變壓器絕緣油凈化裝置自動檢測分析系統研究

郭健，任貝婷，向官騰，張尖兵，王紹坤

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002；2.國網湖北省電力公司孝感供電公司，湖北　孝感　442001；3.國網河南省電力公司安陽供電公司，河南　安陽　455006)

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變壓器絕緣油凈化裝置自動檢測分析系統研究

郭健1，任貝婷1，向官騰1，張尖兵2，王紹坤3

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌443002；2.國網湖北省電力公司孝感供電公司，湖北孝感442001；3.國網河南省電力公司安陽供電公司，河南安陽455006)

為檢測絕緣油是否符合運行標準并及時了解絕緣油凈化裝置的凈化效果，開發一套基于DSP處理器的絕緣油凈化裝置自動檢測分析系統，分別對變壓器絕緣油的介質損耗因數、電阻率值進行檢測，然后分析絕緣油凈化裝置的凈化效果。闡述了測試原理、軟硬件設計及總體結構，得出了凈化裝置的檢測判據。對比實驗表明，該套系統能夠檢測出絕緣油是否符合運行標準和油凈化裝置的凈化效果；并且操作方便，自動化程度高，具有較好的實用性。

凈化裝置;自動檢測;介質損耗因數;電阻率;判據

1　引言

油凈式變壓器是電力系統中的重要設備，伴隨著電壓等級的提高，容量的增大，對絕緣油的質量也提出了更高的要求。為了提高變壓器運行可靠性，減少因絕緣油變質引起的各種故障，有必要定期對絕緣油進行預防性檢測，及時了解絕緣油狀態和掌握油凈化裝置的凈化效果，而變壓器絕緣油介質損耗因數和電阻率是反映其絕緣狀況的重要參數[1]，這兩項指標能直接反應油的劣化和受污染的程度[2],同時，檢測兩項指標，降低了誤判幾率，提高了系統自動抽樣檢測準確性[3]。目前，絕緣油的檢測依靠人工取樣，取出來的樣品不能自動返回變壓器中，造成檢測不便捷、工作效率低，不能及時了解何時需要更換凈化設備中的凈化物質，可能因油質問題造成變壓器不能正常運行，甚至因故障造成重大經濟損失。本文針對現有技術存在的上述不足，設計一種自動化程度高、能對過濾前后的油進行自動采樣、檢測，并能了解絕緣油是否符合運行標準及油凈化裝置的凈化效果的智能系統。

2　油凈化自動檢測系統硬件設計

2.1檢測裝置測試原理

變壓器絕緣油介質損耗因數(tgδ)是介質損耗角的正切值，其角度大小等于介質中所流過的有功電流與無功電流的比值。等效電路及等效電流向量圖如圖1所示。

圖1　絕緣介質等效電路和等值電流向量圖

變壓器絕緣油的介質損耗如下式所示，

P=UIcosφ=UIRX=UICXtgδ

(1)

則介質損耗因數為：

tgδ=IRX/ICX

(2)

介質損耗因數的測量方法有很多種方法，為了減小運行工況環境的干擾等因素，采用過零鑒向比較法。分別得到介質兩端的電壓U介及流經的電流I介的相角分別為φu，φi，根據圖1和式(2)可得絕緣介質損耗角δ為流經介質電流和介質兩端交流電壓質檢相位差的余角，即

δ=π/2+φu-φi

(3)

直流電阻率的測量中，運用時間間隔等同于相位差的方法，計算標準頻率的脈沖個數。需知道加在電極杯內、外壁之間的電壓值U率及電流值I率。將測量信號值同已經標定信號值的比值，可求得體積電阻R。根據公式(4):

ρ=11.3C0R

(4)

求得直流電阻率。其中：C0——油杯空杯電容。

2.2測量系統硬件設計

整個系統由DSP中央處理器，觸摸屏，溫度控制電路，信號采集電路，信號調理電路，信號采樣電路等組成。其中信號采集電路將測量油杯中低壓側的小電流轉換為可讀取的電壓信號，并將其傳給信號放大電路；信號調理電路將采集到的待測信號繼續進行不同幅度放大、抑制和濾波[4]；信號采樣電路將經過預處理后的模擬信號轉換為數字信號；DSP中央處理器為整個系統的核心部件，采用TMS320C31芯片[5]，需要完成數據的測量、控制油泵和閥門等多項功能，采用模糊+PID方法對油杯進行溫度控制，模糊+PID控制器根據設定溫度與實際溫度的溫度差及溫度變化率，利用模糊控制算法求出控制輸出量和控制可控硅的導通角，從而控制油杯的溫度[6]，使介質損耗因數和電阻率的測量都在特定溫度下進行測量；觸控屏作為輸入輸出終端，實現良好的人與設備的互動[8]，并將兩次檢測結果同時顯示在觸控屏上，并有數據查詢功能，給出是否需要更換油凈化裝置的提示信息。整個系統框圖如圖2所示。

