電力變壓器狀態仿真系統設計及應用

王文浩，何文林，胡文堂，劉浩軍，劉 黎

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

隨著國家電網公司狀態檢修項目的深入以及浙江省電力公司成為輸變電設備狀態監測建設的首批試點單位，越來越多的在線監測裝置將在我省掛網運行。據《浙江省電力公司變電設備狀態監測系統建設》介紹：預計到2015年，設備狀態監測將全面覆蓋全省110kV及以上變電站。

在線監測設備的大量投入對發現變壓器的潛伏性故障有很大幫助[1-2]，但是在線監測設備測量結果的可靠性卻有待檢驗。本文介紹利用變壓器仿真技術，模擬變壓器運行過程中油色譜、局部放電、鐵芯接地電流信號，以檢測在線監測設備測量結果的可靠性。

有關變壓器狀態仿真的文獻相對較少，文獻[3-4]利用油中溶解氣體技術判斷變壓器的工作狀態，但卻沒有驗證油中氣體測試技術的正確性，一旦在線監測裝置的結果與實際值產生偏差，其監測結果的可信度也大大減低。文獻[5]介紹了1種局部放電模型，通過該模型可以比較在線監測裝置監測結果的可靠性。但是該模型過于簡單，采用直接將加熱棒伸到油箱內部加熱的形式，必然導致絕緣油的裂解，且在模型中也缺少油中溶解氣體和鐵芯信號的模型。

本文所介紹的變壓器狀態仿真模型可為判斷各類變壓器在線監測裝置的可靠性提供依據。

1 模型總體結構

模型總體結構如圖1所示，包括局部放電油箱、油色譜油箱、循環加熱模塊和交流電源。

局部放電油箱采用SUS304不銹鋼，外表面噴塑，大小為1000 mm×800 mm×1000 mm。

圖1 模型總體結構示意

油中溶解氣體油箱采用SUS304不銹鋼，外表面噴塑，大小為Φ800 mm×1000 mm。

油箱管道采用不銹鋼管，電磁閥T1，T2，T3，T4，T5采用日本SMC公司產品。通過合理設置電磁閥的工作狀態就可以實現各個油箱的單獨循環和2個油箱絕緣油的交互循環。

2 油中溶解氣體仿真模型

油色譜仿真模型如圖2所示，能夠實現氣體配置、加熱循環、在線監測裝置安裝和離線油樣采集以及油中溶解氣體的清洗。

圖2 油中溶解氣體仿真模型

仿真時關閉圖1中閥門T1，T3和T4，利用閥門T5和T2實現油中溶解氣體油箱內絕緣油的單獨循環。

2.1 氣體配置

氣體配置過程如下：打開閥門T5，T7，T8和T9，關閉T6和T2，將配置好的氣體從標準氣入口輸入，啟動油泵，實現絕緣油的循環，等氣體完全溶解于絕緣油中后再關閉T8和T9，打開T2。定量管的大小決定絕緣油中的溶解氣體量。

2.2 加熱循環模塊

油箱循環模塊采用有載調壓分接開關絕緣油在線過濾系統，內部自帶油泵循環，能夠實現絕緣油的循環并濾除雜質。

常用的加熱方式有絕緣油直接加熱和管道加熱，文獻[5]采用直接加熱方式。圖3是直徑為40 cm、內徑為15 cm的直接加熱棒的溫度場分布圖，其中油箱中間深入加熱棒，加熱棒溫度為180℃，油箱外表面溫度為25℃。從圖3所示的溫度場分布可以看出，加熱棒附近溫度達到180℃，而靠近油箱表面的絕緣油附件溫度僅為25℃。因此高溫處絕緣油已經發生裂解，而靠近油箱表面的絕緣油溫卻相對較低，可見不能采取油箱直接加熱模式。本仿真模型采用油箱管道加熱模式，絕緣油在循環過程中被加熱，既可以避免油裂解，又能加速油加熱的過程。

圖3 加熱棒的溫度場分布

2.3 在線監測裝置安裝和離線油樣采集

閥門T11和T12用于固定油色譜在線監測裝置，閥門T10用于離線油樣采集。

2.4 清洗模塊

絕緣油中氣體清洗過程：打開閥門T6，T9和T5，關閉其它閥門。將標準氮氣從標準氣入口輸入，啟動油泵，實現絕緣油的循環，排出絕緣油中的溶解氣體。

3 局部放電仿真模型

局部放電仿真模型如圖4所示，局部放電油箱頂部伸出2個絕緣套管，套管外部連接局部放電升壓系統，內部采用針對板結構，針板間距可根據需要調整。其中1個套管連局放離線測量系統，用于檢測產生的局部放電量大小。局部放電油箱右下角帶有微水添加功能，可以比較微水含量對局部放電信號的影響。局部放電油箱左下角帶有在線監測傳感器的安裝口，油箱內部另配有絕緣隔板，可用于比較不同傳輸路徑下在線監測數據與離線測量數據的對應關系。

圖4 局放仿真模型

4 鐵芯接地電流仿真模型

鐵芯接地電流仿真模型如圖5所示，模擬鐵芯接地線一端與交流電流源相連，另一端與局部放電油箱中的套管相連，且局部放電油箱相應位置帶有在線監測裝置安裝固定孔，可用于鐵芯電流在線監測裝置的固定。

圖5 鐵芯接地電流仿真模型

交流電流源通過油箱外殼和套管構成回路，且帶有數據傳輸功能。通過對比電流源的數據和鐵芯接地電流傳感器數據，就可以判斷在線監測裝置的可靠性。

表1 氣體配置范圍和清洗后的氣體含量

5 結果分析

油中溶解氣體仿真系統能夠實現絕緣油中溶解氣體的配置和清洗。其中配置的氣體范圍和清洗后的氣體含量如表1所示。

局部放電仿真模型能夠實現局部放電量的模擬，其中放電量控制范圍為50 pC～10000 pC。鐵芯接地電流模型能實現鐵芯電流的模擬，其中電流范圍為1 mA～10 A。

6 結語

本文提出一種變壓器狀態仿真模擬技術，可實現油色譜、局部放電信號和鐵芯接地電流信號的模擬，并提供了在線監測裝置的安裝接口，為判斷在線監測裝置的可靠性打下了堅實基礎。

[1]李衛國，屠志健.電氣設備絕緣試驗與檢測[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]嚴璋.電氣絕緣在線監測技術[M].北京：中國電力出版社，2001.

[3]鄭偉，童懷.基于DGA及AGAWNN的電力變壓器故障診斷[J].變壓器，2009，46（4）∶65-69.

[4]徐志鈕，律方成.多神經網絡方法在變壓器油色譜故障診斷中的應用[J].高壓電器，2005，41（3）∶206-208.

[5]王輝.變壓器油紙絕緣典型局部放電發展過程的研究[D].北京：華北電力大學，2010∶71-100.