配電網(wǎng)作為整個電網(wǎng)運(yùn)行的終端，其供電質(zhì)量和供電可靠性直接影響客戶對供電公司的評價。而配電變壓器作為配電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一，卻長期因被建設(shè)及運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)忽視和所處的惡劣運(yùn)行環(huán)境而導(dǎo)致其事故頻發(fā)，已嚴(yán)重影響配電網(wǎng)正常運(yùn)行和用戶端供電質(zhì)量的提高。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計表明，配電變壓器事故約占整個配電網(wǎng)事故的90%。因此，針對配電變壓器絕緣狀態(tài)的檢測就顯得非常重要。

配電變壓器在配電網(wǎng)中具有數(shù)量多、分布廣且維護(hù)量大的特點(diǎn)，相對于大型變壓器，負(fù)責(zé)運(yùn)行和試驗(yàn)的單位往往不愿付出高昂的代價去進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。而且對配電變壓器絕緣狀態(tài)評估及量化的標(biāo)準(zhǔn)也較為缺乏。因此，如何及時、方便和有效地檢測配電變壓器絕緣狀態(tài)一直困擾著電力研究人員。

本文針對配電變壓器運(yùn)行管理的實(shí)際特點(diǎn)，綜述了近年來對配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測技術(shù)方面的相關(guān)研究成果，探討分析了當(dāng)前檢測技術(shù)存在的問題，并對未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測技術(shù)

配電變壓器發(fā)生絕緣狀態(tài)變化時常伴有一些物理量的變化，如：絕緣電阻、直流電阻、局部放電等。通過對這些物理量的檢測及其發(fā)展趨勢的觀測，可以有效判斷配電變壓器的絕緣狀態(tài)。目前，常見的檢測技術(shù)主要分為離線檢測和在線檢測。

1.1 離線檢測技術(shù)

離線檢測技術(shù)的檢測方法：通常在配電變壓器退出系統(tǒng)運(yùn)行時，利用相關(guān)設(shè)備對影響配電變壓器絕緣的一些典型物理量進(jìn)行檢測，如絕緣電阻、變壓器變比等，并結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)定和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行絕緣狀態(tài)判斷。在實(shí)際現(xiàn)場中，離線檢測技術(shù)因具有絕緣判斷快速、簡便等特點(diǎn)，所以其無論在配電變壓器例行檢修還是故障檢修中，都被廣泛使用。根據(jù)檢測物理量的不同，配電變壓器絕緣狀態(tài)離線檢測技術(shù)的常用方法可分為以下6種。

1）絕緣電阻檢測法

絕緣電阻是反映電力設(shè)備絕緣狀況最為重要且常用的指標(biāo)之一。對配電變壓器絕緣電阻進(jìn)行測量，可以有效發(fā)現(xiàn)其絕緣整體受潮、貫通的集中性缺陷等，如變壓器內(nèi)絕緣油受潮、瓷件破裂、器身內(nèi)部金屬性短路等。

其在現(xiàn)場試驗(yàn)時的突出優(yōu)點(diǎn)是：①對判斷變壓器整體的絕緣狀態(tài)有著較高的靈敏性；②絕緣電阻的測試儀器——絕緣電阻表，具有體積小、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，非常利于對數(shù)量眾多的配電變壓器進(jìn)行絕緣狀態(tài)測試。

由于絕緣電阻的測試受溫度影響較大，因此應(yīng)將測試結(jié)果換算成同一溫度條件下絕緣電阻值。根據(jù)DL/T 596—1996、GB/T 6451—2008標(biāo)準(zhǔn)，絕緣電阻溫度換算式為

式 （1）

式中，R1和R2分別代表換算前t1和換算后t2時刻的絕緣電阻值。

2）變壓器變比檢測法

正確的變壓器變比是確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和并列運(yùn)行的重要條件之一。變壓器變比測試無論在出廠試驗(yàn)還是在新安裝、故障檢測時，都是必不可少的檢測項目。對配電變壓器進(jìn)行變比測試，根據(jù)測試結(jié)果可以判斷繞組中存在的金屬性匝間短路狀況、分接開關(guān)接線檔位以及繞組匝數(shù)比的正確性。同時，變比測試儀中的變比電橋體積小，操作方便，易攜帶，非常有利于對配電變壓器的現(xiàn)場快速檢測。

