變電站及其變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄭月陽(yáng)

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

0 引言

變電站及其變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。它通過安裝傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)變電站及變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站及變壓器的運(yùn)行狀態(tài)、溫度、振動(dòng)、絕緣狀態(tài)等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)與分析,以幫助運(yùn)維人員對(duì)電力設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)評(píng)估和故障預(yù)測(cè),最大程度地提高變電站及變壓器的安全性和可靠性。變電站及其變壓器作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,雖然承擔(dān)著輸變電任務(wù)和電能轉(zhuǎn)換等重要功能,但是存在運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、負(fù)荷變化大、工作時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),很容易出現(xiàn)故障或性能下降的情況。而傳統(tǒng)的巡檢方式往往無(wú)法對(duì)變電站及變壓器做到全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),需要長(zhǎng)時(shí)間停電和煩瑣檢修才能發(fā)現(xiàn)問題[1-2]。

本文介紹了一種用于確定變電站及其變壓器健康指數(shù)(Health Index, HI)的OCMS。OCMS對(duì)配電網(wǎng)中連接的所有類型的變壓器都適用,工作人員可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)操作無(wú)人值守變電站。變壓器工況數(shù)據(jù)以短消息業(yè)務(wù)的形式接收,并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)服務(wù)器上,維護(hù)成本大大降低。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)能夠最大程度地提高變電站及變壓器的安全性和可靠性,保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 在線監(jiān)測(cè)參數(shù)

1.1 電壓不平衡及諧波產(chǎn)生的熱量

電壓不平衡的原因包括三相輸配電線路的阻抗不相等,單相負(fù)載、相間負(fù)載和不平衡三相負(fù)載的分布不均勻。系統(tǒng)中出現(xiàn)的不平衡電壓水平可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)定義來(lái)指定,如式(1)所示。

Uv=λmax(Uab,Ubc,Uca)/ε(Uab,Ubc,Uca)

(1)

其中,λmax為最大偏差;ε為線電壓Uab、Ubc和Uca的平均值。電壓中的不平衡及諧波會(huì)導(dǎo)致電流的不平衡與失真,造成鐵心、銅心和渦流損耗增加。此類損耗是以熱量的形式產(chǎn)生,使變壓器的絕緣性能惡化。因此,電壓不平衡被認(rèn)為是評(píng)估變壓器健康狀況的參數(shù)之一,它表示為:

HI=f(Uv)

(2)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器中發(fā)生的損耗進(jìn)行了分類,此類損失的表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

(4)

其中,h為諧波的階數(shù);Ih為由第h次諧波引起的電流。Y表示由非正弦負(fù)載和電源不平衡引起的異常情況。連接負(fù)載的功率因數(shù)也與功率損耗有關(guān)。低功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)過度,如式(5)所示。

ΔU=I1(Rcosφ+Xsinφ)

(5)

其中,R和X分別為變壓器每相的電阻和電抗;cosφ為功率因數(shù)。因此,較低的功率因數(shù)增加了損耗并降低了效率。損耗的增加導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量增加,從而導(dǎo)致繞組和油溫變化。非線性負(fù)載引起諧波及功率損耗,因此,在非正弦負(fù)載和不平衡電壓供應(yīng)條件下的總損耗(PY)被視為異常損耗,并表示為公式(6)。

(6)

從式(4)—(6)可以看出,流經(jīng)變壓器的電流、功率因數(shù)和諧波含量是造成功率損耗的重要原因。這種功率損耗增加了變壓器中的熱量,影響了變壓器的正常使用。因此,這些具有諧波含量和對(duì)應(yīng)于特定負(fù)載cosφ的負(fù)載電流可用于評(píng)估變壓器健康狀況,表示為公式(7)。

HI=f2(Ih,cosφ)

(7)

1.2 效率偏差及健康指數(shù)

電子式電能表(Electronic Energy Meter,EEM)是一種多功能電能表,連接到變電站變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè),可以監(jiān)測(cè)電氣參數(shù),如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、每相的諧波含量和累計(jì)諧波含量。因此,變電站變壓器的效率由EEM測(cè)量的低壓側(cè)功率PLV與高壓側(cè)功率PHV的比值來(lái)確定,功率表達(dá)式如下。

(8)

特定負(fù)載條件下的效率偏差,即k0=k1-k2,表明損耗變化可被視為變壓器HI評(píng)估的參數(shù),表示為公式(9)。

HI=f3(k0)

(9)

繞組溫度指示器廣泛應(yīng)用于電力企業(yè),旨在模擬繞組最熱部分的熱行為。電力變壓器的負(fù)載能力主要受繞組溫度的限制,繞組溫度傳感器固定在變電站變壓器上,提供有關(guān)變壓器負(fù)載和絕緣退化動(dòng)態(tài)評(píng)估的信息。因此,繞組溫度(tw)被認(rèn)為是評(píng)估變壓器壽命的參數(shù)之一,表示為公式(10)。

HI=f4(tw)

(10)

1.3 HI計(jì)算

據(jù)研究,35%的變壓器故障是由老化和過載引起的。老化效應(yīng)被認(rèn)為是變壓器使用年限和變壓器負(fù)載歷史的綜合效應(yīng),稱為脫機(jī)參數(shù)。李軍浩等[3-5]研究了關(guān)于25%故障的類似觀察結(jié)果,老化和其他因素對(duì)故障的影響率小于28%。本文運(yùn)用脫機(jī)參數(shù)來(lái)計(jì)算變壓器的整體HI。此外,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,29.45%的變壓器故障是由脫機(jī)參數(shù)引起的,它通常代表OCMS連接到變壓器之前的變壓器歷史狀態(tài)。將脫機(jī)參數(shù)與在線參數(shù)相結(jié)合分析有助于計(jì)算可靠的HI。每個(gè)參數(shù)的權(quán)重分配基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。不同的站點(diǎn)可能有不同的維護(hù)間隔和政策,導(dǎo)致有不同的HI。由于脫機(jī)參數(shù)的貢獻(xiàn)為25%～35%,本文設(shè)定脫機(jī)參數(shù)30%的權(quán)重,為在線參數(shù)設(shè)定了70%的權(quán)重。因此,變壓器的整體HI表示為公式(11)。

