基于PI數據庫的變壓器繞組絕緣分析系統

來 駿，祁愛玲，李月青

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

0 引言

變壓器繞組的熱點溫度是造成絕緣老化的主要原因，直接影響變壓器的運行狀態和使用壽命。一般認為變壓器的絕緣運行壽命應遵循六度法則，即熱點溫度為98℃是繞組損耗的正常絕緣壽命，當超過或達不到98℃時，每上升或降低6℃，變壓器的絕緣老化程度增加或降低一倍[1]。對大型電力變壓器來說，可以通過繞組溫度計和在線色譜檢測裝置來實時監測變壓器內部的絕緣狀況。但對于為數眾多的中小型變壓器而言，供電企業各生產部門只能通過為數不多的定期試驗來判斷變壓器內部的絕緣狀況。為使變壓器設備的運行維護、檢修及更換工作更具有科學性，亟待引入一個能實時監測變壓器繞組熱點溫度、定期評價絕緣老化的工具和手段。

PI數據庫的引入給上述問題的解決創造了條件。在滿足數據安全性的前提下，PI數據庫為用戶提供多種數據處理工具和良好的二次開發環境，可以定制開發生產急需的各種應用軟件。本文提出的變壓器繞組絕緣分析系統正是在PI數據庫軟件基礎上二次開發完成的。該系統運用間接計算法[2]對變壓器繞組的熱點溫度進行實時監測，對繞組的絕緣老化情況進行定期評估，及時發現并提示絕緣老化嚴重的變壓器。

1 變壓器繞組的負載絕緣特性

目前，熱點溫度的測量方法大致可分為直接測量法、熱模擬測量法和間接計算法3種。其中,間接計算法是根據假設的變壓器熱模型結合實際來估算熱點溫度，這是目前變壓器熱點估算的經典算法，比廣泛使用于繞組溫度計的熱模擬測量法具有更高的精度[2]。

1.1 繞組熱點溫度

國家標準GB/T 15164-94《油浸式電力變壓器負載導則》和國際電工標準IEC 354描述了變壓器內部溫升的分布情況以及各種類型變壓器的負載、熱點溫度、繞組絕緣的特性。根據國家標準GB 1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》以及IEC 354的相關規定，可以將油浸式電力變壓器的內部溫升分布圖進行簡化，如圖1所示。

圖1 電力變壓器內部溫升簡化圖

油浸式電力變壓器在穩態情況下的熱點溫度計算方法根據變壓器的冷卻方式不同而不同。

（1）對于自然油循環（ON）冷卻的變壓器，任何負載下的最熱點溫度等于環境溫度、頂層油溫升和熱點與頂層油之間的溫度差的總和。

（2）強迫油循環/強迫油循環導向（OF/OD）冷卻的變壓器，在任一負載下的最終熱點溫度等于環境溫度、底層油溫升、繞組的頂部油溫升與底層油溫升之差、以及繞組熱點溫度與頂部油溫之差的總和。

式中：θh為熱點溫度；θa為環境溫度；K為負載系數。

油浸式電力變壓器的以上主要參數可從變壓器的出廠試驗報告中得到，IEC 354中也給出了典型的負載熱特性數據，如表1所示。

在沒有精確的環境溫度的情況下，可采用每月的日平均溫度用正弦曲線的方法進行擬合，得出一天中各個時刻的溫度。

表1 負載熱特性數據實例

式中：θav是每月的日平均溫度，根據氣象局公布的歷史數據擬合得出；A是日環境溫度的變化幅值，是根據晴、雨等多種天氣情況設置的經驗值；TX是一天中最熱一小時的時序數，設置為14點；T是待求時刻的時序數。

1.2 繞組絕緣老化率

IEC 354中提出了考慮具有工程實際意義的相對老化率定律，即蒙辛格熱老化規則（六度法則）。對于按GB 1094設計的變壓器，在額定負載和正常環境溫度下，規定熱點溫度的常用基準為98℃，在此溫度下的相對老化率等于1。實際溫度為80～140℃時，熱點溫度每增加或降低6℃，老化率增加或降低1倍，從而使變壓器的累計運行壽命也隨之縮短或延長一倍。

