极模型a)正视图b)侧视图从MIT电流体力学流注放电模型提取放电阈值，采用放电判据与电势降落对放电过程中载流子产生、迁移及消散行为进行综合考虑基于有限元和元胞自动机耦合方法，模拟流注的分形过程 提出了油纸绝缘厘米级沿面放电仿真模型基于数字孪生的变压器诊断技术EPTC35演化过程U=0.8UiU=1.0Ui流注长度随着外施电压增加，电流越大，放电发展速度越大，分形维数越大 仿真了外施电压对5cm油纸绝缘间隙沿面放电过程的影响分形维数U=1.4UiU=1.2Ui电流的变化规律基于数字孪生的变压器诊断技术EPTC36调整外施电压幅值

14、，根据流注能否发展到地电极来判断是否击穿计算出油纸绝缘厘米级沿面放电模型的闪络电压1cm沿面距离下不同外施电压的头部电势随仿真步数的变化规律基于数字孪生的变压器诊断技术45kV47kV50kVEPTC37沿面放电发展过程中，侧面流注的试验和仿真结果具有相同的分形特征：放电通道紧贴油纸界面迅速向前发展，出现多条主流注通道侧面流注试验(左)与仿真结果(右)对照验证了油纸绝缘沿面放电仿真方法基于数字孪生的变压器诊断技术EPTC38沿面放电发展过程中，正面流注的试验和仿真结果具有相同的发展规律：导电性主放电通道的发展屏蔽周围电场强度，部分细丝状流注逐渐消失正面流注试验(左)与仿真结果(右)对照验证了油

15、纸绝缘沿面放电仿真方法基于数字孪生的变压器诊断技术EPTC39流注仿真模型气泡气泡半径半径0.01mm电场电场强度强度电荷电荷密度密度提出了过热产气后放电故障仿真模型油中：电荷连续性方程高斯方程电流连续性方程场致电离方程传热方程气泡中：电荷连续性方程高斯方程电流连续性方程碰撞电离方程传热方程无气泡距流注中心0.05mm有、无气泡下的流注发展过程气泡气泡无气泡有气泡基于数字孪生的变压器诊断技术EPTC 传感器发展现状 智慧诊断发展的现状 状态预测发展的现状 自我隔离和主动保护发展的现状40/20EPTC 基于态势量的变压器状态预测 基于数字孪生的变压器状态预测41/20EPTC42/27 基于大

16、数据库挖掘状态量时序、关联、模糊、映射关系及专家经验，融合形成反映设备运行趋势的态势量；构建适用于态势量的结构优化注意力预测模型，实现对健康状态的长期预测基于态势量的变压器状态预测态势量s(t+n)共享中间编码Ci误差在单个注意力模型中流动误差在注意力模型的中间编码间流动结构优化注意力模型结构优化注意力模型态势量s(t)误差全局流动 获取全局最优误差全局流动 获取全局最优误差全局流动混沌预测模型混沌预测模型31.532.032.533.033.534.034.535.035.536.031.532.032.533.033.534.034.535.035.536.0Projection Area

17、:12.064x(i+16)x(i)当前时刻t态势量的相空间31.532.032.533.033.534.034.535.035.536.031.532.032.533.033.534.034.535.035.536.0Projection Area:12.064x(i+16)x(i)未来n个时刻态势量吸引子轨迹混沌规律预测强化学习模型强化学习模型注意力预测（拟合优势）混沌预测（混沌优势）EPTC 应用：对华南、华北以及西北等多省份的327个案例变压器的状态进行预测 短期（15天）预测：结构优化注意力预测模型的准确率可达96.33%，较传统预测方法提升14.37%；长期（60天）预测：强化学习

18、模型预测准确率可至91.44%，较传统预测方法提升20.49%长期预测方法准确率误报率漏报率传统先预测再诊断70.95%15.29%13.76%强化学习91.44%3.67%4.89%短期预测方法准确率误报率漏报率传统先预测再诊断81.96%3.06%14.98%结构优化注意力96.33%6.67%0%短期预测长期预测基于态势量的变压器状态预测EPTC44例如在油纸沿面放电发展过程中，通过模拟正面流注的发展规律，来预测变压器电弧放电的发展程度正面流注试验(左)与仿真结果(右)对照 通过变压器中数字孪生体的状态发展，对变压器状态预测基于数字孪生的变压器状态预测EPTC 传感器发展现状 智慧诊断发

19、展的现状 状态预测发展的现状 自我隔离和主动保护发展的现状45/20EPTC多物理场参量融合的变压器主动安全保护方法 电弧故障的主动保护 新型瓦斯保护 匝间短路的辨识与保护 压力保护EPTC47非贯穿的持续电弧放电贯穿的低阻抗高能量电弧间歇性电弧 缺陷 轻微故障 严重故障放电起始时间严重故障击穿缺陷轻微故障故障能量电弧放电发展过程电弧故障的主动保护主动保护EPTC48典型的特征参量：当放电向纸板内部发展时，会出现气泡放电，放电波形呈小而密的梳子状；当放电发展到后期常出现成串气泡时，时域波形体现为高幅值的簇状主动保护判据：放电簇状波形，游离气体氢的含量、流速、压力c)d)均压球尖刺2mm厚纸板厚

20、纸板10mm油隙油隙铜箔铜箔，与箱壁连接电弧故障的主动保护EPTC 新型瓦斯保护：数字保护 防止误动的多参数保护判据：多点流速参数，游离气体氢量、放电参数 匝间短路的辨识与保护 提高灵敏度的多参数保护判据：磁场参数、电场参数、放电参数（匝间短路时，漏磁变化范围大0.1T到1T）EPTC 数字压力保护 启动多点压力释放阀的判据：多点压力参数、多点流速参数、放电参数 绕组变形的监测：漏磁检测：绕组变形时漏磁变化微弱(0.01T)EPTC51变压器状态检修技术的展望EPTC未来智慧检修的场景 早期的缺陷带电作业检修 微小机器人进入变压器内带电检修 放电缺陷：半导体材料均匀电场 过热缺陷：导电胶修复接触不良，耐热纸的覆盖EPTC 发展到晚期的大缺陷停电检修依据缺陷发展的预测，准确确定停电检修的时间依据故障点的定位，准确确定故障点的位置 自修复功能制备在表面具有纳米囊体的绝缘纸，当温度过高时，囊体就会破裂，流出液体具有耐高温特性，覆盖纸面EPTC54谢谢！EPTC