HI=0.3HIOFP+0.7HIONP

(11)

上式HI值從“良好”到“非常差”進(jìn)行分組,通過這種方式的HI用于判斷變電站或廠用變壓器的狀況。由設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的變壓器故障也是變壓器故障的一個(gè)原因。本研究考慮的在線參數(shù)包括所有情況,這些參數(shù)反映了由變壓器設(shè)計(jì)問題而對(duì)異常故障產(chǎn)生的影響。本研究提出的算法考慮了此種情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正常情況

本文在實(shí)驗(yàn)室中通過創(chuàng)建正常和異常條件,測(cè)試了所提出的OCMS,用于HI計(jì)算的方法。變壓器上的負(fù)載在單位功率因數(shù)下保持在50%。電壓由三相自耦變壓器調(diào)節(jié)為220 V,即電壓不平衡為0。儲(chǔ)油柜中的油位約為42%。當(dāng)環(huán)境溫度為30.1 ℃時(shí),頂部油溫為40.1 ℃,且規(guī)定負(fù)載循環(huán)的效率偏差小于0.21%。圖1顯示了不同時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖1(a)表示輸出功率波形(瞬時(shí));圖1(b)表示功率輸入和輸出(平均值);圖1(c)表示效率;圖1(d)表示不同負(fù)載下的頂部油溫。OCMS每隔5 min對(duì)每個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。此后30 min即對(duì)6個(gè)樣本進(jìn)行采樣,取這些樣本的平均值,為平均樣本選擇分?jǐn)?shù)和權(quán)重。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算變壓器的HI。對(duì)于這種正常情況,OCMS計(jì)算的HI為100%。

2.2 異常情況

本文實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建了異常條件,測(cè)試了所提出的用于HI計(jì)算的OCMS。產(chǎn)生的異常情況有:電源電壓不平衡、變壓器負(fù)載百分比上升到額定值以上、功率因數(shù)低以及油位下降。在其中一種情況下,電壓不平衡為6.7%,負(fù)載和油位保持正常,在此過電壓條件下,電流增加到10.93 A。頂部油溫略有上升,達(dá)到42.4 ℃。此外,規(guī)定負(fù)載循環(huán)的效率偏差小于0.006 p.u.,參數(shù)的得分和權(quán)重發(fā)生了變化,OCMS計(jì)算的變壓器HI為94.4%。

變壓器不過載實(shí)驗(yàn)中,認(rèn)為如果變壓器超過90%的負(fù)載條件,則將其視為過載條件。電源電壓不平衡保持在其公差范圍內(nèi),油位保持與正常條件下相同,即50%。逐漸地,負(fù)載從0增加到110%,因此在過載條件下,油溫上升到55.7 ℃。對(duì)于這個(gè)定義的負(fù)載循環(huán),效率的偏差為0.98%。HI也隨著負(fù)載的變化而變化,對(duì)于過載條件,計(jì)算HI為86.11%。

儲(chǔ)油柜中的油位以10%的步長(zhǎng)從50%逐漸降低到0。在此期間,變壓器的供電電壓保持在220 V,負(fù)載為40%,可以觀察到,隨著冷卻劑的逐漸減少,頂部油溫已升高至40.9 ℃,如圖2所示,圖2(a)表示頂部油溫和油位,圖2(b)表示油位和效率。當(dāng)儲(chǔ)油柜中有2%的油時(shí),效率偏差為0.37%,在此情況下獲得的HI為87.5%。實(shí)驗(yàn)是在這些異常條件的組合下進(jìn)行的。HI隨著異常的增加而逐漸降低。對(duì)于在線參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)可提供有關(guān)干擾和故障的信息,如油位降低、過載、電壓差、功率因數(shù)差、斷路狀況等。

圖2 異常條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于脫機(jī)參數(shù)和在線參數(shù)的組合應(yīng)用研究了變壓器HI檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。利用該技術(shù),可以分析變壓器的油位、油溫、電壓不平衡損耗、功率因數(shù)、諧波電流等情況,計(jì)算變壓器的在線HI。在出現(xiàn)異常情況時(shí),系統(tǒng)將信息傳達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)人員。當(dāng)與其他現(xiàn)有的保護(hù)和控制技術(shù)相結(jié)合使用時(shí),可以實(shí)現(xiàn)有效的優(yōu)先狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。為了分析性能,本文使用三相變壓器進(jìn)行驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果證明了所提出系統(tǒng)的有效性。系統(tǒng)利用現(xiàn)有的儀表傳感器和通信網(wǎng)絡(luò),OCMS的開發(fā)成本約為變壓器成本的2%。因此,本文開發(fā)的系統(tǒng)有助于變壓器的預(yù)測(cè)性維護(hù)。實(shí)施變電站及其變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能需要投入一定的成本,包括設(shè)備采購(gòu)、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)分析等。然而,通過減少維修成本和提高設(shè)備可靠性,這種投資可以獲得長(zhǎng)期收益。變電站及其變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提供預(yù)警功能,預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障并提前采取措施,有助于提高設(shè)備的可靠性和安全性。