圖2　基于DSP的絕緣油凈化裝置自動檢測分析系統圖

2.3自動采樣檢測流程

油凈化系統主要功能是對絕緣油進行油凈化處理。自動采樣系統由油杯，副油泵、電磁閥門、采油管道等組成。其工作流程敘述如下：油凈化自動檢測系統通過控制油泵和電磁閥門分別從油凈化裝置進油口C和出油口A采集相應油樣，自動進行介質損耗因數和電阻率值檢測，得出絕緣油介質損耗因數和電阻率的檢測結果，并判斷出油凈化裝置對油的凈化效果，并將檢測結果輸出到觸控屏上。每次采集的油樣送入油杯中進行自動檢測后，都通過副油泵和相應輸油管道送回變壓器中，如圖中(B)處，整個采樣檢測過程都是在密閉的環境中進行，絕緣油不會和空氣接觸，不會造成二次污染。如圖3為系統的總體框圖。

圖3　系統的總體框圖

系統在進行采樣時，主油泵將絕緣油從變壓器中抽出后送入油凈化裝置中，進行油凈化處理。當取樣檢測絕緣油已經不符合運行標準，需要對油進行油凈化處理，并且油凈化裝置對油的處理是有明顯效果時，主油泵一直處于工作狀態，將絕緣油源源不斷的送入油凈化處理裝置中。

當取樣檢測絕緣油已經不符合運行標準，需要對油進行油凈化處理，并且油凈化裝置對油的處理沒有效果時，此時，主油泵停止工作，因此時主油泵將絕緣油送入油凈化裝置中進行油凈化處理時，油凈化已經沒有明顯效果，無需再用此凈化裝置進行處理。

如圖4為設備實物圖。

圖4　設備實物圖

3　自動檢測系統軟件設計

系統采用DSP作為中央處理器，系統進行初始化后，首先設置檢測項目(介質損耗因數、電阻率可以任意選擇)，控制不同油泵取樣，測量絕緣油溫度，絕緣油靜放一段時間后，測量絕緣油的溫度與設定值進行比較，當油溫不滿足設定值時，進行加溫控制，否則，系統進行恒溫控制，接著進行介質損耗因數的測量，再進行電阻率的測量，并將檢測的保存，程序返回，重新采集新油樣，重復上述步驟，將兩次檢測結果進行對比分析，從而得出檢測結果。供運行人員參考。

其中，工作狀態切換模塊，主要由測量流程的控制和對異常狀態的處理構成。圖3為完成一次測量的主程序流程圖,其中左半部分為采樣程序設計。為了讓油杯中的待測試油樣全為所要測試的油樣，尤其是油杯壁上附著的油，需要用待測油樣在油杯中循環流動，并將待檢測油在油杯中靜放一段時間，使油杯中的油樣全為待測油樣，這樣才能測試出待測油真實值。圖5為主程序流程圖。

圖5　主程序流程圖

4　變壓器絕緣油凈化裝置的凈化效果判據

在對油進行采樣時，分別對油凈化前和凈化后的油采樣檢測，我們將經過油凈化前的油介質損耗因數和電阻值分別表示為tgδ1，ρ1，經過油凈化后的油介質損耗因數和電阻值分別表示為tgδ2，ρ2。在本文中我們以電壓等級為220kV的運行變壓器絕緣油為研究對象，其中介質損耗因數(90°)在運行狀態下小于等于0.04(或4%)，體積電阻率(90°)/Ω·m運行狀態下大于等于5×109時，符合變壓器油的運行標準[9]。

(1)判斷油凈化裝置的凈化能力是否有效需要滿足如下幾點條件：

(5)

(6)

(7)

(8)

綜合算式(5)～(8)只要滿足如下條件ρ2≥5×109且tgδ2≤0.04時可判定油凈化裝置是合格的，滿足油凈化要求，不需要更換油凈化裝置。

(2)判斷油凈化裝置的凈化能力是否無效需要滿足幾點條件：

(9)

(10)

(11)

(12)

綜合算式(9)～(12)分析可知，只要滿足如下條件ρ2<5×109或tgδ2>0.04時可判定油凈化裝置是不合格的，不滿足油凈化要求，需要更換油凈化裝置。

(3)當檢測到tgδ1≤0.04且ρ1≥5×109時，變壓器絕緣油是合格的，不需要經過進化處理。

(4)綜合上述判據可知，當變壓器絕緣油滿足如下(13)判據時，表明絕緣油是符合運行標準的，不用開啟主油泵將油泵入油凈化裝置中去，對油進行油凈化處理。

ρ1≥5×109且ρ2≥5×109，tgδ1≤0.04且tgδ2≤0.04

(13)