根據(jù)DL/T 596—1996、GB 50150—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)配電變壓器變比≥3時，變比允許偏差范圍最大為±0.5%；當(dāng)變比＜3時，變比允許偏差范圍最大為±1%。同時規(guī)定，對于變比≥3的配電變壓器，其變比應(yīng)在阻抗電壓百分比的1/10之內(nèi)，且不得超過±1%。

3）直流電阻檢測法

配電變壓器繞組直流電阻測試是一項既重要又簡便的測試方法。無論在交接、大修還是例行試驗(yàn)中，都是必不可少的試驗(yàn)項目。通過直流電阻的測量結(jié)果，可以判斷配電變壓器是否存在繞組接頭焊接情況、分接開關(guān)及導(dǎo)線接觸不良、繞組金屬性匝間短路等。長期以來，對配電變壓器繞組直流電阻的測試被看成是對其絕緣考察的最主要手段之一。

直流電阻的測試結(jié)果同樣受溫度影響較大，因此對測試結(jié)果的比較分析需換算到同一溫度條件下。直流電阻的換算式為

式（2）

式中：R1代表換算前t1時刻的直流電阻值；R2代表換算后t2時刻的直流電阻值；T代表溫度換算系數(shù)，其中銅線為235，鋁線為225。

由文獻(xiàn)[17]可知，當(dāng)直流電阻測試結(jié)果變大時，說明配電變壓器繞組的接頭焊接質(zhì)量或引線接觸不良；當(dāng)直流電阻測試結(jié)果變小時，說明變壓器繞組可能發(fā)生匝間短路情況。根據(jù)DL/T 596—1996、GB 50150—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定配電變壓器直流電阻，其相間差別一般不大于三相平均值的4%，線間差別一般不大于三相平均值的2%。

4）操作波感應(yīng)耐壓試驗(yàn)法

操作波感應(yīng)耐壓試驗(yàn)可以有效發(fā)現(xiàn)配電變壓器的層間、匝間或主絕緣缺陷，且目前研究的成果采用充電式蓄電池作為電源，可大大降低試驗(yàn)裝置的體積、復(fù)雜程度及試驗(yàn)現(xiàn)場對交流電源的要求。

由文獻(xiàn)[6,18-19]可知，操作波感應(yīng)耐壓試驗(yàn)裝置主要由蓄電池、升壓模塊、開關(guān)模塊、高壓探頭、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)組成。通過調(diào)節(jié)升壓模塊和開關(guān)模塊，可以控制操作波的幅值、波頭時間等。圖1至圖3分別為典型的無缺陷、主絕緣缺陷和匝間絕緣缺陷下的操作波波形圖。

圖1 無缺陷操作波波形

5）離線式局部放電檢測法

局部放電是在強(qiáng)電場作用下、電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的一種非貫穿性的放電現(xiàn)象。在電力設(shè)備中發(fā)生的局部放電常會伴隨著電脈沖、化學(xué)反應(yīng)和發(fā)熱等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的發(fā)生都會加速絕緣材料的劣化。因此，變壓器中發(fā)生局部放電現(xiàn)象是其發(fā)生絕緣劣化的重要表征，即通過檢測變壓器的局部放電情況可以發(fā)現(xiàn)其絕緣狀態(tài)。

圖2 主絕緣缺陷操作波波形

圖3 匝間絕緣缺陷操作波波形

局部放電的測量以脈沖電流法應(yīng)用最為廣泛。圖4為典型的離線式脈沖電流法的測試電路結(jié)構(gòu)圖。在圖4中，Cx為試品，Ck為耦合電容，Zm為檢測阻抗，Z為低通濾波器。利用圖4測量系統(tǒng)可得到局部放電的視在放電量、放電相位、放電頻次等特征信息。對這些特征信息的綜合分析，可以幫助相關(guān)技術(shù)人員判斷配電變壓器的絕緣狀態(tài)。

圖4 離線式脈沖電流法測試電路結(jié)構(gòu)

為了研究局部放電類型與局部放電特征信息之間的關(guān)系，眾多學(xué)者采用預(yù)設(shè)不同種放電類型，如尖端放電、沿面放電等，尋找出局部放電類型與特征信息的對應(yīng)關(guān)系，從而幫助識別發(fā)現(xiàn)變壓器缺陷類型。圖5為利用局部放電相位與對應(yīng)放電量關(guān)系得到的譜圖（即PRPD譜圖）。利用PRPD譜圖的形狀特征可識別局部放電類型。

