大型變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

范玉潔

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

在現(xiàn)代化技術(shù)的推動下，電網(wǎng)智能化程度越來越高，對于電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。電網(wǎng)設(shè)備，尤其是大型變壓器設(shè)備，在運(yùn)行過程中不可避免地會受到電、熱、環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致設(shè)備性能受損，引發(fā)故障等一系列惡性事故。因此，提供高質(zhì)量的電能、確保城市發(fā)展對于電力供應(yīng)的需求是本文研究的重點(diǎn)。狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要是針對大型變壓器設(shè)備實際工作狀態(tài)，通過現(xiàn)代化的監(jiān)測手段以及科學(xué)有效的評價手段，判斷其實時運(yùn)行狀態(tài)。通過大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可以自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和檢測等基本功能，同時，具備支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能，提高大型變壓器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，因此在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，是衡量電網(wǎng)智能化水平的一個重要因素。

1 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義

大型變壓器設(shè)備是電網(wǎng)的重要組成部分，對這些設(shè)備的維護(hù)和檢修是電網(wǎng)運(yùn)維的一項重要內(nèi)容。以往進(jìn)行的預(yù)防性檢修大多是離線進(jìn)行，整個過程需要停機(jī)、停電操作，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且設(shè)備停運(yùn)狀態(tài)下的檢修與運(yùn)行過程中的檢修存在一定的差異，會影響檢修效果。對于正常設(shè)備，如果按照統(tǒng)一的檢修計劃執(zhí)行，會造成人力、物力方面的浪費(fèi)，但一些重要設(shè)備無法進(jìn)行停運(yùn)檢修，容易產(chǎn)生安全隱患。因此，針對電網(wǎng)設(shè)備的特殊性，需要借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，實時在線的進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，以確保大型變壓器設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要包括：設(shè)備電磁線路、繞組、固體絕緣、液體絕緣、氣體絕緣以及設(shè)備冷卻循環(huán)系統(tǒng)。故障診斷包括設(shè)備機(jī)械故障、設(shè)備進(jìn)水受潮、過熱性故障、放電性故障以及過熱兼放電故障。常用的故障診斷方法是利用電磁脈沖和超聲波采集大型變壓器設(shè)備的電磁信號和聲信號，然后根據(jù)設(shè)備放電量、分布圖譜以及放電源的位置來判斷故障類型。大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置組成如圖1 所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要通過在線診斷的方式，通過對歷史數(shù)據(jù)、在線實時數(shù)據(jù)來判斷配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為后期設(shè)備的檢修和保養(yǎng)提供必要的理論依據(jù)。具體包括電網(wǎng)內(nèi)大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電壓互感器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電流互感器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電容器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；斷路器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置以及避雷器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置。

2.2 系統(tǒng)功能

大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要功能包括提供配電設(shè)備在線或者非在線監(jiān)測信息的瀏覽；智能診斷；故障分析、預(yù)測和評估等。大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要采用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用戶可以通過瀏覽器查詢配電設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)信息，同時，可以借助主機(jī)對變壓器設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，并將最終結(jié)果反饋給用戶。故障診斷主要涉及到變電站內(nèi)的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器等設(shè)備，狀態(tài)監(jiān)測裝置具有數(shù)據(jù)信息事實錄入功能、數(shù)據(jù)修改、查詢以及顯示和打印功能，故障診斷采用了人工智能理論，能夠準(zhǔn)確有效的指出設(shè)備的實時狀態(tài)，并且根據(jù)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和工作狀況，預(yù)測設(shè)備存在的潛伏性故障并提出應(yīng)對措施，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 變壓器設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

大型變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否健康，是由多項指標(biāo)決定的，但將這些指標(biāo)進(jìn)行合理定量的描述具有相當(dāng)大的難度，可以借助模糊理論進(jìn)行定義。例如：對脈沖幅值指標(biāo)的定義，大型變壓器設(shè)備在運(yùn)動過程中，電流波形會在很短的時間內(nèi)發(fā)生變化，電流幅值則是衡量這一變化的重要指標(biāo)，不同設(shè)備和電網(wǎng)電流電壓以及頻率會發(fā)生波動，暫態(tài)電流幅值的大小會有較大差異，設(shè)備在不同工況下運(yùn)行，需要通過多次測量和統(tǒng)計計算建立幅值函數(shù)模型，以便于用模糊語言進(jìn)行描述。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

