吳 限

(甘肅酒鋼(集團)宏聯(lián)自控有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展與用戶高質(zhì)量用電需求的增加,我國電力系統(tǒng)正朝著大容量、高電壓、全國互通的方向發(fā)展,這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等性能提出了更高要求[1-3]。輸變電設(shè)備是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的核心,其中變壓器作為電網(wǎng)最重要、最昂貴的一次設(shè)備,其主要功能是實現(xiàn)電網(wǎng)電壓等級變換、電能輸送及潮流控制。變壓器一旦發(fā)生故障,會直接影響到整個電網(wǎng)的運行,故障嚴重甚至?xí)l(fā)重大安全事故。因此,通過先進監(jiān)測及故障診斷技術(shù)確保電力變壓器穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前,國內(nèi)變壓器的故障診斷仍依賴周期性計劃運維為主,故障查找效率及準(zhǔn)確性低下,同時計劃停電還會不斷影響用戶用電滿意度[4-6]。針對變壓器的監(jiān)測,目前多采用油色譜分析法,此方法中的參數(shù)檢測通常為離線測定,且監(jiān)測氣體參數(shù)較為單一,無法實現(xiàn)全方位監(jiān)測。針對上述問題,筆者基于變壓器在線監(jiān)測診斷與數(shù)字化測量技術(shù)原理及應(yīng)用,設(shè)計了一套電力變壓器自動化檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用油色譜監(jiān)測為主、多故障參數(shù)檢測并行的策略,選取油內(nèi)氣體、溫度、局部放電量作為典型故障參數(shù),并對相應(yīng)監(jiān)測模塊進行設(shè)計,為進一步實現(xiàn)變壓器的全方位監(jiān)測與故障診斷提供思路和參考。

1 變壓器監(jiān)測方案設(shè)計分析

1.1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)及故障類型分析

油浸式變壓器按結(jié)構(gòu)不同可分為鐵芯式與鐵殼式,二者在鐵芯與繞組位置上稍有不同,工作原理無本質(zhì)區(qū)別,主要由鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置及保護裝置等組成,組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

按照部位不同,變壓器故障可分為內(nèi)部故障及外部故障兩大類。鐵芯與繞組作為變壓器核心部件是內(nèi)部故障的多發(fā)位置,外部故障多以高低壓絕緣套管等變壓器外部部件的故障及非正常運行狀態(tài)為主,變壓器主要故障分類如表1所列。

表1 油浸式變壓器主要故障類型及原因

由表1可知,變壓器內(nèi)外部故障的主要因素為絕緣受損。其中,部件過熱、局部放電等電熱類故障是誘發(fā)絕緣損毀的主要原因。在發(fā)熱或放電的故障發(fā)展過程中,變壓器各部件的絕緣材料及變壓器油會發(fā)生電熱化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生大量CO2、CO及多種碳氫化合物。因此,對變壓器油中溶解氣體的成分及含量進行分析可有效識別診斷變壓器不同類型故障。

1.2 系統(tǒng)總體監(jiān)測方案設(shè)計

基于變壓器結(jié)構(gòu)及故障類型分析,文中以油中氣體監(jiān)測為主要故障診斷方式,輔以溫度監(jiān)測、局部放電監(jiān)測實現(xiàn)對變壓器電熱故障的全面監(jiān)測診斷。

油中氣體作為系統(tǒng)主監(jiān)測量,需對監(jiān)測方法及故障特征氣體進行合理選擇,目前變壓器油色譜分析通常采用CO、CO2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六種氣體作為系統(tǒng)特征氣體,并以各特征氣體的油中含量作為變壓器故障判據(jù),變壓器不同類型故障對應(yīng)氣體成分如表2所列。

表2 油浸式變壓器故障特征氣體成分

為進一步提高系統(tǒng)診斷速度及直觀性,系統(tǒng)故障診斷策略采用大衛(wèi)三角形法,從六類氣體中選取CH4、C2H4、C2H2三種氣體作為特征量進行監(jiān)測,并通過三種氣體濃度比值對故障類型進行診斷。相比于傳統(tǒng)查表診斷方法,大衛(wèi)三角形法在可視化監(jiān)測方面更具優(yōu)勢,系統(tǒng)可通過上位機交互界面所顯示的大衛(wèi)三角形直觀監(jiān)測變壓器當(dāng)前運行狀態(tài),并快速判斷故障類型。大衛(wèi)三角形法故障判別規(guī)則如圖2所示。