圖5 PRPD譜圖

6）介電響應(yīng)法

介電響應(yīng)法具有抗干擾能力強(qiáng)、測試無附加損耗和攜帶信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，適合于對配電變壓器進(jìn)行現(xiàn)場絕緣狀態(tài)診斷。根據(jù)時域和頻域的不同，可將介電響應(yīng)法分為時域檢測法和頻域檢測法。其中，又可以將時域檢測法分為回復(fù)電壓測量法（RVM法）和極化去極化電流法（PDC法）。

（1）時域檢測法通過對試品施加一階躍電壓，測得其輸出電流、回復(fù)電壓最大值等信息，并通過數(shù)據(jù)分析判斷系統(tǒng)絕緣狀況。其中，回復(fù)電壓測量法只能對變壓器整體絕緣狀況進(jìn)行評估，且對系統(tǒng)誤差較為敏感。極化去極化電流法可將變壓器絕緣油與絕緣紙的絕緣狀況分別評估，但相較回復(fù)電壓測量法，其測試易受現(xiàn)場噪聲干擾。

（2）頻域檢測法通過對試品施加正弦電壓，測試得出其幅值和相位響應(yīng)，并借助傅里葉級數(shù)計算出試品介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切等信息。相較于時域檢測法，頻域檢測法可直接區(qū)分絕緣紙、絕緣油及油紙結(jié)構(gòu)的影響，且測試頻帶窄、抗干擾能力強(qiáng)。因此，頻域檢測法更適合于變壓器現(xiàn)場絕緣狀況測量和診斷。

1.2 在線檢測技術(shù)

利用在線檢測技術(shù)測試待測電力設(shè)備時，設(shè)備無需退出運(yùn)行。因此，與離線檢測技術(shù)相比，在線檢測可真實(shí)的反映出電力設(shè)備在運(yùn)行電壓下的絕緣狀態(tài)，且測試結(jié)果的可信度也相對較高。隨著供電單位對供電可靠性和不停電小時數(shù)要求的提高，在線檢測越來越受到關(guān)注和重視。目前，研究人員主要通過觀測配電變壓器發(fā)生局部放電時的電脈沖、絕緣材料分解的氣體、漏磁狀況等進(jìn)行在線檢測。主要檢測技術(shù)有以下5種。

1）在線式局部放電檢測法

目前，在線式局部放電檢測法有特高頻法、超聲波法和光測法。其中，特高頻法和超聲波法的使用較為廣泛。

（1）研究表明，當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時，會發(fā)出頻率達(dá)GHz的電磁波。因此，可通過對特高頻電磁波的檢測實(shí)現(xiàn)對局部放電的檢測。特高頻局部放電在線檢測主要采用在變壓器上開一介質(zhì)窗，并將特高頻天線放入其中，從而提取局部放電信號。目前，應(yīng)用較為廣泛的特高頻天線有雙螺旋阿基米德天線和平面等角螺旋天線。由于其有著良好的抗電暈效果，所以在局部放電在線檢測中應(yīng)用較為廣泛。

（2）變壓器中產(chǎn)生局部放電時，往往也會伴隨著超聲波的產(chǎn)生。因此，通過檢測超聲波是檢測局部放電的另一個途徑。超聲波法一般將壓電超聲波傳感器放置于變壓器箱殼上，當(dāng)存在局部放電信號時，將檢測到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測。近年來，隨著光纖技術(shù)的進(jìn)步，利用超聲—光檢測的技術(shù)正在替代傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)。超聲波檢測現(xiàn)場操作較為便捷，是一種常用的變壓器在線檢測手段。

（3）變壓器發(fā)生局部放電時也會伴隨著光信號的傳播。因此，可利用對光信號的檢測來判斷變壓器的絕緣狀態(tài)。目前，由于光傳感器設(shè)備靈敏度較差且設(shè)備較為昂貴，所以其尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，廣泛使用還需解決上述問題。

2）漏磁檢測法

針對雙繞組變壓器漏磁通分布大體以繞組為中心分布的特性，文獻(xiàn)[25]在漏磁通中心面上下軸向布置了兩個對稱的線圈。若變壓器“健康”（即漏磁通對稱分布式）時，則兩個線圈感應(yīng)出的電動勢大小相等、方向相反，二者串聯(lián)輸出電壓為零。而當(dāng)變壓器發(fā)生故障（即漏磁通不再對稱）時，兩個線圈感應(yīng)出的電動勢串聯(lián)之和不為零。這種在線檢測手段實(shí)施方便，成本也較低，但由于在實(shí)際測試中漏磁通的兩個線圈即使在健康變壓器中也不一定為零，因此該方法的廣泛應(yīng)用尚在探索中。