式中：V為相對絕緣老化率。

2 系統功能與應用簡介

PI ProcessBook允許用戶通過圖形化的控件將需要監測的變壓器信息統一到一個或幾個監控畫面中，而PI DataLink則為用戶提供方便地檢索歷史數據的方法。本系統利用ProcessBook和DataLink，將IEC 354中定義的數學模型應用到實際生產中，以實現變壓器繞組絕緣性能分析的各項功能。

2.1 系統功能簡介

2.1.1 熱點溫度實時監測

利用ProcessBook工具軟件完成了熱點溫度實時監測功能，具體包括：

（1）熱點溫度實時顯示和告警。通過變壓器負荷的實時值計算得出熱點溫度值，并顯示在監測畫面中。當熱點溫度超過設定的限值時，系統將發出警笛聲并彈出越限告警窗口。

（2）環境溫度擬合。系統通過選擇天氣情況擬合當前環境溫度進行實時顯示，同時允許對環境溫度進行人工修正，使其更為精確。

（3）告警信息記錄和日最高熱點溫度記錄。

2.1.2 繞組絕緣老化率評估

利用DataLink完成了繞組絕緣老化率評估功能，具體包括：

（1）時間選取。通過選定起始時刻和終結時刻，自動獲取變壓器負載歷史數據的均值，用于計算和評估。

（2）絕緣老化率評估。通過計算得出的熱點溫度來計算絕緣老化率。當熱點溫度在80℃～140℃時，相對老化率按照六度法進行計算，當熱點溫度不超過80℃時，相對老化率取80℃情況下的老化率。當某一時段內絕緣老化率低于50%時判定絕緣狀況為優秀，老化率在50%～80%判定絕緣狀況為良好，高于80%則需要引起注意。

2.2 應用效果

本系統應用于湖州電力局變電工區，可將管轄范圍內主要變電站的變壓器列入同一畫面集中監測。通過對比多臺變壓器的繞組溫度計讀數，發現系統計算得出的熱點溫度與繞組溫度計讀數的變化趨勢能較好地同步，進而證明系統引入方法的可用性。下面以500kV含山變電站2號主變壓器為例，說明系統的計算效果。

500kV含山變電站的2號主變壓器為強油風冷型變壓器，配置了德國MESSKO公司生產的MT-STW160型繞組溫度計，通過熱模擬法來反映變壓器繞組最熱部分的溫度。表2記錄的是2010年8月某些時間點上采用本系統測算出的熱點溫度值和現場繞組溫度計抄錄值，系統測算的熱點溫度值與繞組溫度記錄值的變化趨勢基本相同。假設繞組溫度計測量是精確的，那么可以認為通過系統引入的間接計算法能較為準確地監測繞組的熱點溫度。同時，通過系統對該時期繞組絕緣老化率進行計算和評估，結果為優秀。

表2 溫度數據對比

3 結論

本文所述的變壓器繞組絕緣分析系統是在研究分析供電企業實際需求和變壓器負載、絕緣特性的基礎上提出的，是深入挖掘PI數據庫在變電設備監測中的優勢的一次嘗試。通過與繞組溫度計的讀數進行對比分析，認為系統能較為準確地反映繞組的熱點溫度信息和絕緣老化狀況，具有一定的可用性。系統提出利用PI數據庫監測變壓器繞組絕緣特性的方法僅需利用變壓器的負荷數據就可完成既定功能，是現階段供電企業了解所轄變壓器設備工況最為便捷、經濟的手段。同時，該方法可以推廣應用到任何一臺符合GB 1094標準制作的電力變壓器。相信結合日常巡視、定期試驗以及變壓器在線色譜檢測裝置，生產部門可以更加全面地掌握、評判變壓器的運行狀況，為變壓器的運行維護提供幫助。

[1]IEC 354.1991《油浸式電力變壓器負載導則》[S].1991.

[2]陳淑謹，王世閣，劉富家.變壓器繞組熱點在線監測裝置的研制與應用[J].變壓器，2000，8（37）∶40-46.