圖2 大衛(wèi)三角形法示意圖PD.局部放電 D1.低能放電 D2.高能放電 D+T.放電熱故障T1.高熱故障(t>700 ℃) T2.中熱故障(300 ℃

2 變壓器智能檢測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照系統(tǒng)總體監(jiān)測方案要求,采用模塊化思想進行設(shè)計,整個系統(tǒng)由遠程監(jiān)控平臺、綜合監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及通信網(wǎng)絡(luò)組成,總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以綜合監(jiān)測模塊為功能核心,在油色譜監(jiān)測模塊基礎(chǔ)上增加溫度監(jiān)測模塊及局部放電監(jiān)測模塊,以實現(xiàn)綜合監(jiān)測。這樣可防止采用單一的氣體監(jiān)測時因發(fā)生短路故障造成參數(shù)超標(biāo)而引起誤判,從而進一步提高了變壓器故障診斷結(jié)果的可靠性。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)及RS485總線構(gòu)成,其中工業(yè)以太網(wǎng)用于綜合監(jiān)測模塊與上位機的通信,RS485用于現(xiàn)場分布式傳感器與綜合監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)傳輸,變壓器氣體、溫度、局部放電量等參數(shù)由數(shù)據(jù)采集模塊中的氣敏傳感器等設(shè)備進行采集上傳。

2.2 油色譜監(jiān)測模塊設(shè)計

油色譜監(jiān)測模塊主要由氣敏傳感器、主控器、脫氣機、通信模塊及電源組成,模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 油色譜監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

模塊主控器選用STM32F103RCT6型MCU;氣敏傳感器選用QM-N5 N型半導(dǎo)體氣敏傳感器,QM-N5測量范圍為50～10 000 ppm,響應(yīng)時間≤10 s,可用于CH4、C2H4、C2H2三種特征氣體濃度檢測,具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、輸出信號大等優(yōu)點。模塊工作原理為:首先通過取油閥將變壓器油輸送至脫氣機中進行脫氣并按照色譜柱分類,再由QM-N5對特征氣體濃度值進行采集,然后氣體濃度信號傳輸至控制器中進行處理,最終由RS485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機進行實時監(jiān)測與故障診斷。

2.3 局部放電監(jiān)測模塊設(shè)計

局部放電監(jiān)測模塊的工作原理為:變壓器局部放電產(chǎn)生的電磁脈沖及輻射通過高頻傳感器進行采集傳輸,由上位機程序判斷是否發(fā)生局部放電。文中選用UHF-300EEE2型特高頻傳感器對變壓器內(nèi)部局部放電特高頻信號進行采集,UHF-300EEE2頻帶為300 MHz～1.5 GHz,測量靈敏度≤-65 dBm,滿足系統(tǒng)采集需求。特高頻信號通過高頻同軸電纜輸入至信號調(diào)理電路進行處理,最終信號通過RS485傳輸至上位機進行監(jiān)測與故障診斷,局部放電監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 局部放電監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 溫度監(jiān)測模塊設(shè)計

選用IF-C油浸式變壓器光纖溫度采集系統(tǒng)對溫度監(jiān)測模塊進行架構(gòu),IF-C測溫范圍為-40～200 ℃,測量精度可達±0.1 ℃,具備最多32路測溫通道,支持RS485及以太網(wǎng)等多種通信方式,IF-C采用熒光光纖溫度傳感探頭對變壓器油溫及殼溫參數(shù)進行采集,具有抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點,可滿足系統(tǒng)對變壓器溫度的監(jiān)測需求。

3 試驗應(yīng)用效果

為驗證此系統(tǒng)運行可靠性及使用效果,文中以110 kV戶外雙繞組油浸式變壓器為實驗對象對系統(tǒng)進行實際運行測試。系統(tǒng)運行后,可對運行中的變壓器油中氣體成分及濃度、變壓器油溫殼溫及局部放電量進行實時監(jiān)測,通過上位機交互界面的可視化圖形及實時采集數(shù)據(jù)可直觀掌握變壓器當(dāng)前運行狀態(tài)。同時,該系統(tǒng)具備故障診斷與報警功能,系統(tǒng)上位機監(jiān)測界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)上位機監(jiān)測界面

由實驗結(jié)果可知,當(dāng)前變壓器油中C2H4濃度比值為18.72%,CH4濃度比值為79.88%,變壓器油溫及殼溫均處于額定范圍。通過大衛(wèi)三角形區(qū)域極限值判斷可知,目前變壓器處于正常運行狀態(tài),未發(fā)生局部放電及熱故障。

4 結(jié) 語

針對油浸式變壓器監(jiān)測參數(shù)單一、實時性差等問題,設(shè)計了一套電力變壓器自動化檢測系統(tǒng)。通過油色譜、溫度及局部放電綜合監(jiān)測實現(xiàn)了對油浸式變壓器的全方位在線監(jiān)控及故障診斷。經(jīng)實際測試,系統(tǒng)可通過變壓器油中氣體濃度比值、溫度等多判據(jù)確定變壓器運行狀態(tài),數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,對于保障變壓器安全穩(wěn)定運行具有實際意義。