3）短路電抗在線檢測法

繞組變形是變壓器損壞的主要原因之一，同時也是變壓器處于亞健康狀態(tài)的重要表征形式之一。因此，通過測試配電變壓器的繞組變形情況，可以在一定程度上判斷配電的絕緣狀態(tài)。而短路電抗法因算法程序簡單、標(biāo)準(zhǔn)明確，所以這又是變壓器繞組變形測試最重要的方法之一。

文獻(xiàn)[28]提出一種在線檢測電路電抗的方法，其不受非對稱負(fù)荷影響且測量參數(shù)少。短路電抗在線檢測法通常只需測試不同負(fù)荷條件下，配電變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的電壓、電流值，再由此推出配電變壓器的短路電抗。根據(jù)DLT 1093—2008規(guī)定，配電變壓器短路電抗變化應(yīng)≤±2%。

4）油中溶解氣體分析

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電或過熱故障時，其絕緣材料將分解出多種氣體。實(shí)踐表明，這些氣體包括CO2、CO、CH4、C2H4、H2等。通過對不同故障以及所分解氣體含量的分析，可得到故障類型與分解氣體的關(guān)系，充油變壓器在不同故障類型下的分解氣體見表1。此外，通過分析各分解氣體的含量變化可作為判斷變壓器老化程度和故障的重要特征。

表1 充油變壓器在不同故障類型下的分解氣體

目前，隨著研究的不斷深入和模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)工具的使用，油中溶解氣體分析已成為判斷變壓器故障較為準(zhǔn)確的方法之一，特別是針對變壓器潛伏性故障判斷最為有效。

5）油中糠醛含量分析

變壓器中主要的固體絕緣材料為絕緣紙和絕緣板。隨著絕緣紙和絕緣板的老化，其會分解產(chǎn)生一種名為糠醛的液體分子。因此，可通過檢測變壓器內(nèi)糠醛的含量判斷變壓器絕緣的劣化程度。由《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)》可知，在不同運(yùn)行年限下變壓器糠醛含量有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 不同運(yùn)行年限下變壓器糠醛含量標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)糠醛含量達(dá)到1～2mg/L時，變壓器絕緣劣化嚴(yán)重；當(dāng)糠醛含量達(dá)到4mg/L時，變壓器已接近壽命終點(diǎn)。

2 存在的問題及未來發(fā)展

對于數(shù)量眾多的配電變壓器而言，現(xiàn)場試驗(yàn)人員更希望有一種攜帶方便而判斷絕緣狀態(tài)較為有效的方法。目前，在配電變壓器絕緣狀態(tài)眾多的檢測方法中，離線檢測技術(shù)仍是供電系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的手段。隨著供電公司對配電網(wǎng)供電質(zhì)量要求的逐步提高，在線檢測技術(shù)也在逐步推進(jìn)應(yīng)用中。盡管如此，兩種檢測技術(shù)也都存在著一些不可忽視的問題：

• 1）離線檢測為例行停電或故障后采用的測試方法，但其對提高不停電小時數(shù)和供電質(zhì)量的幫助有限。并且，其與在線檢測技術(shù)相比，難以反映配電變壓器在運(yùn)行電壓下的絕緣狀態(tài)。
• 2）目前，在線檢測技術(shù)價格相對昂貴，對數(shù)量眾多的配電變壓器來說，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性較差。
• 3）配電變壓器在線檢測技術(shù)的應(yīng)用還不是非常普遍，技術(shù)在實(shí)踐中的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

針對上述問題，配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測可以考慮從以下幾方面發(fā)展：

• 1）提升在線檢測技術(shù)的有效性，盡量在經(jīng)濟(jì)性與有效性中找到平衡。
• 2）為達(dá)到經(jīng)濟(jì)性，可將在線檢測技術(shù)與離線檢測技術(shù)相結(jié)合，以減小成本、降低例行停電檢修次數(shù)和故障次數(shù)。

結(jié)論

• 1）目前，傳統(tǒng)的離線測試技術(shù)仍是配電變壓器絕緣狀態(tài)檢測的主要技術(shù)手段，如絕緣電阻測試法、變壓器變比法等。
• 2）在線檢測技術(shù)相對離線檢測技術(shù)有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，但其成本相對較高，尚未大面積使用。
• 3）對數(shù)量眾多的配電變壓器而言，離線檢測與在線檢測的結(jié)合將是未來發(fā)展的重要方向。