當變壓器絕緣油滿足如(14)判據時，表明絕緣油已經不符合運行標準，需要對油進行油凈化處理，并且油凈化裝置對油的處理是有明顯效果的，處理后的油符合運行標準。

ρ1<5×10P且ρ2>5×109，tgδ1>0.04且tgδ2≤0.04

(14)

當變壓器絕緣油滿足如(15)判據時，表明絕緣油已經不符合運行標準，需要對油進行油凈化處理，并且油凈化裝置對油的處理是沒有效果的，處理后的油依然不符合運行標準。

ρ2<5×109或tgδ2>0.04

(15)

在本文中，我們用絕緣油運行的兩個重要量去判斷油的質量是否符合運行標準，且能判斷油凈化裝置對油的凈化是否有明顯效果，當多個判據同時滿足要求時，這樣能減少對油凈化裝置凈化力的誤判，提高了自動判斷的可靠性[10]。

5　測試結果

變壓器絕緣油凈化裝置自動檢測分析系統，在實際投入運行中，將實驗檢測結果與標準檢測裝置檢測結果進行實驗對照。現將結果記錄如下，實驗對比檢測結果如表1所示。

通過對比實驗數據分析，用人工取樣檢測進、出油口的油樣，與自動采樣檢測結果進行對比。tgδ1或tgδ2的手動檢測結果值與自動檢測值略有差異，對誤差分析可知，人工取油過程中，油與空氣接觸了，混進去了雜質和水分以及微生物，造成了檢測結果的波動[11]，同時變電站周圍的高壓設備和母線等帶電設備產生的電場對檢測設備的干擾產生了一定的影響[12]，還有設備之間的固有的誤差導致這樣的結果。其中tgδ2產生誤差的最大原因是不斷用待檢測油沖洗油杯的過程中，沖洗的不絕對徹底，油管和油杯中，有微量原來的油混入待檢測油中[13]。分析電阻率所檢測的ρ1，ρ2的兩組值可知，人工取樣檢測值總體上略小于自動取樣檢測的值，造成這種誤差的原因與造成介質損耗因數誤差的原因類似[14]。

其中，檢測裝置對介質損耗因數標準檢測儀器檢測結果的絕對誤差小于0.1%，誤差很小，不會影響到判據結果，檢測裝置對電阻率值標準檢測結果的絕對誤差值很小，兩者的差別只是基數值，且檢測結果值都是同一個數量級，一般這樣的大數值只分析數量級，對判據的結果影響很小，同時，檢測兩項指標，這種誤判的機率會更小，能準確的判斷油凈化裝置對油的凈化效果，能吻合判據條件，達到了設計的要求，具有很高的準確性和實用性。

表1　實驗對比檢測結果

6　結論

變壓器介質損耗因數和電阻率值是判斷絕緣油質量的重要指標，同時檢測兩項值能降低誤判風險，對油凈化裝置進出油口的油樣進行采集檢測判斷，既能定量了解變壓器絕緣油是否符合運行標準，也能通過判據結論及時掌握油凈化裝置對油凈化的效果，方便運行人員及時更換凈化裝置，提高凈化的效率，能大大減少人工取樣檢測工作量，實現了自動檢測、判斷的目的，測量結果精確、穩定，具有較好的實用性。保證絕緣油能處于正常運行標準范圍內，確保了變壓器的安全運行。

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Research on Automatic Detection and Analysis System of Transformer Insulating oil Purification Device

GUO Jian1，REN Bei-ting1，XIANG Guan-teng1，ZHANG Jian-bing2，WANG Shao-kun3

(1.College of Electrical Engineeringand Renewable Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Xiaogan Power Supply Company,Xiaogan 442001,China;3.Anyang Power Supply Company,Henan Electric Power Company,Anyang 455006,China)

An automatic detection and analysis system on insulating oil purification device based on DSP processor is developed in order tounderstand whether insulating oil meets the operating standards and the effect of the device,which obtain the effect by analysis dielectric loss factor and resistivity of transformer insulating oil.The detection principle,hardware and software designing and overall structure was described,besides the detection criterion was obtained.Contrast experiments show that the system can get the result that whether the insulating oil meets the performance and the effect of insulating oil purification device,besides the system has easy operability,high automation and good usability.

purification device;automatic detection;dielectric loss factor;resistivity;detection criterion

1004-289X(2016)01-0021-05

國網湖北省電力公司科技項目(編號：5215K0120002)

TM41

B

2015-05-05

郭健(1987-),男,湖北恩施人，碩士研究生。研究方向：電力系統安全穩定控制。