大型變壓器設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括計算機(jī)和外圍設(shè)備，其中電子測量儀器包括各種設(shè)備傳感器、信號調(diào)理器以及數(shù)據(jù)采集器，這些硬件設(shè)備是系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺。通過傳感器對大型變壓器設(shè)備溫度以及行程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，然后再利用無線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)模塊進(jìn)行深入分析和處理。溫度、行程測量模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 溫度、行程測量模塊結(jié)構(gòu)

從圖2 中可以看出，變壓器設(shè)備溫度、行程測量模塊主要可以分為溫度測量單元、行程測量單元以及無線通信單元三部分。其中溫度測量單元主要由遠(yuǎn)紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片組成，通過遠(yuǎn)紅外溫度傳感器對觸頭溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，然后在利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片將傳感器監(jiān)測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成可供單片機(jī)利用的數(shù)字模擬信號；行程測量單元主要由光電編碼器、信號處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片以及數(shù)據(jù)存儲器組成；無線通信單元主要通過無線射頻芯片完成對數(shù)據(jù)信息的無線傳輸。無線通信測量模塊對應(yīng)的地址是唯一的，當(dāng)測量模塊接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，與相應(yīng)的地址進(jìn)行比對分析，如果相同則立刻向上位機(jī)恢復(fù)應(yīng)答信號，如果不同，則不做任何回復(fù)。3 個單元主要由單片機(jī)微處理器控制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集與傳輸。

3.2 軟件部分設(shè)計

軟件設(shè)計是變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心，給定計算機(jī)的運(yùn)算能力和硬件設(shè)備后，構(gòu)建出與該系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件，用戶可以自行定義，滿足個性化的使用需求。該系統(tǒng)主要使用基于G 語言的軟件開發(fā)工具，其功能強(qiáng)大、內(nèi)置用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等多項功能。Lab VIEW 在編程上具有強(qiáng)大的靈活性，使用圖形語言編程，用戶界面更加直觀和形象，有效的避免了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性。

大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的主程序是接收數(shù)據(jù)，發(fā)送指令的核心環(huán)節(jié)，具體包括：接收上位機(jī)發(fā)送的觸頭溫度測量指令、行程數(shù)據(jù)傳輸指令等。主程序工作流程如圖3 所示。

圖3 主程序工作流程

從圖3 中可以看出，主程序接收到指令后，根據(jù)不同類別將指令分別傳輸?shù)綔囟葴y量傳輸和行程測量傳輸單元中并完成相應(yīng)的操作，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，主程序進(jìn)行初始化，并進(jìn)入查詢狀態(tài)等待下一次指令的發(fā)送。大型變壓器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的工作過程主要有模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸3 個階段。模擬量采樣過程中，CS 需要保持高電平，當(dāng)電平變低時，在第三個I/O CLOCK 下降沿，開始對輸入模擬量進(jìn)行采樣，采樣周期維持7 個I/O CLOCK，并且在第10 個I/O CLOCK 下進(jìn)行降沿鎖存；在模擬量轉(zhuǎn)換過程中，CS 由低電平轉(zhuǎn)換成高電平，I/O CLOCK 禁止模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，此時DATA OUT 處于高阻狀態(tài)，單元內(nèi)的CMOS 門限檢測器通過檢測一系列電容的充電電壓決定模擬轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的每一位，轉(zhuǎn)換過程≤21 μs；在數(shù)字量傳輸階段，CS 由高電平變?yōu)榈碗娖剑试SI/O CLOCK 正常工作，并使DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)，接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4 結(jié)語

綜上所述，在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)可以迅速、連續(xù)反映大型變壓器設(shè)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備存在的潛伏性故障并提出應(yīng)對措施，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。通過實時在線監(jiān)測，精準(zhǔn)的掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，減少傳統(tǒng)定期維護(hù)產(chǎn)生的成本，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時，大型變壓器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)也是電網(wǎng)智能化發(fā)展過程中，不可或缺的一項重要組成部分，通過相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對變壓器設(shè)備的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效地降低了人工操作帶來的工作強(qiáng)度，提升了設(shè)備維護(hù)的工作效率，提升了配電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，延長使用壽命。