電力變壓器自動化檢測系統設計開發*

吳 限

(甘肅酒鋼(集團)宏聯自控有限責任公司,甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

隨著國民經濟飛速發展與用戶高質量用電需求的增加,我國電力系統正朝著大容量、高電壓、全國互通的方向發展,這對電力系統的穩定性等性能提出了更高要求[1-3]。輸變電設備是保證電網安全穩定運行的核心,其中變壓器作為電網最重要、最昂貴的一次設備,其主要功能是實現電網電壓等級變換、電能輸送及潮流控制。變壓器一旦發生故障,會直接影響到整個電網的運行,故障嚴重甚至會引發重大安全事故。因此,通過先進監測及故障診斷技術確保電力變壓器穩定運行具有重要意義。

目前,國內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]。針對變壓器的監測,目前多采用油色譜分析法,此方法中的參數檢測通常為離線測定,且監測氣體參數較為單一,無法實現全方位監測。針對上述問題,筆者基于變壓器在線監測診斷與數字化測量技術原理及應用,設計了一套電力變壓器自動化檢測系統。系統采用油色譜監測為主、多故障參數檢測并行的策略,選取油內氣體、溫度、局部放電量作為典型故障參數,并對相應監測模塊進行設計,為進一步實現變壓器的全方位監測與故障診斷提供思路和參考。

1 變壓器監測方案設計分析

1.1 油浸式變壓器結構及故障類型分析

油浸式變壓器按結構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,工作原理無本質區別,主要由鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置及保護裝置等組成,組成結構如圖1所示。

圖1 油浸式變壓器結構示意圖

按照部位不同,變壓器故障可分為內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部故障的多發位置,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絕緣損毀的主要原因。在發熱或放電的故障發展過程中,變壓器各部件的絕緣材料及變壓器油會發生電熱化學反應,從而產生大量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 系統總體監測方案設計

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

油中氣體作為系統主監測量,需對監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,變壓器不同類型故障對應氣體成分如表2所列。

表2 油浸式變壓器故障特征氣體成分

為進一步提高系統診斷速度及直觀性,系統故障診斷策略采用大衛三角形法,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。相比于傳統查表診斷方法,大衛三角形法在可視化監測方面更具優勢,系統可通過上位機交互界面所顯示的大衛三角形直觀監測變壓器當前運行狀態,并快速判斷故障類型。大衛三角形法故障判別規則如圖2所示。

圖2 大衛三角形法示意圖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設計

2.1 系統總體架構

按照系統總體監測方案要求,采用模塊化思想進行設計,整個系統由遠程監控平臺、綜合監測模塊、數據采集模塊及通信網絡組成,總體結構如圖3所示。

圖3 系統總體結構圖

系統以綜合監測模塊為功能核心,在油色譜監測模塊基礎上增加溫度監測模塊及局部放電監測模塊,以實現綜合監測。這樣可防止采用單一的氣體監測時因發生短路故障造成參數超標而引起誤判,從而進一步提高了變壓器故障診斷結果的可靠性。系統通信網絡由工業以太網及RS485總線構成,其中工業以太網用于綜合監測模塊與上位機的通信,RS485用于現場分布式傳感器與綜合監測模塊的數據傳輸,變壓器氣體、溫度、局部放電量等參數由數據采集模塊中的氣敏傳感器等設備進行采集上傳。

2.2 油色譜監測模塊設計

油色譜監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,模塊硬件結構如圖4所示。

圖4 油色譜監測模塊硬件結構圖

模塊主控器選用STM32F103RCT6型MCU;氣敏傳感器選用QM-N5 N型半導體氣敏傳感器,QM-N5測量范圍為50～10 000 ppm,響應時間≤10 s,可用于CH4、C2H4、C2H2三種特征氣體濃度檢測,具有靈敏度高、響應速度快、輸出信號大等優點。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通信網絡傳輸至上位機進行實時監測與故障診斷。

2.3 局部放電監測模塊設計

局部放電監測模塊的工作原理為:變壓器局部放電產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生局部放電。文中選用UHF-300EEE2型特高頻傳感器對變壓器內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,滿足系統采集需求。特高頻信號通過高頻同軸電纜輸入至信號調理電路進行處理,最終信號通過RS485傳輸至上位機進行監測與故障診斷,局部放電監測模塊硬件結構如圖5所示。

圖5 局部放電監測模塊硬件結構圖

2.4 溫度監測模塊設計

選用IF-C油浸式變壓器光纖溫度采集系統對溫度監測模塊進行架構,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進行采集,具有抗電磁干擾、耐腐蝕等優點,可滿足系統對變壓器溫度的監測需求。

3 試驗應用效果

為驗證此系統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進行實際運行測試。系統運行后,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測,通過上位機交互界面的可視化圖形及實時采集數據可直觀掌握變壓器當前運行狀態。同時,該系統具備故障診斷與報警功能,系統上位機監測界面如圖6所示。

圖6 系統上位機監測界面

由實驗結果可知,當前變壓器油中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。通過大衛三角形區域極限值判斷可知,目前變壓器處于正常運行狀態,未發生局部放電及熱故障。

4 結 語

針對油浸式變壓器監測參數單一、實時性差等問題,設計了一套電力變壓器自動化檢測系統。通過油色譜、溫度及局部放電綜合監測實現了對油浸式變壓器的全方位在線監控及故障診斷。經實際測試,系統可通過變壓器油中氣體濃度比值、溫度等多判據確定變壓器運行狀態,數據采集準確,對于保障變壓器安全穩定運行具有實際意義。